物聯網技術的熱水管家系統開發與設計

吉首大學信息科學與工程學院 熊宇鵬 方如意 劉操權

為改善酒店熱水供應系統中大多存在的無法自動調節水溫，無法對熱水裝置進行統一管理，導致用戶在使用熱水時體驗不佳和造成熱能浪費的問題，本文設計了一種基于物聯網的熱水管家系統，熱水管家系統由下位機控制終端和上位機云端管理系統組成。下位機以國產微控制器STC單片機作為控制核心，結合溫度傳感器和繼電器等受控裝置組成；上位機部署在阿里云服務器，通過ESP8266無線通信模塊收發相關指令給下位機，可以批量或特定的控制繼電器的開關，實現對熱泵等設備工作狀態的控制，實現遠程監測和系統管理。系統通過物聯網技術和大數據技術，實時監測環境溫度并能自動調節水溫，具有很好的人工智能特性和人機交互功能，減少生產生活中不必要的熱水能源浪費，可應用于生活中對熱水使用有剛性需求的領域，同時對熱水裝置能做到最大的保護，為熱水節能提供實戰經驗和理論依據。

熱水能耗是我國能源消耗的重要組成部分。隨著我國經濟的不斷發展，熱水能耗量不斷增高。綠水青山就是金山銀山”，建設節約型社會，需要從理念上和技術上同步進行。近年來，在物聯網新技術發展的背景下，市場上涌現了很多基于物聯網技術的熱水系統產品，這些產品將熱水管理與物聯網技術結合起來使熱水裝置方便控制。但是他們更多的體現在“功能服務型”上面，即提供基礎的功能服務，包括控制系統加熱、注水、溫度監測等，這些操作都只是有單一功能的體現，鮮有把系統設計理念立足于“能源節約型”的產品即把所有功能有效的融合在一起，互相聯系，形成一個有機的整體。本文通過搭建下位機模型，與上位機進行聯網協同操作結合大數據、AI算法，開發出基于物聯網的熱水管家系統。

1 系統總體設計

熱水管家系統是由下位機和上位機兩部分組成。下位機即硬件部分主要作用是通過硬件端口設計的各路傳感器接口采集需要的數據信號上傳給云端；上位機即軟件部分，部署在阿里云服務器上面，實現遠程監測和系統管理。管理員和用戶根據下位機采集的信號在上位機顯示的結果，給下位機下達指令，繼電器等受控模塊會做出對應的改變，在下位機上的傳感器采集到的數據也會因此而改變，這樣整個系統形成一個閉環反饋控制。熱水管家系統整體設計框圖如圖1所示。

圖1 熱水管家系統整體設計框圖

圖2 溫度傳感器電路設計原理圖

圖3 水箱水位高低監測電路原理圖

2 熱水管家下位機設計

2.1 箱溫、回溫、環境溫度檢測電路設計

PT100器件制作方便，使用簡單，而且容易替換；PT100溫度傳感器是一種將溫度變量轉換為可傳送的標準化輸出信號的儀表。主要用于工業過程溫度參數的測量和控制。帶傳感器的變送器通常由兩部分組成：傳感器和信號轉換器。傳感器主要是熱電偶或熱電阻；信號轉換器主要由測量單元、信號處理和轉換單元組成。PT100成本可控，測試電路簡單。適用于批量生產的溫度檢測裝置中，溫度傳感器電路設計原理圖如圖2所示。

2.2 水箱水位高低檢測電路設計

水箱水位的高低檢測由三根漆包線組成，分別在不同高度撥開氧化銅層使其可以導電。其工作原理如下：漆包線一端接ADC采集口一端接負極，置于水中，當水位漫過剝開的氧化層時會導電，由于水位不同的高度，其水缸中的阻值也不同，故采集的ADC值也會不同，不同的ADC值反饋給單片機，從而判斷出水位的高低。水位的高度根據ADC值可以得出，大于此值時水位低于傳感器的位置，小于此值時水位高于傳感器的位置，特別注意水箱要良好接地，以免讀數出錯。其原理圖設計如圖3所示。

2.3 被控設備（繼電器）的介紹

繼電器作為被控設備，主要用于設備的進水、出水、升溫、恒溫等操作。采用ULN2803LW驅動芯片。ULN2803是八重達林頓晶體管陣列，反相輸出，輸入電壓值為ttl或5v的cmos值，輸出可達500ma/50v，可用于驅動大電流負載，可直接驅動繼電器。繼電器分為常斷和常開兩種狀態，分別對應未工作和工作量中狀態。控制繼電器的程序有自動上水控制程序、管道防凍自動加壓控制程序、一級，二級輔熱控制程序、自動恒溫控制程序、回水控制程序。其工作原理圖如圖4所示。

