基于智能家居的無(wú)線(xiàn)熱電中央控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳 延，肖 波，韓 濤， 詹習(xí)生

(1. 廣東省嶺南工商第一技師學(xué)院，廣東 廣州 510800；2. 湖北師范大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 黃石 435002)

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，人們生活質(zhì)量不斷提高，對(duì)更便捷的生活方式的渴望也越來(lái)越大。在政府政策的大力支持下，我國(guó)太陽(yáng)能熱水器行業(yè)得到高速的發(fā)展；這是太陽(yáng)能熱水器行業(yè)的一個(gè)機(jī)遇，同時(shí)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。當(dāng)今市面上的熱水器以太陽(yáng)能熱水器和電熱水器為主，在使用過(guò)程中存在功能按鈕使用繁雜且待機(jī)電能損耗的情況。如果不進(jìn)行模式切換，不僅會(huì)造成電能的浪費(fèi)，還易引起漏電等現(xiàn)象，給用戶(hù)帶來(lái)一定程度上的洗浴風(fēng)險(xiǎn)。

在熱電智能控制方面目前國(guó)內(nèi)外尚有很大的空缺，且暫無(wú)較為人性化的設(shè)計(jì)。為了讓用戶(hù)能享受舒適的智能洗浴環(huán)境，同時(shí)保障用戶(hù)的洗浴安全，我們希望設(shè)計(jì)一個(gè)自動(dòng)切換太陽(yáng)能和熱水器的裝置[1]，給人們?nèi)粘Ｉ顜?lái)便利，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化洗浴服務(wù)。

本設(shè)計(jì)基于工業(yè)單片機(jī)，根據(jù)太陽(yáng)能熱水器的水位、水溫、設(shè)定溫度等參數(shù)進(jìn)行智能閉環(huán)控制[2]，結(jié)合無(wú)耗能電子開(kāi)關(guān)技術(shù)、無(wú)線(xiàn)控制技術(shù)、太陽(yáng)能和電能混合控制技術(shù)、大數(shù)據(jù)預(yù)判等技術(shù)，提供多種控制模式[3]，功能多樣，價(jià)格適中，可取代傳統(tǒng)復(fù)雜且安全性低的機(jī)械調(diào)節(jié)按鈕，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能與電熱水器的自動(dòng)切換功能。利用傳感器反饋以及用戶(hù)洗浴習(xí)慣記錄精準(zhǔn)地控制洗浴的質(zhì)量與舒適程度，準(zhǔn)確、性?xún)r(jià)比高，擁有廣闊的市場(chǎng)和極大的社會(huì)需求。

1 總體設(shè)計(jì)方案

論文擬對(duì)基于智能家居的無(wú)線(xiàn)熱電中央控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)合自動(dòng)化控制的電路可控制太陽(yáng)能和熱水器的電磁閥；根據(jù)水位、水溫自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，保證熱水的供應(yīng)[4]。中央控制系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分：工業(yè)單片機(jī)、水體溫度傳感器、水體位置傳感器、環(huán)境溫度傳感器、邏輯控制電路、變壓穩(wěn)壓電路、無(wú)線(xiàn)通信組件和報(bào)警提示電路。

方案對(duì)水溫可做到準(zhǔn)確控制，節(jié)能、高效。采用溫度反饋控制對(duì)比調(diào)節(jié)，結(jié)合燃?xì)鉄崴骰鹂丶訜峁茉恚稍丛床粩噍敵鰺崴?，從而取代只能?duì)有限量的水進(jìn)行加熱后再對(duì)外輸出的傳統(tǒng)電熱水器，實(shí)現(xiàn)智能控制，適用性強(qiáng)。中央控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

方案的硬件系統(tǒng)主要可分為核心處理器電路、電源電路、無(wú)耗能電子開(kāi)關(guān)電路以及外圍輔助電路。

2.1 核心處理器電路設(shè)計(jì)

核心處理器電路是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，它在銜接各傳感器和處理信息中起著主導(dǎo)作用。核心處理器采用Low-voltage MCU；運(yùn)用智能大數(shù)據(jù)控制法、PID算法，根據(jù)傳感器檢測(cè)模塊檢測(cè)到的各種數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理。通過(guò)比較檢測(cè)數(shù)據(jù)與用戶(hù)設(shè)定數(shù)據(jù)，結(jié)合長(zhǎng)期以來(lái)用戶(hù)使用數(shù)據(jù)的綜合平均值進(jìn)行智能調(diào)節(jié)與智能控制對(duì)單片機(jī)的選擇是很重要的?？紤]整個(gè)系統(tǒng)的成本能量損耗和性能，MCU需滿(mǎn)足小體積、低廉的價(jià)格、更低的功耗但需具備較快的處理速度及A/D采集功能。最終本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為可兼容多款單片機(jī)[5]，如圖2所示：

