基于SMS短信的遠程燃氣壁掛爐溫度控制器設計

朱曉陽　焦景麗　張明柱

摘要：燃氣壁掛爐是一種分戶供暖式的供暖家居設備，可以滿足多居室供暖需求。隨著智能家居時代的到來，將壁掛爐進行智能化管理，實現(xiàn)遠程溫度控制成為一種趨勢。鑒此，文章闡述了遠程溫度控制流程，提出了以STM32F107為主控芯片，基于SMS短信的遠程控制方法，保證了對壁掛爐的遠程控制和溫度的實時監(jiān)測。該設計具有遠程操控、可靠性高、成本低、占用空間小等優(yōu)點，為家庭物聯(lián)網提供一種解決方案。

關鍵詞：燃氣壁掛爐；智能家居；溫度控制；SMS短信；遠程控制

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）22-0238-03

1概述

隨著人們生活品質的不斷提高和遠程控制設備的飛速發(fā)展，越來越多的家庭安裝了燃氣壁掛爐，它以天然氣、液化氣等燃氣作為燃料，利用采暖系統(tǒng)中的循環(huán)水在途經熱交換器時，經過往復加熱，不斷將熱量輸出給建筑物的方式，為室內提供供暖服務。傳統(tǒng)的壁掛爐控制器只具有顯示跟控制部分，只能通過按鍵或其他交互設備進行溫度調節(jié)，無法進行遠程操控，因此給人們的生活帶來了一些不便。SMS短信即Shoa Messaging Service，它是一種通過移動通信系統(tǒng)的信令信道和信令網，傳輸文字或數(shù)字短信息的業(yè)務。SMS短信有傳輸速度快、費用相對較低、穩(wěn)定性強、不易受干擾、接收及發(fā)送信息靈敏、耗電量低等優(yōu)點，具有廣闊的應用前景，用戶通過短信的收發(fā)完成對家用設備的監(jiān)控和智能控制。

2系統(tǒng)控制流程

遠程壁掛爐系統(tǒng)溫度控制流程圖如圖1所示。在待機狀態(tài)下，控制器不斷檢測是否有控制命令輸入。當接收到短信模塊的供暖指令后，立即向短信發(fā)送者發(fā)一條確認指令，然后開始工作。首先系統(tǒng)進行自檢，確認各傳感器及模塊工作正常后，循環(huán)水泵啟動，否則會進行短信報警。檢測到管道內有水流時，開始脈沖點火。若此時未檢測到水流，則立即短信報警，進入待機模式。點火后，打開比例閥，燃氣點燃后，控制器檢測是否有火焰信號，如有，控制器使電磁閥保持開啟，燃燒系統(tǒng)進行大火燃燒，達到供暖目的。若點火三次不成功時，停止點火并短信報警。當供暖溫度高于供暖設定溫度5度以上時，控制器關閉比例閥，燃燒系統(tǒng)停止燃燒，此時循環(huán)水泵繼續(xù)運轉，熱水溫度逐漸下降。當供暖溫度探測器所感應溫度低于供暖設定溫度5度以上時，控制器控制點火器打火，開啟比例閥，開始重新加熱，使溫度達到設定溫度。當溫度又高于設定值的上限時，控制器關閉比例閥，燃燒系統(tǒng)停止燃燒。室內溫度如此反復上升→下降→上升，始終保持在控制器設定的溫度范圍內。

3硬件設計

本文所設計的燃氣爐溫度控制系統(tǒng)主要由GSM通信模塊、微處理器模塊、傳感器模塊和SSR控制器、電源等5部分組成。微處理器是系統(tǒng)的中心硬件，與各個硬件模塊相連，負責傳感器數(shù)據的收集和處理。詳細的系統(tǒng)的基本結構圖如圖2所示。

3.1GSM通信模塊

短信通信模塊采用SIM900A模塊，SIM900A是一個2頻的GSM/GPRS模塊，工作頻段為：EGSM 900MHZ和DCS1800MHZ。采用省電技術設計，在SLEEP模式下最低耗流只有l(wèi)mA。它內嵌了TCP3P協(xié)議，擴展的TCP/IP命令讓用戶能夠很容易使用TCP/IP協(xié)議，這些在用戶做數(shù)據傳輸方面的應用時非常有用。該模塊的尺寸較小，既可以滿足產品對空間尺寸的要求，又能滿足對產品的通信需求。

