基于nRF24L01的無線承壓式太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭燦彬 吳迪 羅嵐

【摘 要】文章基于nRF24L01無線射頻芯片設(shè)計(jì)了一款無線承壓式太陽能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)，包括系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)和顯示水泵工作狀態(tài)、電加熱等信息;具有傳感器短路（開路）報(bào)警、水泵卡滯報(bào)警、防凍功能、防高溫功能等多種安全防護(hù)，系統(tǒng)預(yù)留支持通過App實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠，遙控器操作簡(jiǎn)單、便捷。

【關(guān)鍵詞】承壓式;太陽能熱水器;控制系統(tǒng);遠(yuǎn)程控制

【中圖分類號(hào)】TD679 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）12-0019-03

0 引言

太陽能熱水器是將太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能的加熱裝置，將水從低溫加熱到高溫，以滿足人們?cè)谏?、生產(chǎn)中的熱水使用需求。目前，市面上的太陽能熱水器按照結(jié)構(gòu)劃分主要分為兩種：真空管式太陽能熱水器和平板式太陽能熱水器。目前，真空管式太陽能熱水器占據(jù)國(guó)內(nèi)95%的市場(chǎng)份額。承壓式太陽能熱水器屬于真空管式太陽能熱水器的一種，具有出水壓力大、升溫快、耐低溫性好、熱效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)不同地域得到廣泛使用。承壓式太陽能熱水器控制器種類繁多，產(chǎn)品通用性差，產(chǎn)品質(zhì)量參差不全，并且大多數(shù)為非無線普通控制器類型，不能滿足應(yīng)用場(chǎng)合多樣化的需要。因此，有必要按照項(xiàng)目合作企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的要求，結(jié)合企業(yè)的實(shí)際情況設(shè)計(jì)和開發(fā)一款無線式、通用型承壓式太陽能熱水器控制器（控制系統(tǒng)）;要求控制系統(tǒng)既能通過主控制操作面板控制系統(tǒng)工作，又能通過無線遙控器實(shí)施工作狀態(tài)控制，并且成本低廉、操作簡(jiǎn)單、工作安全可靠，具有較好的市場(chǎng)推廣前景[1-2]。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

無線承壓式太陽能控制系統(tǒng)由主控制器和無線遙控器組成，主控制器可以獨(dú)立控制系統(tǒng)完成太陽能熱水器的各種功能操作，一般固定安裝在浴室附近或方便用戶操作的位置;無線控制器可為用戶提供另外一種更加靈活的控制方式，方便用戶在客廳或房間實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能熱水器工作模式的設(shè)定。主控制器以PIC18Fxxx系列單片機(jī)為控制核心，控制系統(tǒng)硬件的電路全部采用模塊式設(shè)計(jì)，可極大地縮短開發(fā)周期，提高各功能模塊的重復(fù)利用率，也易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的系列化，主控制器主要包括電源管理模塊、LED屏顯示模塊、入水電磁閥控制繼電器模塊、水溫水位傳感器檢測(cè)電路模塊、增壓水泵繼電器模塊、鍵盤操作電路模塊、電加熱繼電器模塊、無線網(wǎng)絡(luò)接入功能模塊。其中，無線網(wǎng)絡(luò)功能使用Wi-Fi芯片ESP8266，接入無線網(wǎng)絡(luò)后，用戶就可以通過手機(jī)App實(shí)現(xiàn)對(duì)主控制系統(tǒng)工作狀態(tài)查詢、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)功能控制等操作。ESP8266芯片模組是面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的高性價(jià)比、高度集成的無線解決方案，具有性能穩(wěn)定、高集成度、低功耗、二次開放簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，是本控制系統(tǒng)理想的無線通信解決方案。無線接入模塊為本系統(tǒng)擴(kuò)展功能模塊，當(dāng)需要考慮控制系統(tǒng)開發(fā)成本時(shí)，可選擇不配置該模塊?？刂葡到y(tǒng)軟件編程部分全部采用模塊化、功能化的設(shè)計(jì)方法，將各個(gè)功能模塊單獨(dú)編寫成獨(dú)立子程序，通過調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)熱水器控制系統(tǒng)的各種功能。系統(tǒng)總體控制框架如圖1所示。

