張加書， 韓躍平， 張瑞珍

(中北大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院， 山西 太原 030051)

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分， 在信息化發(fā)展中起到了舉足輕重的作用[1]. “云+端”模式[2]到來之后， 基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的遠(yuǎn)程控制[3]、 語(yǔ)音控制[4]等一些智能化控制產(chǎn)品慢慢普及到人民的生活. 必須承認(rèn)， 由于平臺(tái)的可擴(kuò)展性、 兼容性、 時(shí)效性以及開發(fā)周期的原因， 這些概念和產(chǎn)品并沒有打開最廣闊的智能家居市場(chǎng)[5].

本文利用智能通信模組(以下稱為智能模組)對(duì)接云平臺(tái)并且發(fā)射紅外波形信號(hào)到空調(diào)電控板， 移動(dòng)客戶端APP與智能模組綁定連接到云平臺(tái)， 下發(fā)控制命令. 智能模組利用紅外發(fā)射接口， 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成紅外波形信號(hào)， 發(fā)射到空調(diào)電控板的紅外接收端口[6]， 進(jìn)而用戶通過APP的UI界面[7]即可控制空調(diào)電控板. 本文提出了一種借助云端部署、 一鍵匹配開發(fā)控制不同品牌空調(diào)遙控器源碼庫(kù)的開發(fā)方法， 實(shí)現(xiàn)了品牌空調(diào)控制的兼容性， 通過精簡(jiǎn)內(nèi)存提高了匹配以及控制效率， 本文重點(diǎn)對(duì)空調(diào)源碼庫(kù)的開發(fā)做了深入的研究.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

研究基于智能模組與云平臺(tái)(broadlink云)服務(wù)[8]相結(jié)合， 實(shí)現(xiàn)移動(dòng)客戶端一鍵學(xué)習(xí)匹配空調(diào)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、 兼容多品牌空調(diào)等功能. 智能模組硬件設(shè)備集成了WiFi模塊通信與紅外模塊通信的功能， 通過WiFi模塊與云平臺(tái)建立網(wǎng)絡(luò)連接. 云平臺(tái)核心業(yè)務(wù)面向家電產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的創(chuàng)建、 標(biāo)準(zhǔn)功能參數(shù)屬性設(shè)置、 產(chǎn)品部署等功能. 云空調(diào)的實(shí)現(xiàn)不需要對(duì)傳統(tǒng)空調(diào)廠商產(chǎn)品進(jìn)行二次開發(fā)， 智能云空調(diào)取代傳統(tǒng)的空調(diào)遙控器， 在保證產(chǎn)品智能化、 最優(yōu)化的情況下節(jié)約了開發(fā)成本. 如圖 1 所示為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖.

圖 1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System overall block diagram

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

移動(dòng)客戶端APP用戶賬號(hào)注冊(cè)登陸， APP設(shè)置為L(zhǎng)AN模式和WLAN模式[7]. 云平臺(tái)創(chuàng)建的產(chǎn)品列表提供了空調(diào)遙控器標(biāo)準(zhǔn)功能參數(shù)以及枚舉值， 如表 1 所示， 列表屬性針對(duì)本次開發(fā)設(shè)計(jì)可滿足用戶基本需求， 可根據(jù)用戶需求提供靈活性的自定義添加. 前端開發(fā)利用云平臺(tái)提供的不同功能參數(shù)， 對(duì)其中的枚舉值進(jìn)行相對(duì)應(yīng)功能的UI界面開發(fā)， UI開發(fā)界面如圖 2 所示.

移動(dòng)客戶端用戶可采用局域網(wǎng)WiFi、 廣域網(wǎng)WiFi兩種主要的聯(lián)網(wǎng)方式： 局域網(wǎng)下， 移動(dòng)客戶端APP下發(fā)控制指令到智能模組， 智能模組接受命令后對(duì)空調(diào)電控板發(fā)送控制指令， 同時(shí)APP把參數(shù)值上傳云平臺(tái)； 廣域網(wǎng)下， APP發(fā)送的控制命令先改變?cè)破脚_(tái)的對(duì)應(yīng)參數(shù)， 之后云平臺(tái)將參數(shù)值傳遞到本地設(shè)備. 局域網(wǎng)下移動(dòng)客戶端APP(client端)通過UDP協(xié)議[9]建立網(wǎng)絡(luò)套接字的方式實(shí)現(xiàn)與云平臺(tái)(server端)通信， 局域網(wǎng)通信方式如圖 3 所示； 廣域網(wǎng)下移動(dòng)客戶端APP通過建立一個(gè)線程向云平臺(tái)發(fā)送HTTP的GET/POST請(qǐng)求去查詢?cè)破脚_(tái)的功能參數(shù)變化以及下發(fā)控制命令.

