物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的熱水管家系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計

吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 熊宇鵬 方如意 劉操權(quán)

為改善酒店熱水供應(yīng)系統(tǒng)中大多存在的無法自動調(diào)節(jié)水溫，無法對熱水裝置進行統(tǒng)一管理，導(dǎo)致用戶在使用熱水時體驗不佳和造成熱能浪費的問題，本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的熱水管家系統(tǒng)，熱水管家系統(tǒng)由下位機控制終端和上位機云端管理系統(tǒng)組成。下位機以國產(chǎn)微控制器STC單片機作為控制核心，結(jié)合溫度傳感器和繼電器等受控裝置組成；上位機部署在阿里云服務(wù)器，通過ESP8266無線通信模塊收發(fā)相關(guān)指令給下位機，可以批量或特定的控制繼電器的開關(guān)，實現(xiàn)對熱泵等設(shè)備工作狀態(tài)的控制，實現(xiàn)遠程監(jiān)測和系統(tǒng)管理。系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，實時監(jiān)測環(huán)境溫度并能自動調(diào)節(jié)水溫，具有很好的人工智能特性和人機交互功能，減少生產(chǎn)生活中不必要的熱水能源浪費，可應(yīng)用于生活中對熱水使用有剛性需求的領(lǐng)域，同時對熱水裝置能做到最大的保護，為熱水節(jié)能提供實戰(zhàn)經(jīng)驗和理論依據(jù)。

熱水能耗是我國能源消耗的重要組成部分。隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，熱水能耗量不斷增高。綠水青山就是金山銀山”，建設(shè)節(jié)約型社會，需要從理念上和技術(shù)上同步進行。近年來，在物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)發(fā)展的背景下，市場上涌現(xiàn)了很多基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的熱水系統(tǒng)產(chǎn)品，這些產(chǎn)品將熱水管理與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合起來使熱水裝置方便控制。但是他們更多的體現(xiàn)在“功能服務(wù)型”上面，即提供基礎(chǔ)的功能服務(wù)，包括控制系統(tǒng)加熱、注水、溫度監(jiān)測等，這些操作都只是有單一功能的體現(xiàn)，鮮有把系統(tǒng)設(shè)計理念立足于“能源節(jié)約型”的產(chǎn)品即把所有功能有效的融合在一起，互相聯(lián)系，形成一個有機的整體。本文通過搭建下位機模型，與上位機進行聯(lián)網(wǎng)協(xié)同操作結(jié)合大數(shù)據(jù)、AI算法，開發(fā)出基于物聯(lián)網(wǎng)的熱水管家系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

熱水管家系統(tǒng)是由下位機和上位機兩部分組成。下位機即硬件部分主要作用是通過硬件端口設(shè)計的各路傳感器接口采集需要的數(shù)據(jù)信號上傳給云端；上位機即軟件部分，部署在阿里云服務(wù)器上面，實現(xiàn)遠程監(jiān)測和系統(tǒng)管理。管理員和用戶根據(jù)下位機采集的信號在上位機顯示的結(jié)果，給下位機下達指令，繼電器等受控模塊會做出對應(yīng)的改變，在下位機上的傳感器采集到的數(shù)據(jù)也會因此而改變，這樣整個系統(tǒng)形成一個閉環(huán)反饋控制。熱水管家系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 熱水管家系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

圖2 溫度傳感器電路設(shè)計原理圖

圖3 水箱水位高低監(jiān)測電路原理圖

2 熱水管家下位機設(shè)計

2.1 箱溫、回溫、環(huán)境溫度檢測電路設(shè)計

PT100器件制作方便，使用簡單，而且容易替換；PT100溫度傳感器是一種將溫度變量轉(zhuǎn)換為可傳送的標(biāo)準(zhǔn)化輸出信號的儀表。主要用于工業(yè)過程溫度參數(shù)的測量和控制。帶傳感器的變送器通常由兩部分組成：傳感器和信號轉(zhuǎn)換器。傳感器主要是熱電偶或熱電阻；信號轉(zhuǎn)換器主要由測量單元、信號處理和轉(zhuǎn)換單元組成。PT100成本可控，測試電路簡單。適用于批量生產(chǎn)的溫度檢測裝置中，溫度傳感器電路設(shè)計原理圖如圖2所示。