在實(shí)際家庭應(yīng)用中，用戶除通過主控制器的操作按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水器的控制外，在客廳或房間等場(chǎng)合，系統(tǒng)還配備了無線遙控器，同樣可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操控。圖1的無線射頻通信遙控器模塊中，遙控器通過無線射頻芯片nRF24L01實(shí)現(xiàn)與主控制器的通信，其控制功能與主控制功能一致。nRF24L01無線模塊采用2.4 G無線收發(fā)，內(nèi)置PCB天線設(shè)計(jì)，具有高性價(jià)比、高性能、低功耗、收發(fā)穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。在1 M的數(shù)據(jù)高速傳輸情況下，通信距離可達(dá)70 m左右，是本系統(tǒng)理想的射頻無線收發(fā)解決方案。表1為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)，主要包括電加熱功能設(shè)計(jì)參數(shù)、水泵工作模式設(shè)計(jì)參數(shù)、電磁閥功能設(shè)計(jì)參數(shù)，系統(tǒng)使用的溫度傳感器有集熱器溫度傳感器、水箱下部溫度傳感器、水箱上部溫度傳感器[3]。

主控制器用戶界面允許用戶設(shè)置水泵工作模式、電加熱工作模式、系統(tǒng)時(shí)間、電加熱定時(shí)時(shí)間、水泵手動(dòng)模式下啟動(dòng)和停止控制。電加熱模式有啟動(dòng)、定時(shí)、關(guān)閉、防凍4種工作模式。循環(huán)泵模式有啟動(dòng)、手動(dòng)2種運(yùn)行模式。溫度顯示能顯示當(dāng)前水箱上部的水溫。時(shí)間顯示能顯示當(dāng)前時(shí)間。在系統(tǒng)默認(rèn)設(shè)置中，電加熱模式設(shè)置為“啟動(dòng)”狀態(tài)，循環(huán)泵模式設(shè)置為“自動(dòng)”狀態(tài)，電加熱設(shè)置為“定時(shí)”模式。控制系統(tǒng)設(shè)置功能鍵、調(diào)節(jié)鍵和循環(huán)鍵3個(gè)按鍵。

2 無線控制功能設(shè)計(jì)

無線遙控器主控芯片采用Microchip公司的PIC16Fxx系列單片機(jī)，該系列單片機(jī)外圍接口有多種模式，工作穩(wěn)定性好，開發(fā)工具簡(jiǎn)單、易用。無線射頻通信采用nRF24L01模組，圖2是本控制系統(tǒng)自帶的無線遙控器用戶界面，分為5個(gè)區(qū)域顯示，上部區(qū)域顯示太陽能熱水器目前的工作狀態(tài)，包括是否處于防凍模式、循環(huán)水泵是否在運(yùn)行狀態(tài)、高溫保護(hù)是否啟動(dòng)、溫度傳感器是否異常、電加熱是否啟動(dòng);左邊區(qū)域顯示水箱水位狀態(tài)信息;中部區(qū)域顯示水箱上部溫度值和當(dāng)前時(shí)間;右邊區(qū)域顯示遙控器目前剩余電量值;下部區(qū)域顯示電加熱工作模式。遙控器設(shè)計(jì)了9個(gè)按鍵，分別是“啟動(dòng)鍵”“定時(shí)鍵”“關(guān)閉鍵”“定時(shí)設(shè)置鍵”“時(shí)間設(shè)置鍵”“上調(diào)鍵”“下調(diào)鍵”“確定鍵”和“取消鍵”。在運(yùn)行模式下，按下“啟動(dòng)鍵”后，系統(tǒng)進(jìn)入電加熱定時(shí)模式（只有在用戶已設(shè)置好的定時(shí)時(shí)間的對(duì)應(yīng)時(shí)刻，系統(tǒng)才會(huì)自動(dòng)查詢是否滿足需要電加熱的溫度條件，滿足時(shí)就會(huì)啟動(dòng)電加熱功能，否則不啟動(dòng)電加熱功能;在其他時(shí)段內(nèi)，不管系統(tǒng)是否滿足需要電加熱的溫度條件，系統(tǒng)也不會(huì)啟動(dòng)電加熱的功能，防凍功能除外）。在其他模式時(shí)該鍵無效。

承壓式太陽能熱水器控制系統(tǒng)包括普通型和無線型兩種，普通型不帶有無線射頻遙控功能的控制器，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)屬于無線型，帶有無線射頻遙控功能的控制器，同時(shí)比普通型控制器多了水壓檢測(cè)功能。無線型遙控器帶自學(xué)習(xí)功能，主要通過主控制器主板上的兩個(gè)撥碼開關(guān)JP2、JP3實(shí)現(xiàn)，當(dāng)JP2、JP3均為“OFF”時(shí)，主控制器處于自學(xué)習(xí)模式（遙控器必須處于該模式），在這個(gè)模式下，遙控器能與控制器重新學(xué)習(xí)，互相綁定收發(fā)地址。當(dāng)遙控器與控制器綁定后，在正常工作模式下遙控器就能控制控制器的設(shè)置及反饋控制器的狀態(tài)信息。無線控制系統(tǒng)工作模式見表2。

