智能遠(yuǎn)程家用太陽(yáng)能熱水控制系統(tǒng)

唐永杰　涂曄　劉雅莉　和麗芳　周潤(rùn)　劉煉鑄

摘要：以 STM32F107為物聯(lián)網(wǎng)控制模組主控單元，基于機(jī)智云平臺(tái)，用物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)對(duì)家用太陽(yáng)能熱水器進(jìn)行改進(jìn)，用戶可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)完成對(duì)家中太陽(yáng)能熱水器的遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)檢測(cè)。該系統(tǒng)的控制芯片是 STM32F107，XB724中繼放大器Wi-Fi模塊為通信模塊，結(jié)合其它硬件電路與設(shè)計(jì)完成對(duì)太陽(yáng)能熱水器的遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠通過(guò)手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、加熱、上水、定時(shí)等功能。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);機(jī)智云平臺(tái);遠(yuǎn)程控制;太陽(yáng)能熱水器

引言

不管是夏日的酷暑難耐，還是冬日的寒冷刺骨，熱水器都是我們生活中不可或缺的一部分。熱水器是人類對(duì)于自然資源之一-太陽(yáng)能合理且機(jī)智的開(kāi)發(fā)和利用，非常符合當(dāng)下的綠色可持續(xù)發(fā)展理念。對(duì)熱水器的不斷改善創(chuàng)新，能大大提高我們的生活質(zhì)量。因此，我們對(duì)以往的熱水器進(jìn)行了改進(jìn)創(chuàng)新。通過(guò)利用物聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)、溫度傳感器原理、嵌入式單片機(jī)等將其提升為智能遠(yuǎn)程熱水器。這類熱水器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控?zé)崴鞯臏囟?、水量，隨時(shí)檢測(cè)熱水器是否存在問(wèn)題。上班族可以下班就能洗到熱水澡，不用再擔(dān)心水量不夠、水溫不合適等問(wèn)題，大大改善了我們的生活，提升了我們的生活品質(zhì)。

1? 整體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由主控制器 STM32F107芯片、溫度傳感器、控溫裝置、水位傳感器、上水控制裝置、Wi-Fi 通訊模塊、機(jī)智云服務(wù)平臺(tái)和手機(jī)終端組成。其中上水控制裝置包括繼電器和與其相連的電磁水閥。水位傳感器和溫度傳感器可以把從太陽(yáng)能水箱中采集到的信息傳送給主控制器，緊接著主控制器對(duì)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理與顯示。然后，通過(guò) Wi-Fi無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)傳送給基于機(jī)智云平臺(tái)開(kāi)發(fā)的手機(jī)APP界面來(lái)顯示，用戶可通過(guò)手機(jī)APP設(shè)定理想水溫和水位。系統(tǒng)還加入了定時(shí)功能，用戶也可以通過(guò)此功能選擇任意時(shí)間加熱和上水，方便快捷，具體如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化了傳感器的選取，同時(shí)與機(jī)智云平臺(tái)相結(jié)合，有針對(duì)性地解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的不足，使用戶能夠隨時(shí)隨地查看熱水器狀態(tài)且對(duì)熱水器進(jìn)行操控，滿足了用戶需求，節(jié)約了更多能源，改善了用戶體驗(yàn)。

2? 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1? 溫度傳感器模塊

本系統(tǒng)需要測(cè)量太陽(yáng)能熱水器中的水溫，范圍為0～100℃，經(jīng)過(guò)綜合對(duì)比，選擇DS18B20作為系統(tǒng)的溫度測(cè)量模塊。DS18B20溫度傳感器的溫度測(cè)量范圍為-55℃～+125℃，精度為±0.5℃。現(xiàn)場(chǎng)溫度的數(shù)字傳輸方式為“一線總線”，系統(tǒng)的抗干擾性能力得到了極大能力的提高。使用時(shí)需將DS18B20置于太陽(yáng)能水箱的底部，以保證當(dāng)太陽(yáng)能水箱內(nèi)水位過(guò)低時(shí)，也能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)水箱內(nèi)水的溫度。

2.2? 水位傳感器模塊

該系統(tǒng)為光電式水位傳感器。其可上置、下置、側(cè)置、斜向安裝，防水等級(jí)達(dá)到IP64，液位檢測(cè)精度高，可以控制±0.5mm。而且它體積小、壽命長(zhǎng)，安裝工藝簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性強(qiáng)，可靠性高。應(yīng)用環(huán)境廣，受液體中的腐蝕性、沉淀物、漂浮物等影響較低。且接觸液體面積小，更加容易清潔更衛(wèi)生。

