如何用手机控制空调 ——简单实用的智能家居教程 - 知乎

【首发少数派： 如何用手机控制空调 ——简单实用的智能家居教程】

我家有三个单体空调，型号比较老，每次要在各自的控制面板上调节开关和温度，也没有定时控温功能。如果想实现远程操控（比如在手机上），最简单的方案就是 Nest Thermostat。然而抠门如我一看每个售价$169，三个要五百多美元，便萌生自己改装的念头。

可行吗？根据电路常识推测，空调各部分工作应该是由相应 IO（Input / Output）的高低电位触发，那么只要找到控制面板所连结的 IO，就可以取而代之。换个角度，即使空调结构是黑盒子，既然 Nest Thermostat 能用于大部分空调型号，这说明：1，空调的 API（操控界面）是高度统一的；2，只要能模拟 Nest 的行为，就可以实现从空调 API 到 Nest API 的转换；3，网上一定有许多通用的 DIY 开源项目。

在这个课题上，我花了一半时间找合适的开源项目。你需要综合评价：对方解决的问题是否和你一致，交互界面你是否喜欢，配件是否经济实惠，软硬件系统是否强健，是否有后续开放性，可否融合到更广的智能家居平台等等。由于是第一次改装家电，后两个因素暂时不考虑。因为我手头有多余的树莓派 Zero，在定制的 Linux 系统下可以轻松安装 Web App，通过 ssh 编程也极为简便，于是就以 thermostat + raspberry pi + web 为关键词搜索，最终选中了 这个方案：PyStat。

PyStat 的用户界面是一个网页：

用户界面非常直观：第一行显示室温和目标温度。第二行的三个圆圈表明相应部件是否工作。比如，在制热时，制热和风扇同时工作，所以第1、3个圆圈是亮的，中间代表制冷的不亮。第三行的三个方块是用户选择的工作模块，最多可选一个。注意无论选制冷还是制热，风扇始终是工作的。第四行是温度选择。选好模式和温度后点击 Submit Changes 即可传送指令。最下方是由 WeatherAPI 提供的天气预报。

因为是 Web App ，就可以在家里任何浏览器上操作，比如手机和 Tablet 上：

（打折时淘的 Fire Tablet 重获生机，可以嵌到墙里）

因为是内网页面，你只能在联入家里 Wifi 的设备上操控，即不能在回家路上事先打开空调——这是这个方案的缺点之一。我会在以后的系统智能家居方案中探索这个需求。

如果你喜欢这个界面，就可以下载 代码库，撸起袖子干了：

购买配件

树莓派 Zero W$10 + shipping

Micro SD 卡（至少8G） $8

4 Channel Relay$7

DS18B20温度探头$6

一个4.7k~10k欧姆的电阻

导线若干、Micro USB 充电线一根

总价：$31+。除了树莓派以外的配件在 AliExpress 上买便宜得多，只是要等2-3周。

此外，你可能还需要用于测试的 LED 灯若干、面包版、电焊工具、micro HDMI 线、micro USB hub、USB 鼠标键盘等辅助配件，以上都不算在耗材里。

预备树莓派

1，在树莓派上安装 Rasbian 系统， 参考这里。建议安装 这个带图形桌面的版本。

2，通过 Micro HDMI 连显示器，在图形界面里连上家里的 Wifi。

3，如果选择 ssh 联入，记得在 raspi-config 设置里 enable ssh。

4，下载代码： https://github.com/zhaozhichen/PyStat

设置温度探头

我先扯开一点，讲一下空调是怎么控制温度的。

纠正一个许多人都有的错误印象：（以制热为例）温度调得越高，空调功率越大，室温升温越快。事实上，对大部分普通空调，制热制冷功率是恒定的，和所调温度无关。比如室温是10度，制热目标温度设为20度，在制热过程中室温逐渐升高，当到达目标温度加容错值（比如2度），也就是22度时，空调停止工作。此后，室温逐渐回落，当落到目标温度减去容错值，也就是18度时，制热再次开启，如此往复保证室温在设定温度周围（18～22度）震荡。所以，设定温度高低只能决定最终稳定的室温，而不能改变初始升温的速度。

说这个原理，是因为我们要在程序里复现以上逻辑，也就是说除了控制制热／制冷／风扇的输出信号，我们还需要测量室温的输入信号。

温度是模拟量。不同于 Arduino，树莓派只支持数字输入，于是需要 DS18B20 这样的 1-Wire 设备将模拟信号转换为脉冲数字信号，然后解码为模拟量，保存在 /sys/bus/w1/devices 中。请参考 这个 教程，并将你的温度探头序列号复制到 这里。注意：我们用4号接口。