3 軟件流程設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)全部采用模式化設(shè)計(jì)方式完成，所有軟件子模塊都封裝成子程序，在圖3所示的主流程中調(diào)用，如系統(tǒng)故障顯示、處理處理子程序、電加熱工作模式子程序等。系統(tǒng)主控制器軟件設(shè)計(jì)主要包括以下軟件模塊：水溫、水位A/D檢測(cè)件模塊、循環(huán)水泵工作軟件模塊、電加熱功能軟件模塊、LED顯示驅(qū)動(dòng)軟件模塊、參數(shù)設(shè)置軟件模塊、按鍵掃描與處理軟件模塊、無線射頻通信軟件模塊等?？刂葡到y(tǒng)軟件功能模功函數(shù)列表見表3。此外，系統(tǒng)在軟件層面設(shè)置了多種安全保護(hù)功能，例如溫度傳感器短路功能、開路報(bào)警功能、水泵卡滯報(bào)警功能、防凍功能、防干燒保護(hù)功能、防高溫保護(hù)功能、壓力欠壓提示保護(hù)功能、遙控器自動(dòng)啟動(dòng)復(fù)座提示功能等。圖3為控制系統(tǒng)的程序工作主流程。圖4為控制系統(tǒng)電加熱工作模式流程[4]。

4 功能測(cè)試

在實(shí)際應(yīng)用中，控制系統(tǒng)可通過以下兩種方式進(jìn)行操作。一是通過主控制器的控制面板操作，控制面板通常安裝在用戶浴室或廚房等位置，通過有線方式與承壓式太陽能熱水器本體相連。二是用戶可通過手機(jī)端App進(jìn)行工作狀態(tài)查看、參數(shù)設(shè)置、控制操作[4]。

（1）通過主控制器面板操作。在工作模式下，接通電源，系統(tǒng)全屏顯示。2 s后，系統(tǒng)進(jìn)入運(yùn)行模式，顯示屏顯示當(dāng)前工作狀態(tài)，即電加熱模式、循環(huán)泵模式、水箱上部水溫、當(dāng)前時(shí)間。在工作模式下，若5 s沒有按鍵輸入，在任何設(shè)置模式下系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)返回運(yùn)行模式。在自學(xué)習(xí)模式下（撥碼開關(guān)設(shè)置為JP3=OFF，JP2=OFF），顯示“F1”。

功能鍵：執(zhí)行各設(shè)置項(xiàng)目之間的循環(huán)轉(zhuǎn)換;運(yùn)行狀態(tài)→電加熱工作模式設(shè)置→水泵工作模式設(shè)置→系統(tǒng)時(shí)間分鐘設(shè)置→系統(tǒng)時(shí)間小時(shí)設(shè)置→運(yùn)行狀態(tài);或者持續(xù)按下3 s后進(jìn)入電加熱定時(shí)時(shí)間設(shè)置，再持續(xù)按下3 s后退出電加熱定時(shí)時(shí)間設(shè)置。調(diào)節(jié)鍵：執(zhí)行各設(shè)置項(xiàng)目的參數(shù)調(diào)整，包括電加熱工作模式設(shè)置、水泵工作模式設(shè)置、系統(tǒng)時(shí)間設(shè)置、電加熱定時(shí)時(shí)間設(shè)置。循環(huán)鍵：在手動(dòng)模式下，控制水泵的啟動(dòng)或停止。

（2）通過手機(jī)App端遠(yuǎn)程控制。手機(jī)App端遠(yuǎn)程控制功能是系統(tǒng)的定制模塊，控制系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)接口專用模塊（ESP8266）接入無線局域網(wǎng)后，即可通過手機(jī)端App程序查看承壓式太陽能熱水器的工作狀態(tài)，設(shè)置電加熱溫度、設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)等遠(yuǎn)程控制功能。

5 結(jié)語

本研究完成了無線承壓式太陽能熱水器系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明：系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案符合預(yù)期要求，可滿足家庭使用要求，解決了市面上無線承壓式太陽能熱水器系統(tǒng)可選擇性少或通用性差等問題，但控制系統(tǒng)也存在不足，部分功能還在開發(fā)或測(cè)試中，例如無線網(wǎng)絡(luò)接入功能模塊還需進(jìn)一步完善和測(cè)試。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]蘇賜民，李春杏，曾君，等.太陽能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2019，27（12）：106-110.

[2]葉凡鵬.太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].輕工科技，2020，36（7）：103-104，106.

[3]黃旭東，鄭穎.基于單片機(jī)的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2020，47（4）：88，93.

[4]郭燦彬，羅嵐.通用型太陽能熱水器控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2021，57（7）：194-197.