物联网家用太阳能热水控制系统的设计

周伯俊+姜平

摘 要： 家用太阳能热水器已成为中国可再生能源市场上需求量最大、发展最为迅速的产品之一。目前市场上的太阳能热水器控制系统大多是传统的仪表控制，这种传统的仪表操作模式与现代信息技术不相适应。运用物联网技术，对原有的家用太阳能热水控制仪表进行升级，设计一套具有远程网页控制和手机短信控制功能的新型家用太阳能热水控制系统。测试证明该系统安全稳定、可靠性高、实时性好，具有很好的市场前景。

关键词： 物联网技术； 太阳能热水器； 远程控制； 短信控制

中图分类号： TN915?34； TP277 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）22?0073?02

物联网作为信息网络未来的趋势和发展的一部分，已经开始重塑世界格局和社会生活方式。在物联网发展的初期，与人频繁互动的就是家居系统。智能家居系统已经成为物联网发展初期最重要、最直接、最广泛的应用[1]。目前，智能家居已经进入黄金时代，用户更希望使用的产品智能化，操作简单方便。对于太阳能热水系统，用户能够通过手机、电脑等上网设备，实时查询家用热水器的水箱水温、水箱水位等情况，并能实现热水系统智能上水，报警等。当用户使用热水时，能立即提供合适温度的热水[2?5]。这样的热水系统将是未来太阳能热水系统的风标，是人类进入智能化时代的应用产品。

1 系统结构

目前一些家用太阳能热水器虽然能通过仪表控制加热上水，但不能实现远距离联网控制[6]。本文提出的设计方案，实际上是在物联网框架下典型的M2M应用，M2M的应用范围很广泛，M既可以是机器（Machine），也可以是人（Man），又可以涉及到自然事物（水温、水位、空气质量等）。M2M技术的目标就是使所有机器设备都具备联网和通信能力，其核心理念就是网络一切[7]。

物联网家用太阳能热水控制系统由太阳能热水器、智能控制仪表、物联网服务器及网页发布等组成。如图1所示，远程终端控制模块和数据传输模块构成了家用太阳能热水器的现场终端控制器。终端控制器通过Internet与远程监控系统相连，远程监控系统通过Internet向外发布监控网页。此外家用终端控制系统还可以通过GSM与用户手机通信。用户像给亲友发送短信一样，一条短信，便能轻松对热水器进行上水、加热等控制操作。用户还可以通过电脑上网，登录服务器网站对热水器进行同样的控制[8]。

2 系统设计

2.1 智能控制仪表的设计

家用太阳能热水器智能控制仪表是在原控制仪表中嵌入物联网通信模块，其中硬件部分主要是由远程终端模块RTU（Remote Terminal Unit）以及数据传输模块DTU（Data Transfer Unit）组成，其结构如图2所示。

DTU是热水器实现物联网控制的关键，由STM32F107单片机与GTM900C通信模块组成，通过GSM/GPRS网络实现与外围通信。不仅可以把热水器的状态信息传给用户，还可以把用户的控制指令传给仪表单片机执行加热、上水等操作。

2.2 网页控制子系统的设计

2.2.1 网页控制系统结构

根据远程监控网络的任务要求以及对控制网络远程监控模式的过程分析，对物联网家用太阳能热水控制系统采用Web技术的B/S结构。如图3所示，整个系统物联网结构主要被划分为3层：应用层、网络层和感知层。

图3 网页监控系统结构

2.2.2 网络通信

多个家用太阳能热水器DTU终端与远程服务器之间的通信属于C/S模式，DTU终端相当于Client，远程服务器就是Server，它们是通过套接字进行通信的[9]。本文通过对VB中Winsock控件编程，很好地实现了服务器和客户端之间的数据交换。当DTU中的SIM卡联网成功后，就根据表1定时上传热水器的状态信息给服务器。服务器可以按照表2格式向DTU发送控制命令。

考虑到GPRS流量的限制和网络拥塞等问题，本课题把GPRS数据传输分为两种模式，即热线模式和非热线模式。所谓热线就是DTU每5 s向服务器发一次数据，非热线模式就是DTU每20 s向服务器发一次数据。为了防止DTU长时间不通信与服务器掉线，DTU每隔40 s向服务器发送一次心跳数据包，心跳数据为DTU的出厂设备编号。每台智能控制仪表都被标贴了惟一的出厂设备编号，方便区分[10]。

2.2.3 网页界面设计

本文选用Dreamweaver作为网页开发软件，采用Ajax技术实时刷新网页数据。为了方便让用户能够在互联网客户端对自家的太阳能热水器进行监控，设计了物联网太阳能远程监控系统登录界面、太阳能热水器工作界面、用户信息修改界面等。其主界面如图4所示。

3 结 语

本文将先进的物联网技术应用于家用太阳能热水控制系统中，充分利用现代化的智能工具（手机、电脑等联网设备），实现对家用太阳能热水器的智能化控制，不仅改变家用太阳能热水器的控制方式，给家用太阳能热水器行业注入了新的活力，而且为物联网技术在智能家居行业的应用起到了示范作用。

注：本文通信作者为姜平。

参考文献

[1] 张永刚，王斌.物联网技术在智能家居中的应用[J].智能建筑与城市信息，2012（2）：27?30.

[2] 李霞，银宇楠.太阳能仪表产品需求调研分析[J].艺术品鉴，2015（1）：331?332.

[3] 艾浩军，单志广，张定安，等.物联网技术与产业发展[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[4] 王运启.太阳能市场在曲折中前进[N].中国建设报，2013?02?18（007）.

[5] 刘国钰.太阳能热水器的检测控制系统的设计[J].科技致富向导，2012（35）：144?145.

[6] 赖晓勇，姜周曙，黄国辉，等.多模式多策略太阳能热水控制器的设计[J].现代电子技术，2014，37（24）：150?153.

[7] 高同，朱佳佳，罗圣美，等.M2M功能架构与安全研究[J].计算机技术与发展，2012（1）：250?253.

[8] 巩权庆，姜平，宋燕平，等.基于GPRS/SMS的温度监控终端系统设计[J].仪表技术与传感器，2012（8）：93?96.

[9] 姜菊媛，周丽丽.关于WINSOCK网络编程的分析和应用[J].科技信息，2013（4）：309?310.

[10] 陈瑞祥，姜平，王亚芳，等.基于GSM/GPRS的家用太阳能热水器远程监控系统设计[J].南通大学学报，2013，12（3）：34?38.