基于機智云平臺的互聯網燃氣熱水器物聯網控制模組的設計

占亞劍，李國兵，朱仕梁

（1.廣東機電職業技術學院，廣東 廣州510515；2．廣東順德大派電氣有限公司，廣東 順德528300）

0 引言

物聯網技術的應用為智能家居提供更為人性化的用戶體驗提供了技術支持，推動了智能家居快速發展，智能家居領域最早的創新產品——互聯網電視，被海爾、美的、小米等國內知名廠商的廣泛關注。工信部數據顯示，2017年全國互聯網電視產量超過千萬臺，占彩電總產量63.4%，但用戶互聯網滲透率不足10%，即不足一成的互聯網電視用戶使用了互聯網及相關應用服務，絕大部分用戶并沒有使用互聯網電視的網絡搜索、IP電視、視頻通話和網絡視頻等信息終端功能。事實上，在移動互聯對家居生活傳統模式產生顛覆性影響的時代背景下，同時具備使用高頻和生活剛需等特點的傳統家居設備已為數不多。互聯網熱水器作為同時符合上述兩個條件的家居設備，已逐漸成為物聯網應用發展領域的新熱點。本文提出了一種燃氣熱水器物聯網控制模組的設計方案，能利用機智云平臺，將普通燃氣熱水器改造升級為互聯網熱水器。

1 互聯網燃氣熱水器的整體設計

燃氣熱水器與電熱水器相比，具有空間占用小、費用低、供熱持續性強以及免維護等顯著優勢，尤其在二胎政策開放家庭常住人口增長和國內居民消費水平升級的背景下，燃氣熱水器市場規模將進一步超越電熱水器市場規模。國內燃氣熱水器經過多年迭代式創新，技術成熟度和性能指標在國際上處于先進水平，目前市場主流機型的標配功能有恒溫供熱、零秒出熱水以及低水壓點火等，能較好地滿足絕大部分客戶的使用需求。

本方案針對國內燃氣熱水器主流機型，采用嵌入式技術和物聯網M2M技術對傳統燃氣熱水器進行升級改造，增設用戶與熱水器、熱水器與云端互聯互通的物聯網絡系統。本設計的物聯網系統的信息中樞是物聯網云平臺[1]。互聯網燃氣熱水器作為智能家居設備，其物聯網云平臺必須是具備強大的物聯網節點支撐能力、可擴展性強和運維成本低等特點的云計算平臺，在國內較成熟的云平臺有百度IoT、京東智能云、阿里云、騰訊云、中科智城云和機智云等。百度IoT提供基于地圖服務的增值服務；京東智能云、阿里智能云的特點是可以提供自定義界面的通用APP，支持接入微信平臺；中科智城云僅面向企業提供個性化定制服務；機智云是國內最早的智能硬件自助開發和云服務平臺，是國內最大的物聯網開發平臺，擁有國內最大的物聯網開發者社區，不僅能提供自主品牌的智能硬件模組，還支持其他硬件廠家的模組接入，能較好符合智能家居物聯網云平臺的設計要求。本文提出的整體設計方案是以機智云平臺為系統控制樞紐，通過物聯網控制模組與機智云平臺利用手機APP進行數據通信，構建性能可靠、運行穩定的燃氣熱水器物聯網控制系統，整體設計的結構框圖見圖1.

圖1 互聯網燃氣熱水器整體結構框圖

本方案選擇機智云作為物聯網云端服務平臺基于三個考慮。一是機智云為開發者提供了自助式智能硬件開發工具與開放的云端服務，能通過模塊化的工具、不斷增強的SDK與API服務能力最大限度降低了物聯網硬件開發的技術門檻，降低研發成本，縮短產品開發投產周期；二是機智云能提供穩定的、豐富的SDK應用開發包可供免費開源的APP調用，控制運維成本；三是機智云打造的開發者社區是物聯網產品開發應用生態系統的重要組成部分，能推動產品快速迭代提升用戶體驗，有利于物聯網智能家居產品互聯網滲透率。綜上所述，本方案產品選用機智云平臺作為物聯網云端服務平臺，利用技術成熟性價比高的stm32作為主控芯片，采用技術成熟的ESP8266作為WiFi通訊芯片，構建性能強大、運維便捷可靠和拓展功能豐富的燃氣熱水器物聯網控制模組。

2 物聯網控制模組的設計

本方案以STM32F407ZGT6為主控模塊，結合水溫信號、水流量信號、一氧化碳檢測信號等信號數據，通過ESP8266 WIFI模塊與機智云平臺構成物聯網系統，可使用手機APP設定熱水器控制與設置參數，設計框圖如圖2所示。