表 1 空調(diào)功能參數(shù)列表及枚舉值Tab.1 List of air conditioning function parameters

圖 2 UI開發(fā)界面Fig.2 Development interface of UI

圖 3 局域網(wǎng)通信方式Fig.3 Communication mode under LAN

2 源碼庫(kù)開發(fā)

源碼庫(kù)的開發(fā)是整套產(chǎn)品的核心部分， 也是本文的研究重點(diǎn)， 研究云空調(diào)的源碼庫(kù)開發(fā)， 對(duì)云空調(diào)產(chǎn)品的品牌兼容性、 一鍵匹配、 控制高效性起到了不可或缺的作用.

2.1 源碼庫(kù)開發(fā)環(huán)境搭建

網(wǎng)上下載虛擬機(jī)VMware安裝包， 并安裝64 b ubuntu， 版本號(hào)16.04， 用于編譯調(diào)試開發(fā)的c語(yǔ)言文件. 配置虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為橋接方式(NAT方式不要)， 為了方便后期的云端調(diào)用操作配置靜態(tài)IP地址， 在ubuntu終端中輸入$sudo vi /etc/network/interfaces， 再打開的網(wǎng)絡(luò)配置文件輸入配置內(nèi)容設(shè)置靜態(tài)IP地址. 注意在橋接方式下， 虛擬機(jī)相當(dāng)于是局域網(wǎng)中一臺(tái)獨(dú)立的主機(jī)， 因此這個(gè)靜態(tài)IP地址不能和局域網(wǎng)中別的主機(jī)沖突. 如果對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)置做了更改后無法連接網(wǎng)絡(luò)， 可以嘗試重啟網(wǎng)絡(luò). 安裝samba服務(wù)器[10]進(jìn)行Windows和ubuntu平臺(tái)文件共享實(shí)時(shí)同步更改， 服務(wù)器重啟命令sudo /etc/init.d/samba restart. 安裝Sourceinsight進(jìn)行源程序的讀取和編輯. 安裝紅外遙控編碼分析儀PC端軟件IRReader以及紅外遙控編碼分析儀驅(qū)動(dòng)用于分析空調(diào)遙控器輸出的紅外波形.

2.2 源碼庫(kù)開發(fā)原理

選用通用型智能紅外遙控編碼分析儀分析遙控器波形， 提供了被測(cè)紅外遙控器的所有脈寬信息和波形[11]. 分析儀接入PC端打開上位機(jī)軟件， 界面能清晰穩(wěn)定地顯示信號(hào)完整波形， 這是很多示波器達(dá)不到的； 可測(cè)試脈沖寬度、 碼串長(zhǎng)度、 數(shù)據(jù)位數(shù)、 引導(dǎo)碼、 客戶碼、 數(shù)據(jù)碼等； 支持一鍵多碼的解碼； 4通道顯示波形， 方便波形對(duì)比， 每個(gè)通道支持兩種模式.

在開機(jī)狀態(tài)溫度、 模式、 風(fēng)速、 風(fēng)向一定的情況下， 在上位機(jī)界面采集顯示某品牌空調(diào)遙控器輸出的紅外波形如圖 4 所示.

圖 4 采集紅外波形圖Fig.4 Acquisition of infrared waveforms

通過溫度增減按鍵以及在上位機(jī)界面的紅外遙控編碼分析儀的數(shù)據(jù)波形顯示， 空調(diào)遙控器實(shí)際是給空調(diào)電控板紅外接收器發(fā)送一連串的紅外波形, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控制空調(diào)功能的作用[12]. 分析紅外遙控編碼分析儀給出的數(shù)據(jù)： 空調(diào)遙控器與電控板的通信數(shù)據(jù)格式為起始碼、 數(shù)據(jù)區(qū)、 結(jié)束碼； 其中起始碼和結(jié)束碼以比特為單位， 數(shù)據(jù)區(qū)以字節(jié)為單位； 波形由高到低證明是波形發(fā)射端； 數(shù)據(jù)區(qū)中的一段高低電平(1/0)的定義見圖 5； 波形上面顯示的數(shù)字代表的是電平的大小， 見圖 6. 由此可以觀察一款空調(diào)遙控器發(fā)射的某個(gè)功能參數(shù)下的數(shù)據(jù)區(qū)有幾個(gè)字節(jié)， 根據(jù)波形分析對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)值(小端模式)以及起始、 結(jié)束幾個(gè)bit位.

