物聯網家用太陽能熱水控制系統的設計

周伯俊+姜平

摘 要： 家用太陽能熱水器已成為中國可再生能源市場上需求量最大、發展最為迅速的產品之一。目前市場上的太陽能熱水器控制系統大多是傳統的儀表控制，這種傳統的儀表操作模式與現代信息技術不相適應。運用物聯網技術，對原有的家用太陽能熱水控制儀表進行升級，設計一套具有遠程網頁控制和手機短信控制功能的新型家用太陽能熱水控制系統。測試證明該系統安全穩定、可靠性高、實時性好，具有很好的市場前景。

關鍵詞： 物聯網技術； 太陽能熱水器； 遠程控制； 短信控制

中圖分類號： TN915?34； TP277 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）22?0073?02

物聯網作為信息網絡未來的趨勢和發展的一部分，已經開始重塑世界格局和社會生活方式。在物聯網發展的初期，與人頻繁互動的就是家居系統。智能家居系統已經成為物聯網發展初期最重要、最直接、最廣泛的應用[1]。目前，智能家居已經進入黃金時代，用戶更希望使用的產品智能化，操作簡單方便。對于太陽能熱水系統，用戶能夠通過手機、電腦等上網設備，實時查詢家用熱水器的水箱水溫、水箱水位等情況，并能實現熱水系統智能上水，報警等。當用戶使用熱水時，能立即提供合適溫度的熱水[2?5]。這樣的熱水系統將是未來太陽能熱水系統的風標，是人類進入智能化時代的應用產品。

1 系統結構

目前一些家用太陽能熱水器雖然能通過儀表控制加熱上水，但不能實現遠距離聯網控制[6]。本文提出的設計方案，實際上是在物聯網框架下典型的M2M應用，M2M的應用范圍很廣泛，M既可以是機器（Machine），也可以是人（Man），又可以涉及到自然事物（水溫、水位、空氣質量等）。M2M技術的目標就是使所有機器設備都具備聯網和通信能力，其核心理念就是網絡一切[7]。

物聯網家用太陽能熱水控制系統由太陽能熱水器、智能控制儀表、物聯網服務器及網頁發布等組成。如圖1所示，遠程終端控制模塊和數據傳輸模塊構成了家用太陽能熱水器的現場終端控制器。終端控制器通過Internet與遠程監控系統相連，遠程監控系統通過Internet向外發布監控網頁。此外家用終端控制系統還可以通過GSM與用戶手機通信。用戶像給親友發送短信一樣，一條短信，便能輕松對熱水器進行上水、加熱等控制操作。用戶還可以通過電腦上網，登錄服務器網站對熱水器進行同樣的控制[8]。

2 系統設計

2.1 智能控制儀表的設計

家用太陽能熱水器智能控制儀表是在原控制儀表中嵌入物聯網通信模塊，其中硬件部分主要是由遠程終端模塊RTU（Remote Terminal Unit）以及數據傳輸模塊DTU（Data Transfer Unit）組成，其結構如圖2所示。

DTU是熱水器實現物聯網控制的關鍵，由STM32F107單片機與GTM900C通信模塊組成，通過GSM/GPRS網絡實現與外圍通信。不僅可以把熱水器的狀態信息傳給用戶，還可以把用戶的控制指令傳給儀表單片機執行加熱、上水等操作。

2.2 網頁控制子系統的設計

2.2.1 網頁控制系統結構

根據遠程監控網絡的任務要求以及對控制網絡遠程監控模式的過程分析，對物聯網家用太陽能熱水控制系統采用Web技術的B/S結構。如圖3所示，整個系統物聯網結構主要被劃分為3層：應用層、網絡層和感知層。

圖3 網頁監控系統結構

2.2.2 網絡通信

多個家用太陽能熱水器DTU終端與遠程服務器之間的通信屬于C/S模式，DTU終端相當于Client，遠程服務器就是Server，它們是通過套接字進行通信的[9]。本文通過對VB中Winsock控件編程，很好地實現了服務器和客戶端之間的數據交換。當DTU中的SIM卡聯網成功后，就根據表1定時上傳熱水器的狀態信息給服務器。服務器可以按照表2格式向DTU發送控制命令。

考慮到GPRS流量的限制和網絡擁塞等問題，本課題把GPRS數據傳輸分為兩種模式，即熱線模式和非熱線模式。所謂熱線就是DTU每5 s向服務器發一次數據，非熱線模式就是DTU每20 s向服務器發一次數據。為了防止DTU長時間不通信與服務器掉線，DTU每隔40 s向服務器發送一次心跳數據包，心跳數據為DTU的出廠設備編號。每臺智能控制儀表都被標貼了惟一的出廠設備編號，方便區分[10]。

2.2.3 網頁界面設計

本文選用Dreamweaver作為網頁開發軟件，采用Ajax技術實時刷新網頁數據。為了方便讓用戶能夠在互聯網客戶端對自家的太陽能熱水器進行監控，設計了物聯網太陽能遠程監控系統登錄界面、太陽能熱水器工作界面、用戶信息修改界面等。其主界面如圖4所示。

3 結 語

本文將先進的物聯網技術應用于家用太陽能熱水控制系統中，充分利用現代化的智能工具（手機、電腦等聯網設備），實現對家用太陽能熱水器的智能化控制，不僅改變家用太陽能熱水器的控制方式，給家用太陽能熱水器行業注入了新的活力，而且為物聯網技術在智能家居行業的應用起到了示范作用。

注：本文通信作者為姜平。

參考文獻

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[9] 姜菊媛，周麗麗.關于WINSOCK網絡編程的分析和應用[J].科技信息，2013（4）：309?310.

[10] 陳瑞祥，姜平，王亞芳，等.基于GSM/GPRS的家用太陽能熱水器遠程監控系統設計[J].南通大學學報，2013，12（3）：34?38.