圖2 燃氣熱水器物聯網控制模組設計框圖

2.1 WIFI模塊

WiFi模塊采用低功耗、高集成度的ESP8266，該模塊高度集成8M存儲器、射頻balun、天線開關、過濾器和功率放大器，時鐘速度最高達160 MHz，具有超低功耗的16位RSIC[2]。ESP8266支持實時RTOS操作系統，WiFi協議棧只占用20%的MIPS，剩余的80%可用于開發與編程。燒寫GAgent固件后，可以提供上層應用（手機APP等控制端、云端）與互聯網燃氣熱水器進行雙向數據通訊，其電路原理圖3所示。ESP8266廣泛應用于電氣設備、移動通信終端等領域，通過串口與MCU連接，可實現多應用場景的超低功耗運行，能滿足本方案對功耗控制的嚴格要求。本設計中，WiFi模塊和STM32通過串口通信，在手機APP上可實現對燃氣熱水器的出水溫度、出水量等參數進行預設，將數據上傳至機智云平臺，并能從機智云平臺服務器獲取相應的控制信息。WiFi模塊進行數據收發所調用STM32函數的主要內容如下：

圖3 ESP8266 WiFi模塊電路原理圖

2.2 機智云平臺設置

機智云平臺面向網頁控制端及手機APP提供的應用程序編程接口API具備代碼自動生成功能。云平臺會根據本設計方案定義的數據節點生成對應的設備端代碼，降低了開發者的開發門檻和開發資源調用，縮短開發周期。設備端代碼實現了機智云通信協議的解析與封包、傳感器數據與通信數據的轉換邏輯，并封裝成了簡單的API。當互聯網燃氣熱水器WIFI模塊收到云端或APP端的數據后，程序會將數據轉換成對應的事件并通知到應用層，開發者只需要在對應的事件處理邏輯中添加對應設備的控制函數，就可以完成產品的開發。機智云官網的開發者中心為本設計方案提供虛擬的互聯網燃氣熱水器物聯網控制模組，可模擬設備上報數據和快速校驗接口功能開發情況。同時，利用機智云平臺提供的手機APP掃描該虛擬設備自動生成的二維碼后，可在手機上對虛擬設備進行控制仿真，檢查虛擬設備與云平臺數據通信可靠性，本設計方案開發過程中的控制仿真界面如圖4所示。

圖4 互聯網燃氣熱水器控制仿真界面

2.3 主控模塊的設計

本設計方案主控模塊采用的是STM32F407ZGT6微控制器的內核為ARMCortex-M4F，與燃氣熱水器主控板驅動模塊的通訊方式為串口，負責與燃氣熱水器主控板驅動模塊通訊，實現燃氣熱水器各項功能。STM32F407ZGT6微控制器是當前智能家居設備的主流微控制器，兼容性好，具有較高的性價比且維護成本低。在本設計中僅用到了微控制器部分子模塊，包括串口看門狗ADC定時器和IO口等模塊[3]。在確定通過采集出水溫度和水流壓力等傳感器傳回的信號，并與預設的溫度和進水量進行對比，經串口發送執行命令給燃氣熱水器主控板驅動模塊，通過控制燃氣氣閥、水閥開度，形成閉環控制，實現水溫的快速調節。機智云與STM32數據傳輸函數的部分核心代碼如下：

3 手機APP測試

利用機智云平臺提供的SDK開發包，完成Active修改后即可對手機APP進行多次開發，添加或修正互聯網燃氣熱水器遠程控制功能項目。本設計方案給出的第一個版本的手機APP應用包含遠程啟動、沐浴模式選擇、目標水溫預設和浴缸放水時間設定等功能，用戶界面如圖5所示。在后續的手機APP版本中，還將添加沐浴時間回報、燃氣耗能統計和CO濃度監測報警推送等功能，進一步提升用戶體驗和與其他智能家居設備的兼容性。

4 結束語

本文基于普通的燃氣熱水器，利用wifi模塊、stm32控制模塊和機智云平臺組成物聯網控制模組，構建互聯網燃氣熱水器物聯網控制系統，實現了通過互聯網對燃氣熱水器的遠程控制和監測。本文設計方案提出的物聯網控制模組二次開發成本低，開源開發環境兼容性強，能通過家庭網絡與其他智能家居設備連接起來，并遵循特定的控制策略協調各設備的工作狀態，實現智能家居設備互通互聯，具有廣泛的應用前景。