基于STM32的智能家居之熱水器控制系統(tǒng)

夏 超,凌衛(wèi)青

(同濟大學 電子與信息工程學院，上海 200092）

0 引言

市場上的電熱水器有儲水式電熱水器和即熱式電熱水器兩種。即熱式熱水器的優(yōu)點是方便快捷，不占空間，安全，最大限度地減少了熱量散失，出水溫度恒定，缺點是功率較大，對電表、電線的要求較高。儲水式電熱水器的優(yōu)點是功率要求低，因可實現(xiàn)上水停電，使用更安全，可實現(xiàn)定時加熱，缺點是加熱慢，所帶保溫儲水罐占較大空間，不適合長時間連續(xù)用水，使用過程中大多需經常調節(jié)水溫。為提高電熱水器的節(jié)能性、多功能化、智能化，本文基于Cortex-M3內核，結合溫度采集模塊、無線傳輸模塊，設計了一個可以遠程控制溫度的控制系統(tǒng)，最終實現(xiàn)智能家居的熱水器控制。

1 總體設計和系統(tǒng)功能

本控制系統(tǒng)針對熱水器進行控制，遠程操作部分與主控制器以串口連接，智能家居中溫度控制節(jié)點與主控制器形成一個GPRS網(wǎng)絡相互通信，所以通過外部移動終端就可以實現(xiàn)與主控制器的通信從而實現(xiàn)對智能家居中熱水器的溫度節(jié)點的控制。當然也可以由主控制器來直接控制溫度節(jié)點的運行，這樣更快捷。主控制器發(fā)送控制命令給溫度節(jié)點，溫度節(jié)點收到命令后進行相應分析并做出相應動作，然后返回最終的狀態(tài)給主控制器，主控制器通過串口將各節(jié)點的信息發(fā)送到遠程操作系統(tǒng)或直接顯示到自帶的顯示液晶上。系統(tǒng)結構圖如圖1所示[1]。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

本系統(tǒng)的終端設備采用模塊化的結構設計思想，將終端設備分為主控模塊和各個功能模塊。主控模塊和各功能模塊之間有統(tǒng)一的或者特定形式的接口，可根據(jù)實際情況選用不同的功能模塊。各功能模塊又包含多個節(jié)點，每個節(jié)點即為通信的一個終端，各節(jié)點之間相互獨立，某一個節(jié)點出現(xiàn)故障時不會影響到其他節(jié)點的運行。

熱水器控制系統(tǒng)的幾個主要模塊功能如下：

（1）按預設的溫度對水膽進行加熱控制：在水膽溫度到達預設溫度后自動停止加熱，低于預設溫度時自動恢復加熱。用戶可根據(jù)實際情況自行設定水膽溫度，例如熱水需求量大時可調高水膽溫度以滿足用水需要，而熱水需求量少時則可將水膽溫度調低以減少熱量散失。

（2）可控恒溫和定時加熱：用戶可在實際范圍內任意設定出水溫度，由嵌入式設備控制按照用戶設定的溫度恒溫出水；同時可設定開機時間和關機時間，使熱水器按設定的時段定時加熱。

（3）溫度與時間的LCD顯示：顯示溫度及時間。

（4）自動報警：在系統(tǒng)檢測到有故障現(xiàn)象時，發(fā)出報警信息，該信息通過GPRS網(wǎng)絡及時傳回遠端的終端，并進行漏電保護和干燒防護。

（5）遠程控制：在控制端界面顯示各個終端的運行情況、當前的實時溫度信息，用戶指令通過控制端下發(fā)到采集端，最后通過采集端回傳終端所需要的信息。用戶可以通過移動終端控制熱水器的開關和溫度設定等，并可查詢熱水器的工作狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設計

熱水器硬件電路主要由溫度采集模塊、主控制器模塊、電加熱功率驅動模塊、電源管理模塊、無線傳輸通信模塊和顯示模塊等組成。

2.1 溫度采集硬件設計

2.1.1 檢測原理

為對水膽水溫、出水溫度進行控制及顯示，需對水膽水溫與出水溫度進行檢測。本設計采用的溫度傳感器是負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻，利用其阻值隨溫度變化而改變的特性進行溫度檢測[2]。此熱敏電阻的阻值與水溫的特性表達式為：

其中，RT0為水溫在T0時的電阻值，T0為室溫值，即25℃，β是材料的系數(shù)。

NTC熱敏電阻分別安裝在水膽和混水管內以達到測溫目的。由溫度轉換電路將溫度值轉換為電量，輸入到嵌入式系統(tǒng)的電壓采樣電路并進行模數(shù)轉換，從而測量到水膽和混水管內的水溫度值。

2.1 .2 溫度轉換電路

圖2所示為溫度轉換電路，其中RT1、RT2分別為安裝于水膽和混水管內的NTC熱敏電阻。當水膽內的溫度和混水管內的溫度發(fā)生變化時，RT1、RT2的電阻值也隨之改變，STM32處理器的PA0、PA1端口上的電壓也相應地發(fā)生變化。PA0、PA1是STM32的模擬量輸入端，分別用于檢測電阻R01、R02上的電壓，然后由STM32的A/D轉換電路進行轉換，從而測出其對應的溫度。

圖2 溫度檢測電路

2.2 無線傳輸通信模塊設計[3]