2.2 水箱水位高低檢測電路設(shè)計

水箱水位的高低檢測由三根漆包線組成，分別在不同高度撥開氧化銅層使其可以導(dǎo)電。其工作原理如下：漆包線一端接ADC采集口一端接負極，置于水中，當(dāng)水位漫過剝開的氧化層時會導(dǎo)電，由于水位不同的高度，其水缸中的阻值也不同，故采集的ADC值也會不同，不同的ADC值反饋給單片機，從而判斷出水位的高低。水位的高度根據(jù)ADC值可以得出，大于此值時水位低于傳感器的位置，小于此值時水位高于傳感器的位置，特別注意水箱要良好接地，以免讀數(shù)出錯。其原理圖設(shè)計如圖3所示。

2.3 被控設(shè)備（繼電器）的介紹

繼電器作為被控設(shè)備，主要用于設(shè)備的進水、出水、升溫、恒溫等操作。采用ULN2803LW驅(qū)動芯片。ULN2803是八重達林頓晶體管陣列，反相輸出，輸入電壓值為ttl或5v的cmos值，輸出可達500ma/50v，可用于驅(qū)動大電流負載，可直接驅(qū)動繼電器。繼電器分為常斷和常開兩種狀態(tài)，分別對應(yīng)未工作和工作量中狀態(tài)?？刂评^電器的程序有自動上水控制程序、管道防凍自動加壓控制程序、一級，二級輔熱控制程序、自動恒溫控制程序、回水控制程序。其工作原理圖如圖4所示。

圖4 繼電器控制電路原理圖

3 熱水管家上位機設(shè)計

熱水管家系統(tǒng)上位機是基于B/S框架的軟件部署在阿里云服務(wù)器，主要是對下位機數(shù)上傳的傳感器數(shù)據(jù)進行存儲和監(jiān)測，便于客戶使用瀏覽器觀察運行時的數(shù)據(jù)，以及設(shè)備運行狀況和故障信息的實時監(jiān)控。整個云管理系統(tǒng)分為登錄模塊，設(shè)備列表顯示模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊，閾值修改模塊，數(shù)據(jù)庫存儲模塊?？紤]到下位機僅僅是傳輸各種傳感器的值，數(shù)據(jù)的安全等級不需要和資金數(shù)據(jù)那么高安全性和高可靠性，為了避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜性，下位機上傳的數(shù)據(jù)和本系統(tǒng)下發(fā)給下位機的數(shù)據(jù)包都采用UDP協(xié)議傳輸，當(dāng)然傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包自帶安全性和可靠性的檢驗。用戶登錄本系統(tǒng)使用TCP/IP協(xié)議；下位機上傳的數(shù)據(jù)首先按自定義通信協(xié)議做數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)解析，供顯示模塊使用，然后將顯示界面的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中。設(shè)備顯示模塊的數(shù)據(jù)是從數(shù)據(jù)庫中提取并顯示的；用戶名和密碼是預(yù)先存儲在數(shù)據(jù)庫中的。整體設(shè)計框圖如圖5所示。

圖5 熱水管家上位機系統(tǒng)整體設(shè)計框圖

4 結(jié)果測試

4.1 登陸界面

在進行測試之前首先將下位機進行聯(lián)網(wǎng)，使下位機可以將采集的數(shù)據(jù)上傳到到云端，登陸網(wǎng)址進入登陸管理模塊，需要輸入用戶帳戶和密碼，分為用戶帳戶和管理員帳戶，用戶帳戶屬于公司，管理員帳戶屬于區(qū)域服務(wù)商，可以管理其轄區(qū)的所有客戶。從數(shù)據(jù)庫采集數(shù)據(jù)驗證賬戶是否存在，根據(jù)每個用戶去查詢設(shè)備。登陸界面如圖6所示。