圖4 繼電器控制電路原理圖

3 熱水管家上位機設計

熱水管家系統上位機是基于B/S框架的軟件部署在阿里云服務器，主要是對下位機數上傳的傳感器數據進行存儲和監測，便于客戶使用瀏覽器觀察運行時的數據，以及設備運行狀況和故障信息的實時監控。整個云管理系統分為登錄模塊，設備列表顯示模塊，數據顯示模塊，閾值修改模塊，數據庫存儲模塊。考慮到下位機僅僅是傳輸各種傳感器的值，數據的安全等級不需要和資金數據那么高安全性和高可靠性，為了避免數據傳輸的復雜性，下位機上傳的數據和本系統下發給下位機的數據包都采用UDP協議傳輸，當然傳輸的數據包自帶安全性和可靠性的檢驗。用戶登錄本系統使用TCP/IP協議；下位機上傳的數據首先按自定義通信協議做數據包的數據解析，供顯示模塊使用，然后將顯示界面的數據保存在數據庫中。設備顯示模塊的數據是從數據庫中提取并顯示的；用戶名和密碼是預先存儲在數據庫中的。整體設計框圖如圖5所示。

圖5 熱水管家上位機系統整體設計框圖

4 結果測試

4.1 登陸界面

在進行測試之前首先將下位機進行聯網，使下位機可以將采集的數據上傳到到云端，登陸網址進入登陸管理模塊，需要輸入用戶帳戶和密碼，分為用戶帳戶和管理員帳戶，用戶帳戶屬于公司，管理員帳戶屬于區域服務商，可以管理其轄區的所有客戶。從數據庫采集數據驗證賬戶是否存在，根據每個用戶去查詢設備。登陸界面如圖6所示。

4.2 設備列表顯示界面

設備列表顯示模塊，可以實現增刪改查的操作，可以查看每一個設備的數據即添加設備、修改設備、刪除設備和配置設備的控制邏輯關系。設備列表顯示界面如圖7所示。

4.3 實時數據監控

開啟服務器，從下位機采集數據將數據保存到數據庫中，然后將數據顯示到網頁上面。根據下位機提供數據交互的協議，根據協議編寫程序解析數據，將解析后的數據顯示到網頁上，便于客戶觀察數據。實時數據界面如圖8所示。

圖6 登陸管理界面

圖7 設備列表顯示界面

圖8 實時數據界面

圖9 閾值修改模塊

4.4 閾值修改模塊

首先將在最新數據實時的顯示到數據修改界面，客戶可以直接對網頁數據就行修改，服務器實時向客戶端發送修改后數據，已達到對數據修改。閾值修改模塊如圖9所示。

5 系統的維護與參數介紹

系統上位機的維護可以通過手機APP、服務器平臺的升級更新實現，系統升級可對不同版本操作界面做出修改與完善。系統下位機即設備終端的維護可以根據安裝在設備上的傳感器傳給上位機的數據進行分析判斷，下達相應的指令，如果是硬件問題則需要安排維護人員到現場進行維護升級。在進行硬件設計時下位機預留了一定數量的芯片端口，硬件升級的時候可以根據工作場所的變化加入對應的功能，如煙霧報警模塊、水垢監測模塊等。

系統參數分為一級參數、二級參數、三級參數。一級參數是管理員設定的水箱水位上限、下限、水箱溫度上限、下限。二級參數是終端設備當地地區的冬天水箱溫度、夏天水箱溫度、冬天管道溫度、夏天管道溫度、回水時間。三級參數是設備工作時間，故障信息，以及實時的溫度，時間動態信息。

6 總結與展望

該熱水管家系統采用上位機與下位機相結合的方式實現了對熱水供應系統的統一管理、實時監測并自動調節水溫的功能。上位機部署在阿里云服務器上安全可靠，云端管理人員和用戶都可查看數據，修改數據，增加了用戶的使用權限，使熱水管理流程簡單化，高效化；下位機部分內置溫度傳感器感應探頭，監測實時溫度；通過繼電器開關進行調節水溫，供水等操作，設計簡約，使用壽命長。從后續開發角度來看，該產品還有很大的開發升級空間，如設備可以根據北斗定位實現對同一緯度的設備做統一的推薦調整，以及利用大數據分析，結合AI算法，來“擬合”每位用戶的用水習慣，推薦最佳的用水方案同時可以為能源部門提供數據支持。