基于nRF24L01的無線承壓式太陽能熱水器控制系統設計

郭燦彬 吳迪 羅嵐

【摘 要】文章基于nRF24L01無線射頻芯片設計了一款無線承壓式太陽能熱水器自動控制系統，包括系統整體方案設計、硬件設計和軟件設計。系統能夠自動檢測和顯示水泵工作狀態、電加熱等信息;具有傳感器短路（開路）報警、水泵卡滯報警、防凍功能、防高溫功能等多種安全防護，系統預留支持通過App實現遠程控制功能。測試結果表明：系統運行安全、穩定、可靠，遙控器操作簡單、便捷。

【關鍵詞】承壓式;太陽能熱水器;控制系統;遠程控制

【中圖分類號】TD679 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）12-0019-03

0 引言

太陽能熱水器是將太陽光能轉化為熱能的加熱裝置，將水從低溫加熱到高溫，以滿足人們在生活、生產中的熱水使用需求。目前，市面上的太陽能熱水器按照結構劃分主要分為兩種：真空管式太陽能熱水器和平板式太陽能熱水器。目前，真空管式太陽能熱水器占據國內95%的市場份額。承壓式太陽能熱水器屬于真空管式太陽能熱水器的一種，具有出水壓力大、升溫快、耐低溫性好、熱效率高等諸多優點，在我國不同地域得到廣泛使用。承壓式太陽能熱水器控制器種類繁多，產品通用性差，產品質量參差不全，并且大多數為非無線普通控制器類型，不能滿足應用場合多樣化的需要。因此，有必要按照項目合作企業標準化的要求，結合企業的實際情況設計和開發一款無線式、通用型承壓式太陽能熱水器控制器（控制系統）;要求控制系統既能通過主控制操作面板控制系統工作，又能通過無線遙控器實施工作狀態控制，并且成本低廉、操作簡單、工作安全可靠，具有較好的市場推廣前景[1-2]。

1 系統方案設計

無線承壓式太陽能控制系統由主控制器和無線遙控器組成，主控制器可以獨立控制系統完成太陽能熱水器的各種功能操作，一般固定安裝在浴室附近或方便用戶操作的位置;無線控制器可為用戶提供另外一種更加靈活的控制方式，方便用戶在客廳或房間實現對太陽能熱水器工作模式的設定。主控制器以PIC18Fxxx系列單片機為控制核心，控制系統硬件的電路全部采用模塊式設計，可極大地縮短開發周期，提高各功能模塊的重復利用率，也易于實現產品的系列化，主控制器主要包括電源管理模塊、LED屏顯示模塊、入水電磁閥控制繼電器模塊、水溫水位傳感器檢測電路模塊、增壓水泵繼電器模塊、鍵盤操作電路模塊、電加熱繼電器模塊、無線網絡接入功能模塊。其中，無線網絡功能使用Wi-Fi芯片ESP8266，接入無線網絡后，用戶就可以通過手機App實現對主控制系統工作狀態查詢、系統參數設置、系統功能控制等操作。ESP8266芯片模組是面向物聯網應用的高性價比、高度集成的無線解決方案，具有性能穩定、高集成度、低功耗、二次開放簡單等特點，是本控制系統理想的無線通信解決方案。無線接入模塊為本系統擴展功能模塊，當需要考慮控制系統開發成本時，可選擇不配置該模塊。控制系統軟件編程部分全部采用模塊化、功能化的設計方法，將各個功能模塊單獨編寫成獨立子程序，通過調用子程序實現熱水器控制系統的各種功能。系統總體控制框架如圖1所示。

在實際家庭應用中，用戶除通過主控制器的操作按鈕實現對熱水器的控制外，在客廳或房間等場合，系統還配備了無線遙控器，同樣可對系統進行操控。圖1的無線射頻通信遙控器模塊中，遙控器通過無線射頻芯片nRF24L01實現與主控制器的通信，其控制功能與主控制功能一致。nRF24L01無線模塊采用2.4 G無線收發，內置PCB天線設計，具有高性價比、高性能、低功耗、收發穩定可靠等特點。在1 M的數據高速傳輸情況下，通信距離可達70 m左右，是本系統理想的射頻無線收發解決方案。表1為控制系統設計參數，主要包括電加熱功能設計參數、水泵工作模式設計參數、電磁閥功能設計參數，系統使用的溫度傳感器有集熱器溫度傳感器、水箱下部溫度傳感器、水箱上部溫度傳感器[3]。

主控制器用戶界面允許用戶設置水泵工作模式、電加熱工作模式、系統時間、電加熱定時時間、水泵手動模式下啟動和停止控制。電加熱模式有啟動、定時、關閉、防凍4種工作模式。循環泵模式有啟動、手動2種運行模式。溫度顯示能顯示當前水箱上部的水溫。時間顯示能顯示當前時間。在系統默認設置中，電加熱模式設置為“啟動”狀態，循環泵模式設置為“自動”狀態，電加熱設置為“定時”模式。控制系統設置功能鍵、調節鍵和循環鍵3個按鍵。