4.2 設(shè)備列表顯示界面

設(shè)備列表顯示模塊，可以實現(xiàn)增刪改查的操作，可以查看每一個設(shè)備的數(shù)據(jù)即添加設(shè)備、修改設(shè)備、刪除設(shè)備和配置設(shè)備的控制邏輯關(guān)系。設(shè)備列表顯示界面如圖7所示。

4.3 實時數(shù)據(jù)監(jiān)控

開啟服務(wù)器，從下位機采集數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，然后將數(shù)據(jù)顯示到網(wǎng)頁上面。根據(jù)下位機提供數(shù)據(jù)交互的協(xié)議，根據(jù)協(xié)議編寫程序解析數(shù)據(jù)，將解析后的數(shù)據(jù)顯示到網(wǎng)頁上，便于客戶觀察數(shù)據(jù)。實時數(shù)據(jù)界面如圖8所示。

圖6 登陸管理界面

圖7 設(shè)備列表顯示界面

圖8 實時數(shù)據(jù)界面

圖9 閾值修改模塊

4.4 閾值修改模塊

首先將在最新數(shù)據(jù)實時的顯示到數(shù)據(jù)修改界面，客戶可以直接對網(wǎng)頁數(shù)據(jù)就行修改，服務(wù)器實時向客戶端發(fā)送修改后數(shù)據(jù)，已達到對數(shù)據(jù)修改。閾值修改模塊如圖9所示。

5 系統(tǒng)的維護與參數(shù)介紹

系統(tǒng)上位機的維護可以通過手機APP、服務(wù)器平臺的升級更新實現(xiàn)，系統(tǒng)升級可對不同版本操作界面做出修改與完善。系統(tǒng)下位機即設(shè)備終端的維護可以根據(jù)安裝在設(shè)備上的傳感器傳給上位機的數(shù)據(jù)進行分析判斷，下達相應(yīng)的指令，如果是硬件問題則需要安排維護人員到現(xiàn)場進行維護升級。在進行硬件設(shè)計時下位機預(yù)留了一定數(shù)量的芯片端口，硬件升級的時候可以根據(jù)工作場所的變化加入對應(yīng)的功能，如煙霧報警模塊、水垢監(jiān)測模塊等。

系統(tǒng)參數(shù)分為一級參數(shù)、二級參數(shù)、三級參數(shù)。一級參數(shù)是管理員設(shè)定的水箱水位上限、下限、水箱溫度上限、下限。二級參數(shù)是終端設(shè)備當(dāng)?shù)氐貐^(qū)的冬天水箱溫度、夏天水箱溫度、冬天管道溫度、夏天管道溫度、回水時間。三級參數(shù)是設(shè)備工作時間，故障信息，以及實時的溫度，時間動態(tài)信息。

6 總結(jié)與展望

該熱水管家系統(tǒng)采用上位機與下位機相結(jié)合的方式實現(xiàn)了對熱水供應(yīng)系統(tǒng)的統(tǒng)一管理、實時監(jiān)測并自動調(diào)節(jié)水溫的功能。上位機部署在阿里云服務(wù)器上安全可靠，云端管理人員和用戶都可查看數(shù)據(jù)，修改數(shù)據(jù)，增加了用戶的使用權(quán)限，使熱水管理流程簡單化，高效化；下位機部分內(nèi)置溫度傳感器感應(yīng)探頭，監(jiān)測實時溫度；通過繼電器開關(guān)進行調(diào)節(jié)水溫，供水等操作，設(shè)計簡約，使用壽命長。從后續(xù)開發(fā)角度來看，該產(chǎn)品還有很大的開發(fā)升級空間，如設(shè)備可以根據(jù)北斗定位實現(xiàn)對同一緯度的設(shè)備做統(tǒng)一的推薦調(diào)整，以及利用大數(shù)據(jù)分析，結(jié)合AI算法，來“擬合”每位用戶的用水習(xí)慣，推薦最佳的用水方案同時可以為能源部門提供數(shù)據(jù)支持。