圖 5 高低電平(1/0)的定義Fig.5 Definition of high and low level

圖 6 電平大小Fig.6 Level size

將其他輔助功能關(guān)閉(APP里沒有添加這個(gè)輔助功能按鍵， 按照用戶需求可以靈活添加)， 找出固定字節(jié)、 找出各功能按鍵對(duì)應(yīng)影響的字節(jié).

某些品牌遙控器某些功能的溫度遞增受影響的不止兩個(gè)字節(jié)， 如圖 7 所示， 為某品牌遙控器字節(jié)控制溫度. 風(fēng)向本有上下30°, 60°, 90°掃風(fēng)， 由于控制面板里面沒有添加可以改變風(fēng)向的按鍵， 故取一個(gè)常用的值拿來做固定值.

圖 7 字節(jié)控制溫度Fig.7 Byte control temperature

某些品牌遙控器的某些功能參數(shù)沒有開發(fā)， 但是UI界面具有的功能則取有效的控制波形當(dāng)默認(rèn)值.

某些品牌遙控器， 紅外遙控編碼分析儀采集的波形數(shù)據(jù)可能有多個(gè)起始碼、 多個(gè)結(jié)束碼， 其按規(guī)律進(jìn)行輸出波形的編碼添加.

某些品牌遙控器輸出的波形按照大端模式輸出， 添加電平反轉(zhuǎn)函數(shù)輸出正確電平.

2.3 主要功能代碼

選用一款通用型三菱品牌空調(diào)遙控器進(jìn)行源碼庫(kù)的開發(fā)， UI界面控制功能參數(shù)包括： 溫度遞增、 溫度遞減、 模式、 風(fēng)速、 風(fēng)向、 狀態(tài)6個(gè)功能按鍵(按用戶需求可以逐個(gè)添加)， 其中模式分為自動(dòng)、 制熱、 制冷、 除濕、 送風(fēng)5個(gè)模式； 風(fēng)速分為自動(dòng)、 低、 中、 高4個(gè)等級(jí)； 風(fēng)向包括固定風(fēng)向和自動(dòng)掃風(fēng)； 狀態(tài)包括開機(jī)狀態(tài)、 關(guān)機(jī)狀態(tài). 采集UI界面包含的功能按鍵數(shù)據(jù)， 邏輯開發(fā)寫入底層繼而實(shí)現(xiàn)控制功能.

列出底層源碼庫(kù)開發(fā)的一些主要代碼為： 一鍵匹配函數(shù)、 數(shù)據(jù)輸出轉(zhuǎn)換波形函數(shù)以及溫度獲取函數(shù).

2.3.1 一鍵匹配函數(shù)功能碼

int fujistu_type_check(irda_local_frame_t*frame)

{

irda_frame_pos_t frame_pos;

irda_parse_data_t data_stream1;

memset(&frame_pos, 0, sizeof(irda_frame_pos_t));

frame_pos.frame=frame;

//匹配起始碼字節(jié)

if(irda_parse_basic_logic(&frame_pos, &startup_code)<0) return-1;

//匹配數(shù)據(jù)區(qū)字節(jié)數(shù)以及第一個(gè)字節(jié)

irda_parse_data_frame(&frame_pos, &bit01, &data_stream1, DATA_STREAM1_BIT);

if(data_stream1.bit_count

//匹配結(jié)束碼字節(jié)

if(irda_parse_basic_logic(&frame_pos,&end_code)<0) return -1;

return 0;

}

2.3.2 數(shù)據(jù)輸出波形轉(zhuǎn)換函數(shù)

int irda_merge_basic_logic(irda_local_frame_t *frame, const irda_baisc_bit_t *basic_bit)

{

//添加一個(gè)電平到數(shù)據(jù)流 0： 低電平 1： 高電平

irda_add_level(basic_bit->level0, frame, 1);

if(basic_bit->level1 != 0)

irda_add_level(basic_bit->level1, frame, 0);

return 0;

}

2.3.3 溫度獲取邏輯函數(shù)

char temp_gain(int mod_flag,int temp_flag)

