智能远程家用太阳能热水控制系统

2021-12-03唐永杰涂晔刘雅莉和丽芳周润刘炼铸

科技信息·学术版 2021年31期

唐永杰　涂晔　刘雅莉　和丽芳　周润　刘炼铸

摘要：以 STM32F107为物联网控制模组主控单元，基于机智云平台，用物联網控制系统对家用太阳能热水器进行改进，用户可以通过互联网完成对家中太阳能热水器的远程控制和实时检测。该系统的控制芯片是 STM32F107，XB724中继放大器Wi-Fi模块为通信模块，结合其它硬件电路与设计完成对太阳能热水器的远程控制。实验证明该系统能够通过手机终端实现实时监控、加热、上水、定时等功能。

关键词：物联网技术;机智云平台;远程控制;太阳能热水器

引言

不管是夏日的酷暑难耐，还是冬日的寒冷刺骨，热水器都是我们生活中不可或缺的一部分。热水器是人类对于自然资源之一-太阳能合理且机智的开发和利用，非常符合当下的绿色可持续发展理念。对热水器的不断改善创新，能大大提高我们的生活质量。因此，我们对以往的热水器进行了改进创新。通过利用物联网的通信技术、温度传感器原理、嵌入式单片机等将其提升为智能远程热水器。这类热水器可以实现远程监控热水器的温度、水量，随时检测热水器是否存在问题。上班族可以下班就能洗到热水澡，不用再担心水量不够、水温不合适等问题，大大改善了我们的生活，提升了我们的生活品质。

1 整体方案设计

本系统由主控制器 STM32F107芯片、温度传感器、控温装置、水位传感器、上水控制装置、Wi-Fi 通讯模块、机智云服务平台和手机终端组成。其中上水控制装置包括继电器和与其相连的电磁水阀。水位传感器和温度传感器可以把从太阳能水箱中采集到的信息传送给主控制器，紧接着主控制器对传送过来的数据进行分析处理与显示。然后，通过 Wi-Fi无线通信模块将数据传送给基于机智云平台开发的手机APP界面来显示，用户可通过手机APP设定理想水温和水位。系统还加入了定时功能，用户也可以通过此功能选择任意时间加热和上水，方便快捷，具体如图1所示。整个系统优化了传感器的选取，同时与机智云平台相结合，有针对性地解决了传统控制系统中的不足，使用户能够随时随地查看热水器状态且对热水器进行操控，满足了用户需求，节约了更多能源，改善了用户体验。

2 系统的硬件设计

2.1 温度传感器模块

本系统需要测量太阳能热水器中的水温，范围为0～100℃，经过综合对比，选择DS18B20作为系统的温度测量模块。DS18B20温度传感器的温度测量范围为-55℃～+125℃，精度为±0.5℃。现场温度的数字传输方式为“一线总线”，系统的抗干扰性能力得到了极大能力的提高。使用时需将DS18B20置于太阳能水箱的底部，以保证当太阳能水箱内水位过低时，也能够实时检测水箱内水的温度。

2.2 水位传感器模块

该系统为光电式水位传感器。其可上置、下置、侧置、斜向安装，防水等级达到IP64，液位检测精度高，可以控制±0.5mm。而且它体积小、寿命长，安装工艺简单，稳定性强，可靠性高。应用环境广，受液体中的腐蚀性、沉淀物、漂浮物等影响较低。且接触液体面积小，更加容易清洁更卫生。

2.3 控温模块和上水模块

本系统中的控温模块包含继电器和加热棒，上水控制模块包含电器继电器和电磁水阀。其中实现外部设备控制的主要手段是继电器，因此继电器的有效控制是执行器模块安全稳定运行的保证。继电器种类繁多，本系统经过对加热棒和电磁水阀的功率进行分析，选择了HRS4H-S-DC12V型继电器。图2为该型号继电器的驱动电路图，主控制器通过该电路完成对继电器的控制，从而实现上水和加热两个控制动作。

下面以上水动作为例，阐述其工作过程。图2中的SIGNAL-IN连接主控制器的某个I/O口，执行器为电磁水阀。当需要打开上水开关时，控制器使该I/O口输出高电平信号，此时MC1413输入引脚1脚为高电平，输出引脚16脚为低电平，此时继电器K3通电吸合，使得继电器输出侧1A和1B导通，输出回路中电磁水阀通电工作，系统开始对水箱上水，同时对应的指示灯发光。当上水到指定值时，控制器使PG14口输出低电平，MC1413的16脚输出为高电平，切断电源，继电器断电释放，电磁水阀停止工作，上水动作结束。

加热控制电路与上水控制电路相同，仅仅是执行器由电磁水阀换成了电加热棒。此外，使用到的继电器驱动电路原理图也与上水控制相同，两个继电器都选择了MC1413进行控制，大大减小了后级电路对主控制器电路的干扰。如果要增强其驱动能力，可以在这时放大电压信号。

本方案选择的电磁水阀是AC220V常闭铜电磁水阀，当接入220V交流电时开关开启，水流通过，断电时开关闭合，水流截止。选择的加热棒是AC220V整体防水加热管，其具有经久耐用、防腐蚀等优点，所选继电器输出侧最高可承受2500W，该加热棒正常工作时的功率为1000W，在继电器可承受的功率范围内，满足系统要求。