2.3? 控溫模塊和上水模塊

本系統(tǒng)中的控溫模塊包含繼電器和加熱棒，上水控制模塊包含電器繼電器和電磁水閥。其中實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備控制的主要手段是繼電器，因此繼電器的有效控制是執(zhí)行器模塊安全穩(wěn)定運(yùn)行的保證。繼電器種類繁多，本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)對(duì)加熱棒和電磁水閥的功率進(jìn)行分析，選擇了HRS4H-S-DC12V型繼電器。圖2為該型號(hào)繼電器的驅(qū)動(dòng)電路圖，主控制器通過(guò)該電路完成對(duì)繼電器的控制，從而實(shí)現(xiàn)上水和加熱兩個(gè)控制動(dòng)作。

下面以上水動(dòng)作為例，闡述其工作過(guò)程。圖2中的SIGNAL-IN連接主控制器的某個(gè)I/O口，執(zhí)行器為電磁水閥。當(dāng)需要打開(kāi)上水開(kāi)關(guān)時(shí)，控制器使該I/O口輸出高電平信號(hào)，此時(shí)MC1413輸入引腳1腳為高電平，輸出引腳16腳為低電平，此時(shí)繼電器K3通電吸合，使得繼電器輸出側(cè)1A和1B導(dǎo)通，輸出回路中電磁水閥通電工作，系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)水箱上水，同時(shí)對(duì)應(yīng)的指示燈發(fā)光。當(dāng)上水到指定值時(shí)，控制器使PG14口輸出低電平，MC1413的16腳輸出為高電平，切斷電源，繼電器斷電釋放，電磁水閥停止工作，上水動(dòng)作結(jié)束。

加熱控制電路與上水控制電路相同，僅僅是執(zhí)行器由電磁水閥換成了電加熱棒。此外，使用到的繼電器驅(qū)動(dòng)電路原理圖也與上水控制相同，兩個(gè)繼電器都選擇了MC1413進(jìn)行控制，大大減小了后級(jí)電路對(duì)主控制器電路的干擾。如果要增強(qiáng)其驅(qū)動(dòng)能力，可以在這時(shí)放大電壓信號(hào)。

本方案選擇的電磁水閥是AC220V常閉銅電磁水閥，當(dāng)接入220V交流電時(shí)開(kāi)關(guān)開(kāi)啟，水流通過(guò)，斷電時(shí)開(kāi)關(guān)閉合，水流截止。選擇的加熱棒是AC220V整體防水加熱管，其具有經(jīng)久耐用、防腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，所選繼電器輸出側(cè)最高可承受2500W，該加熱棒正常工作時(shí)的功率為1000W，在繼電器可承受的功率范圍內(nèi)，滿足系統(tǒng)要求。

2.4? Wi-Fi無(wú)線通訊模塊設(shè)計(jì)

通信模塊主要采用的是ALIENTEK公司推出的AKT-ESP8266為核心模塊，該模塊為UART-Wi-Fi模塊。在STM32的串口初始化完成之后，模塊與主控芯片之間可以進(jìn)行串口通信。選用平臺(tái)為機(jī)智云平臺(tái)，機(jī)智云擁有大量的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，其所提供的GAgent通信協(xié)議能與模塊發(fā)生交互以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換[1-3]。平臺(tái)軟件兼容并支持ESP8266模塊，在對(duì)ESP8266完成初始化之后，工作時(shí)通過(guò)機(jī)智云的手機(jī)APP與ESP8266進(jìn)行云端的數(shù)據(jù)交換傳輸，從而完成對(duì)系統(tǒng)的控制。并且將其中的通信內(nèi)容存儲(chǔ)到云平臺(tái)的開(kāi)發(fā)者中心。

3? 智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的構(gòu)建

3.1? 物聯(lián)網(wǎng)的采用

關(guān)于智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，我們選擇采用當(dāng)下最新的物聯(lián)網(wǎng)。

我們?yōu)槭裁匆捎梦锫?lián)網(wǎng)呢？主要有以下原因：

高效的資源利用：如果了解每個(gè)設(shè)備的功能和工作方式，我們肯定會(huì)提高資源的有效利用率并監(jiān)控自然資源。

（2）最大限度的減少人力：當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相互交互并相互通信并完成大量任務(wù)時(shí)，它們可以最大限度的減少人力。

（3）充分利用時(shí)間：因?yàn)楣?jié)省了很多人力精力，所以提高了效率，節(jié)省了時(shí)間，而物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)節(jié)省的主要因素是時(shí)間。

（4）增強(qiáng)數(shù)據(jù)收集：建立網(wǎng)絡(luò)并且收集相關(guān)數(shù)據(jù)，提高安全性?，F(xiàn)在，如果系統(tǒng)能夠?qū)⑦@些內(nèi)容相互連接，那么就可以使系統(tǒng)更安全，更高效。