{

char temp=0;

switch(temp_flag){

case 17: tmp=(mod_flag?4 ) | 0x00; break;

case 18: tmp=(mod_flag?4 ) | 0x08; break;

case 19: tmp=(mod_flag?4 ) | 0x0c; break;

case 20: tmp=(mod_flag?4 ) | 0x04; break;

case 21: tmp=(mod_flag?4 ) | 0x06; break;

case 22: tmp=(mod_flag?4 ) | 0x0e; break;

case 23: tmp=(mod_flag?4 ) | 0x0a; break;

case 24: tmp=(mod_flag?4 ) | 0x02; break;

case 25: tmp=(mod_flag?4 ) | 0x03; break;

case 26: tmp=(mod_flag?4 ) | 0x0b; break;

case 27: tmp=(mod_flag?4 ) | 0x09; break;

case 28: tmp=(mod_flag?4 ) | 0x01; break;

case 29: tmp=(mod_flag?4 ) | 0x05; break;

case 30: tmp=(mod_flag?4 ) | 0x0d; break;

default: break;

}

return (tmp);

}

3 系統(tǒng)功能聯(lián)調(diào)

按照紅外遙控編碼分析儀輸出的數(shù)據(jù)波形、 云平臺(tái)提供的功能參數(shù)枚舉值以及尋找功能參數(shù)變化邏輯規(guī)律， 進(jìn)行函數(shù)的邏輯判斷編碼， 編譯開發(fā)c程序和腳本程序代碼. 其中在IRReader界面采集的電平有效誤差范圍根據(jù)智能模組硬件電路的識(shí)別精度經(jīng)實(shí)驗(yàn)取值在80～200之間.

一鍵匹配功能函數(shù)的實(shí)現(xiàn)包括對(duì)起始碼的匹配、 數(shù)據(jù)區(qū)的匹配以及結(jié)束碼的匹配， 為了提高匹配的效率以及準(zhǔn)確性， 多次進(jìn)行起始碼、 結(jié)束碼匹配， 數(shù)據(jù)區(qū)只匹配1～2個(gè)字節(jié)的實(shí)驗(yàn)， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示能達(dá)到正常的匹配功能并且相對(duì)于全部數(shù)據(jù)區(qū)匹配提高了時(shí)效性， 進(jìn)而縮短了代碼段的內(nèi)存空間.
圖 8 為空調(diào)一鍵匹配成功結(jié)果. 代碼編譯完成后通過更改輸入功能參數(shù)在ubuntu環(huán)境下驗(yàn)證c編譯后的可執(zhí)行文件和腳本程序輸出的紅碼相等， 調(diào)試對(duì)比之后上傳到云端部署.

圖 8 空調(diào)一鍵匹配成功結(jié)果Fig.8 Successful result of air conditioning key match

智能家居控制APP用戶登錄成功之后， 長(zhǎng)按智能模組復(fù)位按鍵到配網(wǎng)狀態(tài)， APP添加設(shè)備綁定， 通過一鍵學(xué)習(xí)匹配空調(diào)遙控器， 學(xué)習(xí)成功后彈出控制界面.

傳統(tǒng)空調(diào)遙控器和APP在其他功能參數(shù)保持一致的情況下， 同時(shí)改變溫度，
圖 9 是傳統(tǒng)遙控器和APP控制在溫度從20 ℃～21 ℃的溫度變化過程對(duì)比， 結(jié)果顯示APP和傳統(tǒng)遙控器紅外輸出的波形是一致的， 通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證都能達(dá)到遠(yuǎn)程、 實(shí)時(shí)、 準(zhǔn)確控制的目的.

圖 9 空調(diào)遙控器和APP數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.9 Contrast diagram of air conditioning remote controller and APP data

一款傳統(tǒng)空調(diào)遙控器對(duì)應(yīng)開發(fā)一款應(yīng)用c文件， 對(duì)應(yīng)生成一個(gè)可執(zhí)行文件， 同理收錄海量空調(diào)遙控器進(jìn)行紅外碼錄入， 系統(tǒng)開辟一定的內(nèi)存空間來存儲(chǔ)海量的空調(diào)紅碼及云端部署， 形成最終的源碼庫(kù).

4 結(jié) 論

基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的空調(diào)源碼庫(kù)開發(fā)以及后期測(cè)試驗(yàn)證分析結(jié)果表明：

1) 智能終端APP遠(yuǎn)程控制的可行性以及控制的準(zhǔn)確性和時(shí)效性， 實(shí)現(xiàn)了和傳統(tǒng)空調(diào)遙控器一樣的控制功能.

2) 海量收錄空調(diào)遙控器云端部署一鍵匹配形成了一套源碼庫(kù)， 通過大量的實(shí)驗(yàn)證明了整套方案的時(shí)效性以及控制準(zhǔn)確性， 符合產(chǎn)品市場(chǎng)的要求以及客戶的需要， 最終能夠?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)客戶端對(duì)不同品牌空調(diào)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程操作控制.