圖2 核心處理器電路圖

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路采用的是AC-DC低壓開(kāi)關(guān)直流電源為系統(tǒng)進(jìn)行供電，用電器在工作時(shí)由24V電源輸入給系統(tǒng)以及外置模塊進(jìn)行供電[6]。系統(tǒng)由穩(wěn)壓濾波電路共同組成，可提供1.2V、3.3V、5V、24V電壓提供給不同的用電器件。

具體電源模塊電路：利用AC-DC提供直流穩(wěn)壓電源的電源硬件電路，以及多個(gè)穩(wěn)壓電路。其中1.2V電壓，用于為光電耦合器提供工作電壓；3.3V電壓，用于MCU；5V電壓，用于為水溫傳感器、水位傳感器、報(bào)警提示電路、電子開(kāi)關(guān)管提供電壓；12V和24V電壓，直接取用AC-DC開(kāi)關(guān)電路電壓，用于為加熱設(shè)備提供電壓；傳感器模塊電路、觸發(fā)—檢測(cè)—通信—報(bào)警提示等電路均與MCU連接[7]。其中DC-5.0V供電部分如圖3所示：

圖3 5V供電電路圖

2.3 引入無(wú)耗能電子開(kāi)關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)

首次結(jié)合物創(chuàng)光電孵化器的無(wú)耗能電子開(kāi)關(guān)技術(shù)于系統(tǒng)中，其組成如下：整個(gè)系統(tǒng)具有電源插頭和供電電路，在供電電路上裝有雙向晶閘管和開(kāi)關(guān)電源，且設(shè)有太陽(yáng)能電池板、超級(jí)電容、單片機(jī)、觸發(fā)按鍵以及門(mén)極觸發(fā)電路；超級(jí)電容設(shè)計(jì)于太陽(yáng)能電池板并聯(lián)電路中，單片機(jī)向并聯(lián)電路索取所需能源；按鍵開(kāi)關(guān)連接單片機(jī)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)連接門(mén)極觸發(fā)電路，當(dāng)雙向晶閘管接收到門(mén)極觸發(fā)電路的信號(hào)后即可控制雙向晶閘管是否導(dǎo)通；雙向晶閘管到負(fù)載之間的供電電路上接有開(kāi)關(guān)電源的輸入端，儲(chǔ)能裝置接于開(kāi)關(guān)電源的輸出端。其結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 無(wú)耗能電子開(kāi)關(guān)電路框圖

2.4 外圍輔助電路設(shè)計(jì)

觸發(fā)電路：觸發(fā)電路主要包含四個(gè)光電耦合器以及四個(gè)驅(qū)動(dòng)三級(jí)管。驅(qū)動(dòng)三級(jí)管采用的是常見(jiàn)采用低電平導(dǎo)通的PNP型9012三級(jí)管。采用單路雙向可控的C817光電耦合驅(qū)動(dòng)器，封裝類(lèi)型為4引腳DIL，正向最大電壓值為1.5V～2.5V，在整個(gè)系統(tǒng)中對(duì)低壓和高壓電路起到隔離作用[8]。

開(kāi)關(guān)管電路：開(kāi)關(guān)管可根據(jù)用戶(hù)需求選用場(chǎng)效應(yīng)管或晶閘管等大電流電子開(kāi)關(guān)管，不僅無(wú)需傳統(tǒng)式機(jī)械開(kāi)關(guān)，且僅由獨(dú)立觸發(fā)電路組成。這是電子領(lǐng)域中理想的直流式電子開(kāi)關(guān)器件，不僅有更低的能耗、體積和噪音，還簡(jiǎn)單可靠。

無(wú)線(xiàn)通訊電路：采用V3.0規(guī)范及SPP藍(lán)牙串口協(xié)議并具有UART接口的BT08B無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙通信組件，用戶(hù)可通過(guò)手機(jī)APP對(duì)智能無(wú)線(xiàn)熱電中央控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)干預(yù)，其包括定時(shí)開(kāi)啟，定時(shí)關(guān)閉，熱水預(yù)熱，檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)啟等一系列功能。

報(bào)警提示電路：采用采樣電阻、限位微觸開(kāi)關(guān)，結(jié)合蜂鳴器、多色LED光電二極管組合成報(bào)警提示電路，智能檢測(cè)用電器工作狀態(tài)，保障用戶(hù)洗浴安全。

按鍵電路：采用常開(kāi)輕觸按鍵組合成功能模式鍵盤(pán)，用戶(hù)可通過(guò)按鍵對(duì)中央控制系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。采用直插式5*5微觸按鍵開(kāi)關(guān)作為按鍵面板主要器件，開(kāi)關(guān)采用陰極并聯(lián)接法，單片機(jī)IO口由R24-R28上拉電阻提供默認(rèn)5V高電平。