那么針對(duì)我們的熱水器，我們要實(shí)現(xiàn)整個(gè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)必須具備無(wú)線網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)通信器，自動(dòng)控制器，溫度傳感器，濕度傳感器，水位傳感器，嵌入式單片機(jī)等。無(wú)線網(wǎng)采用Zigbee無(wú)線通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信采用以太網(wǎng)+中繼器，使其覆蓋范圍更廣。

3.2? 手機(jī)APP的巧妙運(yùn)用

手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制智能系統(tǒng)技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和控制技術(shù)完美結(jié)合，是當(dāng)下的高科技技術(shù)發(fā)明之一。信息技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的高速發(fā)展。遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)主要分為兩大部分，即遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。遠(yuǎn)程控制是利用無(wú)線控制遠(yuǎn)端設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，而遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的意思是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程獲取被監(jiān)控對(duì)象的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息。一個(gè)完整的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)一般由三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控端系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控端系統(tǒng)和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。這三個(gè)子系統(tǒng)各司其職，共同完成對(duì)遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)控。

3.3? 智能遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)

利用遠(yuǎn)程控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能熱水器的智能控制，涉及到的技術(shù)如下：

（1）組網(wǎng)技術(shù)

在智能設(shè)備遠(yuǎn)程控制中，組網(wǎng)技術(shù)是至關(guān)重要的一個(gè)部分，此次以無(wú)線組網(wǎng)方式為核心，因?yàn)橥饨绛h(huán)境對(duì)無(wú)線組網(wǎng)方式的影響比較小，在各類場(chǎng)合都可以操作。通過(guò)無(wú)線接入點(diǎn)參加組網(wǎng)的模塊可以存在，各類關(guān)系能夠通過(guò)組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)定。

WiFi技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)在歷史長(zhǎng)河的發(fā)展中已經(jīng)較為穩(wěn)定。

（2）WiFi技術(shù)

WiFi技術(shù)傳輸速度較快，在通信技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，也是此次設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的核心技術(shù)，在室外最遠(yuǎn)可傳播300米。

（3）藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)中的近距離無(wú)線通信技術(shù)，是使用較為廣泛的一項(xiàng)技術(shù)，同時(shí)也屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)，此次設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在短距離內(nèi)可以使用該技術(shù)。

（4）傳感器終端技術(shù)

該系統(tǒng)主要使用的是溫度傳感器，位于系統(tǒng)的最前端，負(fù)責(zé)采集各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱水器水溫的調(diào)節(jié)控制。

（5）遠(yuǎn)程管理技術(shù)

遠(yuǎn)程管理技術(shù)通過(guò)嵌入式物聯(lián)網(wǎng)通信服務(wù)器，用戶可以登錄APP對(duì)熱水器進(jìn)行查看和管理。該技術(shù)主要為了在發(fā)射信號(hào)范圍內(nèi)對(duì)熱水器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

技術(shù)設(shè)計(jì)路線如圖3所示：

以上總技術(shù)設(shè)計(jì)路線圖可細(xì)化為如圖4所示的遠(yuǎn)程通信控制模塊與如圖5所示的數(shù)據(jù)采集調(diào)節(jié)分析模塊。

熱水器的DTU部分很重要，能否實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)調(diào)控主要靠它。DTU由兩個(gè)部分組成，一個(gè)是STM32F107單片機(jī)，另一個(gè)部分是GTM900C通信模塊，然后通過(guò)GSM/GPRS功能模塊與外圍交換信息，比如不僅可以將用戶的各類需求指令傳給單片機(jī)，指令到達(dá)單片機(jī)之后執(zhí)行加水、加熱等一系列操作實(shí)現(xiàn)用戶的需求，還可以把熱水器的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息傳給用戶。

4? 結(jié)束語(yǔ)

相對(duì)于目前商場(chǎng)上各種各樣的太陽(yáng)能熱水器控制設(shè)備，智能遠(yuǎn)程控制太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)整體成本較低，工作安全可靠，控制精度可以滿足家庭使用要求，軟件界面友好，操作簡(jiǎn)單易用。通過(guò)手機(jī)APP可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控、溫度設(shè)置以及參數(shù)調(diào)整等功能。該設(shè)備具有很好的發(fā)展前景，很多性能還有待挖掘及完善。

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作者簡(jiǎn)介：唐永杰（2000），女，漢族，云南昭通，本科，學(xué)生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)，自動(dòng)控制等。

基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：202011390013;云南省地方本科高校（部分）基礎(chǔ)研究聯(lián)合專項(xiàng)，項(xiàng)目編號(hào)：2019FH001（-111）;云南省地方本科高校（部分）基礎(chǔ)研究聯(lián)合專項(xiàng)，項(xiàng)目編號(hào)：2019FH001（-094）;云南省教育廳項(xiàng)目，項(xiàng)目編號(hào)：2020J0648。