3.2微處理器模塊

在本系統(tǒng)的設計中，采用STM32F107作為控制器的主控芯片。它是ST意法半導體公司生產的32位高性能、低成本和低功耗的增強型單片機，內核采用ARM公司最新生產的Codex-M3架構，最高工作頻率72MHz、256K的程序存儲空間，并且擁有豐富的片內資源，包括48K的RAM、8個定時器/計數(shù)器、2個看門狗和1個實時時鐘RTC，片上集成通信接口有兩個12C、3個SPI、5個USART、兩個和一個SDIO，并有3個ADC和一個DAC等。微處理器模塊滿足本設計的指令處理與通信需求。

3.3傳感器模塊

傳感器模塊包括水流傳感器、溫度傳感器等。水流傳感器利用霍爾水流量感應器，供電后，有水流通過水流轉子組件時，磁性轉子也隨著轉動，且轉速隨著流量變化而變化，霍爾元件輸出相應脈沖信號，反饋給控制器，由控制器通過讀取脈沖數(shù)來判斷水流量大小。溫度傳感器利用了K型熱電偶，熱電偶電路圖如圖3所示，配合MAX6675芯片，可以讀取水箱內的溫度，能夠讀取較大的溫度范圍，最大可達1000度以上。因此，也用來探測火焰溫度，控制比例閥的開閉。

3.4SSR控制器

SSR即固態(tài)繼電器，SSR控制器是通過繼電器驅動電路控制水泵及比例閥的電源開關。該控制電路相對比較簡單，主要利用繼電器來實現(xiàn)。水泵是通過三相電供電，工作電壓高，電路電流較大，單獨的中間繼電器額定的通過電流較小，需要外加中間繼電器和交流接觸器。通過繼電器控制中間繼電器，然后再利用中間繼電器來接通或斷開交流接觸器，從而實現(xiàn)水泵的工作控制。比例閥的工作電流較小，無需交流接觸器，只要通過繼電器控制中間繼電器來控制比例閥即可，繼電器控制框圖如圖4所示。

3.5電源模塊

設計中的電路電壓有兩路，一種是3.3V芯片供電，一種是5V的繼電器供電，電源芯片采用了開關型電源芯片LM2596，LM2596是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出高達3A的驅動電流，具有很好的線性和負載調節(jié)特性。圖5是輸入24V直流后，經過LM2596輸出5V電壓的電路。

4軟件設計

控制系統(tǒng)以STM32F107為核心構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，根據壁掛爐測量值與給定值的偏差信號及預定的控制策略進行運算，之后輸出控制信號給繼電器控制器，通過控制燃燒時間實現(xiàn)對壁掛爐的溫度控制。軟件設計主要包括：系統(tǒng)初始化、溫度讀取子程序、報警子程序、顯示模塊子程序、按鍵掃描子程序、控制算法子程序和短信交互子程序。軟件結構設計如圖6所示：

本設計采用串行異步通訊接口的連接方式來接收手機發(fā)來的短信或者發(fā)送短信到手機，SIM900A模塊支持AT指令操作，讀取、發(fā)送和刪除短信均采用AT指令。通過串行接口向模塊發(fā)送AT指令，完成對SIM900A模塊的初始化和基于GSM業(yè)務的數(shù)據收發(fā)功能。設置接收、發(fā)送的波特率為9600bit/s，設定短信格式為Text模式，使用printf（）函數(shù)發(fā)送命令，使用scanf0函數(shù)進行數(shù)據接收。STM32接收到手機發(fā)來的短消息，判定短消息的內容后，對指令進行相應的操作?？刂破鹘邮罩噶钊绫?所示。

當溫度控制器接收到手機終端發(fā)送的指令后，控制器會解析指令的含義，執(zhí)行立刻回復或有條件回復等指令，回復指令如表2所示。

5結論

本文對基于STM32的SMS短信遠程溫度控制器的軟、硬件設計進行了詳細的介紹。經過測試，本設計可以接收短信，并根據指令內容進行相應的操作；實現(xiàn)了手機隨時查詢、設置溫度、關閉系統(tǒng)等功能。通過遠程發(fā)送短信來操控制壁掛爐系統(tǒng)的啟停、改變設定溫度等操作，可以及時了解壁掛爐的運行情況，發(fā)現(xiàn)設備故障，能及時發(fā)現(xiàn)，然后進行相應的設備更換，增大了安全系數(shù)，避免了不必要的損失，實現(xiàn)了按需控制。通過遠程控制，可以使采曖更及時舒適，降低采暖成本，更節(jié)能環(huán)保。此外，該系統(tǒng)的設計方法，可以擴展應用到其他類似設備中，如遠程控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)等。