2 無線控制功能設計

無線遙控器主控芯片采用Microchip公司的PIC16Fxx系列單片機，該系列單片機外圍接口有多種模式，工作穩定性好，開發工具簡單、易用。無線射頻通信采用nRF24L01模組，圖2是本控制系統自帶的無線遙控器用戶界面，分為5個區域顯示，上部區域顯示太陽能熱水器目前的工作狀態，包括是否處于防凍模式、循環水泵是否在運行狀態、高溫保護是否啟動、溫度傳感器是否異常、電加熱是否啟動;左邊區域顯示水箱水位狀態信息;中部區域顯示水箱上部溫度值和當前時間;右邊區域顯示遙控器目前剩余電量值;下部區域顯示電加熱工作模式。遙控器設計了9個按鍵，分別是“啟動鍵”“定時鍵”“關閉鍵”“定時設置鍵”“時間設置鍵”“上調鍵”“下調鍵”“確定鍵”和“取消鍵”。在運行模式下，按下“啟動鍵”后，系統進入電加熱定時模式（只有在用戶已設置好的定時時間的對應時刻，系統才會自動查詢是否滿足需要電加熱的溫度條件，滿足時就會啟動電加熱功能，否則不啟動電加熱功能;在其他時段內，不管系統是否滿足需要電加熱的溫度條件，系統也不會啟動電加熱的功能，防凍功能除外）。在其他模式時該鍵無效。

承壓式太陽能熱水器控制系統包括普通型和無線型兩種，普通型不帶有無線射頻遙控功能的控制器，本設計系統屬于無線型，帶有無線射頻遙控功能的控制器，同時比普通型控制器多了水壓檢測功能。無線型遙控器帶自學習功能，主要通過主控制器主板上的兩個撥碼開關JP2、JP3實現，當JP2、JP3均為“OFF”時，主控制器處于自學習模式（遙控器必須處于該模式），在這個模式下，遙控器能與控制器重新學習，互相綁定收發地址。當遙控器與控制器綁定后，在正常工作模式下遙控器就能控制控制器的設置及反饋控制器的狀態信息。無線控制系統工作模式見表2。

3 軟件流程設計

控制系統軟件設計全部采用模式化設計方式完成，所有軟件子模塊都封裝成子程序，在圖3所示的主流程中調用，如系統故障顯示、處理處理子程序、電加熱工作模式子程序等。系統主控制器軟件設計主要包括以下軟件模塊：水溫、水位A/D檢測件模塊、循環水泵工作軟件模塊、電加熱功能軟件模塊、LED顯示驅動軟件模塊、參數設置軟件模塊、按鍵掃描與處理軟件模塊、無線射頻通信軟件模塊等。控制系統軟件功能模功函數列表見表3。此外，系統在軟件層面設置了多種安全保護功能，例如溫度傳感器短路功能、開路報警功能、水泵卡滯報警功能、防凍功能、防干燒保護功能、防高溫保護功能、壓力欠壓提示保護功能、遙控器自動啟動復座提示功能等。圖3為控制系統的程序工作主流程。圖4為控制系統電加熱工作模式流程[4]。

4 功能測試

在實際應用中，控制系統可通過以下兩種方式進行操作。一是通過主控制器的控制面板操作，控制面板通常安裝在用戶浴室或廚房等位置，通過有線方式與承壓式太陽能熱水器本體相連。二是用戶可通過手機端App進行工作狀態查看、參數設置、控制操作[4]。

（1）通過主控制器面板操作。在工作模式下，接通電源，系統全屏顯示。2 s后，系統進入運行模式，顯示屏顯示當前工作狀態，即電加熱模式、循環泵模式、水箱上部水溫、當前時間。在工作模式下，若5 s沒有按鍵輸入，在任何設置模式下系統都會自動返回運行模式。在自學習模式下（撥碼開關設置為JP3=OFF，JP2=OFF），顯示“F1”。

功能鍵：執行各設置項目之間的循環轉換;運行狀態→電加熱工作模式設置→水泵工作模式設置→系統時間分鐘設置→系統時間小時設置→運行狀態;或者持續按下3 s后進入電加熱定時時間設置，再持續按下3 s后退出電加熱定時時間設置。調節鍵：執行各設置項目的參數調整，包括電加熱工作模式設置、水泵工作模式設置、系統時間設置、電加熱定時時間設置。循環鍵：在手動模式下，控制水泵的啟動或停止。

（2）通過手機App端遠程控制。手機App端遠程控制功能是系統的定制模塊，控制系統通過無線網絡接口專用模塊（ESP8266）接入無線局域網后，即可通過手機端App程序查看承壓式太陽能熱水器的工作狀態，設置電加熱溫度、設置系統參數等遠程控制功能。

5 結語

本研究完成了無線承壓式太陽能熱水器系統方案設計、硬件設計、軟件設計，并對系統功能進行了測試，測試結果表明：系統設計方案符合預期要求，可滿足家庭使用要求，解決了市面上無線承壓式太陽能熱水器系統可選擇性少或通用性差等問題，但控制系統也存在不足，部分功能還在開發或測試中，例如無線網絡接入功能模塊還需進一步完善和測試。

參 考 文 獻

[1]蘇賜民，李春杏，曾君，等.太陽能熱水器自動控制系統的研究與設計[J].計算機測量與控制，2019，27（12）：106-110.

[2]葉凡鵬.太陽能熱水器控制系統設計[J].輕工科技，2020，36（7）：103-104，106.

[3]黃旭東，鄭穎.基于單片機的太陽能熱水器控制系統設計[J].時代農機，2020，47（4）：88，93.

[4]郭燦彬，羅嵐.通用型太陽能熱水器控制系統的研究與設計[J].現代制造技術與裝備，2021，57（7）：194-197.