無線傳輸通信模塊分為兩大部分：主控模塊和無線收發(fā)模塊。主控模塊由微處理器、Flash ROM、SDRAM、復位電路、電源電路等組成。

2.2 .1 電源模塊

GPRS的供電范圍為3.3 V～4.8 V，STM32處理器供電電壓為3.3 V。為了滿足系統(tǒng)各個部分供電的需求，采用DC5V作為電路板的供電電源，電路部分如圖3所示。為簡化電路, 其中，采用串聯(lián)一個二極管IN4007的方法,使GPRS模塊的實際電壓約為4.3 V左右，滿足供電需求。另一部分，通過三端線性穩(wěn)壓芯片LM1117輸出3.3 V電壓，同時，在LM1117芯片的兩端加0.1 μF和100 μF電容進行濾波處理，對STM32芯片部分供電。

圖3 電源管理電路圖

2.2.2 傳輸通信模塊

無線傳輸通信模塊選用西門子的MC55模塊，其內嵌有TCP/IP協(xié)議，不僅降低了設計的難度，也提高了整個系統(tǒng)的性能，便于實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的遠程傳輸[4]。傳輸通信模塊使用標準的串口直接與STM32相連，如圖4所示。由于此模塊的接口邏輯電壓為2.65 V，不能直接與STM32的端口（工作電壓3.3 V）相連，必須使用轉換電路實現(xiàn)邏輯電平匹配，因此在兩器件間的各管腳之間都連接一個100 Ω的電阻。傳輸通信模塊的RINGO與STM32的RTS1相接, 以中斷方式將數(shù)據(jù)輸送到STM32控制器。

圖4 傳輸通信部分電路原理圖

2.3 功率驅動模塊設計

對水箱內的水加熱的控制采用調功型調溫系統(tǒng)。所謂調功型調溫就是在固定周期內，調節(jié)導通和關斷之比（占空比），并采用過零觸發(fā)雙向可控硅電路，實現(xiàn)對水溫的控制。在占空比為1時，輸出連續(xù)的正弦波；占空比為0時，不輸出正弦波。

由于用STM32F103控制器來控制水溫加熱模塊，因此調功型調溫的PWM信號由STM32F103的PB6輸出，具體的原理圖如圖5所示。

圖5 功率驅動電路原理圖

直接利用STM32F103的TIM4_CH1(PB6)輸出PWM信號，連接到帶過零檢測功能的光電耦合雙向可控硅驅動器MOC3041上，實現(xiàn)控制信號與強電的隔離。MOC3041的輸出觸發(fā)信號控制雙向晶閘管T1(BTA20)，實現(xiàn)了對水膽水溫的控制。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 水溫測量程序設計

圖6所示為水溫測量流程圖。水膽和混水管內水溫測量得到的溫度值均采用相同的數(shù)值處理方式，將模數(shù)轉換的數(shù)據(jù)進行處理，并作為水溫值。將處理過程設計成子程序，以便調用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。不用水時，不必對混水管內的水溫進行測量。其中在初始化轉換通道及啟動轉換開始后的采樣階段要滿足最小采樣時間t[5]。

3.2 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊

首先通過SPI總線將溫度采集處理模塊采集到的數(shù)據(jù)傳送到處理器，然后經由串口AT指令傳輸?shù)紾PRS模塊，最后發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡，這就需要在STM32平臺上構建操作系統(tǒng)。本文在移植Bootloader內核源碼包的基礎上,首先通過對內核作適當?shù)呐渲煤筒眉?，然后使用交叉編譯工具將文件編譯成內核鏡像文件, 最后通過Bootloader下載到設備上運行。同時,為了便于使用和進行應用程序的開發(fā)，還要組建文件系統(tǒng)。

GPRS模塊包括具有登錄GPRS網(wǎng)絡功能的芯片及相應的協(xié)助處理數(shù)字電路，通過通信協(xié)議與STM32控制器實現(xiàn)串行通信。傳輸過程中，把數(shù)據(jù)壓縮為數(shù)據(jù)包，通過Internet網(wǎng)絡接入的指定服務器，送到控制中心的控制主機。其中數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收均按照自定義的點到點傳輸通信協(xié)議，確保所傳數(shù)據(jù)的安全以及發(fā)送和接收的可靠。

圖6 溫度檢測流程圖

4 結論

隨著電子技術的飛速發(fā)展，社會發(fā)展步入了信息時代，隨著人們生活水平的提高，對生活質量的要求也不斷提高，這對電子領域提出了更高的要求。采用STM32F103作為控制核心，設計遠程控制的智能家用電熱水器，可以滿足低價格、高性能、尤其是智能化的要求。本系統(tǒng)實現(xiàn)了恒溫和水位的自動調節(jié)控制功能，通過遠程開啟和控制熱水器實施遠程監(jiān)控功能，從而更加方便地使用熱水，也可以遠程設定時間監(jiān)控，設定后不需要人工干預，同時實現(xiàn)了錯峰加熱，節(jié)約電能。在現(xiàn)有眾多的控制手段中，采用典型的嵌入式控制系統(tǒng)，相比現(xiàn)在市場上先進的電熱水器，更能夠滿足人們對現(xiàn)代化智能家居的使用要求。

[1] 明五一,沈娣麗,劉武發(fā). 基于ARM7 無線傳輸?shù)臒犭娕歼h程監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2010(3):61-64.

[2] 胡潤峰.NTC熱敏電阻溫度傳感器[J].傳感器世界，2001，7(7):26-29.

[3] 崔光照，陳富強，張海霞，等. 基于ARM9的無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關節(jié)點設計[J].電子技術應用，2008,34(11):115-118.

[4] SIEMENS.MC55/56 hardware interface description[Z]. 2006.

[5] 郁玉龍,趙寧,盧洪武.用AT89C51單片機設計智能家用電熱水器[J].電子制作,2007(10):33-35.