安装 Web App

我自己不会做网站，尤其不懂前端，对 LAMP 结构的 web server 敬而远之。直到发现基于 python 的 flask，三行代码写 Hello World，真是找到了救命稻草，一见钟情。Flask 的 web server 教程请 参考这里。

这个系统的主代码是 ThermostatMain.py，初次运行时开启三个线程，分别是 ：

• ThermostatService
• 从 current.set 读取指令（模式：制热／制冷／风扇，目标温度）；
• 通过温度探头读取室温；
• 通过 GPIO 输出制热／制冷／风扇的开关。
• ThermostatWeb
• web server，通过温度探头读取室温显示在网页上；
• （可选）从指定的天气信息服务商 API 读取所在地气候、天气预报等信息。推荐 Weather提供的 API；
• 将用户在网页上做的指令保存于 current.set。
• ThermostatScheduler
• 定时开关，这个没有用户界面，我也没有用上。

然后循环运行以下任务：

• 记录室温、指令、天气情况等信息，通过 sqlite3 保存到数据库中；
• 检测各进程，及时报错。

运行主程序：

        $ Python3 ThermostatMain.py

然后在其他设备上访问：192.168.X.X:5000（填写树莓派的 IP 地址），应该可以看到用户界面。

这是 web app 的单元测试（unit test）。

树莓派电路

如果你没有在树莓派上用过 python 的 GPIO 库，可以参考 这个教程。我们用的树莓派的 GPIO 针脚排布在 这里，此外可以在 这里看到更详细的参数。我们用到了4个接口，除了用于前文提到的用于温度探头的4号口，其他三个输出口分别是：

• 制热开关：17
• 制冷开关：27
• 风扇开关：22

除此之外，还需要用到3.3伏电位和地线（ground）。所以，焊接后的电路如下（温度探头的焊接方式在前文提到的 教程里）：

（由于我用的是树莓派 Zero，不带 Wifi 功能，所以需要外接 USB Wifi 模块。如果你买的是我推荐的树莓派 Zero W，就可以忽略这个模块。）

在接空调之前，建议用 LED 灯模拟空调，检测制热／制冷／风扇在网页提供的指令下是否工作正常。比如，在17口和地线之间串联进一个 LED 灯加一个大于1k的电阻（防止 LED 灯电流过载而烧毁），如果空调应该处于制热模式，灯应该亮。

这是树莓派的单元测试。

注意：由于我们用到的 Relay 的开关和树莓派 GPIO 的输出是相反的，所以你在用 LED 灯测试时需要在 这里将输出指令掉转过来。）

空调电路

尽量获得空调的手册（至少是比较接近的型号），了解遥控模式的使用方式。比如，这个是和我家空调型号比较接近的控制板布局（摘自 手册）：

注意 C、E、F 区。E 区中的 Remote 必须调至 ON，这意味着你将通过 C 区针脚操控空调，同时也意味着你放弃了控制面板的操作权。C 区的针脚布局如下：

每个空调的布局不尽相同，但一般都至少含有 R、G、W、Y、C 五个接口。含义如下：

• R：24伏高电位
• C：地线 Ground
• G：风扇
• W：制热
• Y：制冷

当 W 和 R 相连，W 就获得了高电位，制热模式开启。风扇和制冷同理。

这种通用接口称为 Thermostats C Wire，可以参考 这篇介绍。

在连入空调前，建议你先测试遥控模式下针脚是否工作正常。拿一根导线，将 R 和 G 连上，应该可以触发风扇工作。如果不行，将空调电源拔掉再接上试试。

这是空调遥控模块的单元测试。

注意，我们在树莓派上也连出五根线，分别对应以上五个接口。但是，树莓派的电位是3.3伏，而空调面板使用24伏，不能直接对接，需要用转换电压的 Relay，电路示意图如下（摘自 这里）：

（空调地线不用接，因为它们最终连到同一个 Ground：地面——字面意思，非冷笑话。）

实物图（我用的是8通道 Relay，其实只用了其中三个通道）：

最后，连入空调电路：

最后运行主程序，进行端到端成品测试（End to end test）。

祝你成功！

后续

1，设置静态IP：

        sudo vi /etc/dhcpcd.conf

加上（第二行自选IP）：

        interface wlan0
static ip_address=192.168.X.X/24
static routers=192.168.0.1
static domain_name_servers=192.168.0.1

2，开机启动程序：

        sudo crontab -e

加上：

        @reboot sh /home/pi/PyStat/launch.sh >/home/pi/logs/cronlog 2>&1

3，我在做这个的过程中发现一个很棒的全栈方案，是下一个探索方向：

• NodeMcu：客户端硬件；
• MQTT：通讯协议；
• Home Assistant：服务端控制平台。