2.4 Wi-Fi无线通讯模块设计

通信模块主要采用的是ALIENTEK公司推出的AKT-ESP8266为核心模块，该模块为UART-Wi-Fi模块。在STM32的串口初始化完成之后，模块与主控芯片之间可以进行串口通信。选用平台为机智云平台，机智云拥有大量的开发经验和技术积累，其所提供的GAgent通信协议能与模块发生交互以进行数据交换[1-3]。平台软件兼容并支持ESP8266模块，在对ESP8266完成初始化之后，工作时通过机智云的手机APP与ESP8266进行云端的数据交换传输，从而完成对系统的控制。并且将其中的通信内容存储到云平台的开发者中心。

3 智能远程控制系统的构建

3.1 物联网的采用

关于智能远程控制系统，我们选择采用当下最新的物联网。

我们为什么要采用物联网呢？主要有以下原因：

高效的资源利用：如果了解每个设备的功能和工作方式，我们肯定会提高资源的有效利用率并监控自然资源。

（2）最大限度的减少人力：当物联网设备相互交互并相互通信并完成大量任务时，它们可以最大限度的减少人力。

（3）充分利用时间：因为节省了很多人力精力，所以提高了效率，节省了时间，而物联网平台节省的主要因素是时间。

（4）增强数据收集：建立网络并且收集相关数据，提高安全性。现在，如果系统能够将这些内容相互连接，那么就可以使系统更安全，更高效。

那么针对我们的热水器，我们要实现整个远程控制系统必须具备无线网，网络通信器，自动控制器，温度传感器，湿度传感器，水位传感器，嵌入式单片机等。无线网采用Zigbee无线通信技术，网络通信采用以太网+中继器，使其覆盖范围更广。

3.2 手机APP的巧妙运用

手机APP远程控制智能系统技术将网络通信技术和控制技术完美结合，是当下的高科技技术发明之一。信息技术的发展促进了远程监控技术的高速发展。远程监控技术主要分为两大部分，即远程控制和远程监测。远程控制是利用无线控制远端设备的运行状态，而远程监测的意思是通过网络可以实现远程获取被监控对象的各项数据信息。一个完整的远程监控系统一般由三个子系统构成，现场监控端系统、远程监控端系统和远距离数据传输系统。这三个子系统各司其职，共同完成对远程设备的监控。

3.3 智能远程控制的实现

利用远程控制技术实现对太阳能热水器的智能控制，涉及到的技术如下：

（1）组网技术

在智能设备远程控制中，组网技术是至关重要的一个部分，此次以无线组网方式为核心，因为外界环境对无线组网方式的影响比较小，在各类场合都可以操作。通过无线接入点参加组网的模块可以存在，各类关系能够通过组网结构进行规定。

WiFi技术和蓝牙技术在历史长河的发展中已经较为稳定。

（2）WiFi技術

WiFi技术传输速度较快，在通信技术领域应用最为广泛，也是此次设计的太阳能远程控制系统的核心技术，在室外最远可传播300米。

（3）蓝牙技术

蓝牙是物联网应用服务中的近距离无线通信技术，是使用较为广泛的一项技术，同时也属于点对点技术，此次设计的太阳能远程控制系统在短距离内可以使用该技术。

（4）传感器终端技术

该系统主要使用的是温度传感器，位于系统的最前端，负责采集各类数据，实现对热水器水温的调节控制。

（5）远程管理技术

远程管理技术通过嵌入式物联网通信服务器，用户可以登录APP对热水器进行查看和管理。该技术主要为了在发射信号范围内对热水器进行远程控制。

技术设计路线如图3所示：

以上总技术设计路线图可细化为如图4所示的远程通信控制模块与如图5所示的数据采集调节分析模块。

热水器的DTU部分很重要，能否实现物联网调控主要靠它。DTU由两个部分组成，一个是STM32F107单片机，另一个部分是GTM900C通信模块，然后通过GSM/GPRS功能模块与外围交换信息，比如不仅可以将用户的各类需求指令传给单片机，指令到达单片机之后执行加水、加热等一系列操作实现用户的需求，还可以把热水器的实时状态信息传给用户。

4 结束语

相对于目前商场上各种各样的太阳能热水器控制设备，智能远程控制太阳能热水器控制系统整体成本较低，工作安全可靠，控制精度可以满足家庭使用要求，软件界面友好，操作简单易用。通过手机APP可实现远程状态监控、温度设置以及参数调整等功能。该设备具有很好的发展前景，很多性能还有待挖掘及完善。

参考文献：

[1]马天月.基于芯片ESP8266Wi-Fi芯片的物联网模块的设计与实现[D].上海：上海交通大学，2017

[2]仲会娟.基于FPGA的太阳能热水器全功能控制器的研究[D].天津：河北工业大学，2012

[3]陶虎.基于GPRS的太阳能智能热水系统的研究[D].南宁：广西大学，2013

[4]陈国嘉.智能家居[M].：人民邮电出版社，2016，05.

[5]孙浩文.网络环境下太阳能热水器远程智能控制系统设计研究[D].陕西：陕西国防工业职业技术学院，2018

[6]池晓宝.基于安卓的智能家居远程控制系统[D].南京：南京师范大学，2017

[7]王海姚.远程监视与智能控制系统设计[D].大连：大连交通大学，2019

[8]杨雄义.智能家居控制系统设计及热水器智能控制实现[D].西安：西安科技大学，2017

[9]李楠鑫，宁媛.基于机智云平台的智能电饭煲设计.2019