顯示電路：采用LCD1602液晶顯示屏作為主顯示器，采用NMOS控制LED使能端口BLGND的通斷。通過(guò)主控可選擇工作、休眠狀態(tài)，在待機(jī)時(shí)關(guān)斷其輸出，節(jié)能環(huán)保。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)前，用戶(hù)對(duì)水溫、水量、使用時(shí)間點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，單片機(jī)內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換將熱電偶的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，將數(shù)值與系統(tǒng)中的設(shè)定數(shù)值相比較后，結(jié)合使用環(huán)境溫度以及以往洗浴數(shù)據(jù)進(jìn)行智能閉環(huán)自動(dòng)控制加熱器的通斷；使用數(shù)字溫度傳感器時(shí)[9]，采用總線(xiàn)讀取的方式對(duì)數(shù)值進(jìn)行采樣，若各項(xiàng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出信號(hào)讓外圍設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整直至符合要求。系統(tǒng)具體工作如下：

1)智能檢測(cè)自動(dòng)上水。通過(guò)傳感器來(lái)對(duì)水箱水量和水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到水溫長(zhǎng)期處于沸點(diǎn)且水量少時(shí)，傳感器把信號(hào)傳輸給控制器，驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能自動(dòng)上水，防止空曬爆炸。

2)熱水不斷功能。傳感器在監(jiān)測(cè)到一段時(shí)間內(nèi)水位下降迅速，則會(huì)在另一處燒熱水，然后自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)，將熱水源源不斷地流進(jìn)熱水器，用戶(hù)洗浴更舒適。

3)自動(dòng)換水功能。在夏季晴天時(shí)真空管太陽(yáng)能式熱水器效率高，長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人使用時(shí)兩天內(nèi)水溫可高達(dá)100℃，水箱內(nèi)的密封圈及聚氨酯會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間的高溫、高壓而加速老化、萎縮，而排氣阻塞、結(jié)水垢均會(huì)縮短水箱的壽命[10]。通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)，在兩天以上未使用時(shí)，將自動(dòng)放出熱水器里的水，重新上水。

4)控制上水量

系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示：

圖5 主程序流程圖

基于智能家居的無(wú)線(xiàn)熱電中央控制系統(tǒng)結(jié)合傳感器控制上水量。若為天晴，可把水上滿(mǎn)；若為多云或陰天，則上半箱水；有雨，保留原有的水不上冷水。夜晚洗浴完畢后若仍有過(guò)半70℃以上的熱水處于水箱中，水量越少，熱散失越快，因此結(jié)合傳感器反饋數(shù)據(jù)可有效防止熱散失過(guò)大。

無(wú)線(xiàn)控制技術(shù)包括：采用無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙通信組件，通過(guò)手機(jī)APP對(duì)智能無(wú)線(xiàn)熱電中央控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)干預(yù)，包括定時(shí)開(kāi)啟，定時(shí)關(guān)閉，熱水預(yù)熱，檢測(cè)系統(tǒng)開(kāi)啟。

系統(tǒng)提供4類(lèi)型工作模式：按鍵、藍(lán)牙、定時(shí)及混合模式，四種模式均通過(guò)面板上提供的按鍵進(jìn)行選擇。面板按鍵采用一鍵多功能的形式實(shí)現(xiàn)模式、參數(shù)的調(diào)節(jié)[11]。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)內(nèi)置4種工作模式，可根據(jù)用戶(hù)隨機(jī)切換：鍵盤(pán)控制模式、定時(shí)開(kāi)啟/定時(shí)關(guān)閉模式、藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)操控運(yùn)轉(zhuǎn)模式、混合控制模式。以藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)操控運(yùn)轉(zhuǎn)模式為例，其調(diào)試步驟如下：

首先開(kāi)啟電源，系統(tǒng)初始化后進(jìn)入主界面，由專(zhuān)用軟件連接系統(tǒng)藍(lán)牙；然后點(diǎn)擊APP上的藍(lán)牙模式選項(xiàng)按鈕，隨后便可設(shè)置定時(shí)、水溫等按鍵對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作；其次設(shè)定完畢后點(diǎn)擊開(kāi)始/停止按鈕，系統(tǒng)便開(kāi)始自主運(yùn)行；最后等待用戶(hù)使用洗浴設(shè)備。實(shí)物調(diào)試完成如圖6所示。

圖6 藍(lán)牙模式實(shí)物調(diào)試圖

5 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)結(jié)合了太陽(yáng)能熱水器以及電熱水器的綜合應(yīng)用，首次將半導(dǎo)體制熱技術(shù)集成于加熱系統(tǒng)中，安全性、可靠性將大大增加。其內(nèi)部集成溫度控制，可實(shí)現(xiàn)恒溫，恒壓不間斷輸出；結(jié)合水位檢測(cè)，可自動(dòng)增補(bǔ)水箱中的熱水，并恒溫保溫。本設(shè)計(jì)可提供無(wú)線(xiàn)控制(遠(yuǎn)程定時(shí)開(kāi)啟與關(guān)閉)，用戶(hù)可在任意地方，例如臥室，廚房等，通過(guò)手機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)定，按鍵操作界面簡(jiǎn)單、易懂。節(jié)能減排；融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過(guò)APP遠(yuǎn)程控制，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，智能便捷。IP68級(jí)防水，將復(fù)雜的控制電路集結(jié)于一體，精美小巧；低壓直流電供電，半導(dǎo)體制熱技術(shù)杜絕與水體接觸，更高效，更安全。