智能遠程家用太陽能熱水控制系統

唐永杰　涂曄　劉雅莉　和麗芳　周潤　劉煉鑄

摘要：以 STM32F107為物聯網控制模組主控單元，基于機智云平臺，用物聯網控制系統對家用太陽能熱水器進行改進，用戶可以通過互聯網完成對家中太陽能熱水器的遠程控制和實時檢測。該系統的控制芯片是 STM32F107，XB724中繼放大器Wi-Fi模塊為通信模塊，結合其它硬件電路與設計完成對太陽能熱水器的遠程控制。實驗證明該系統能夠通過手機終端實現實時監控、加熱、上水、定時等功能。

關鍵詞：物聯網技術;機智云平臺;遠程控制;太陽能熱水器

引言

不管是夏日的酷暑難耐，還是冬日的寒冷刺骨，熱水器都是我們生活中不可或缺的一部分。熱水器是人類對于自然資源之一-太陽能合理且機智的開發和利用，非常符合當下的綠色可持續發展理念。對熱水器的不斷改善創新，能大大提高我們的生活質量。因此，我們對以往的熱水器進行了改進創新。通過利用物聯網的通信技術、溫度傳感器原理、嵌入式單片機等將其提升為智能遠程熱水器。這類熱水器可以實現遠程監控熱水器的溫度、水量，隨時檢測熱水器是否存在問題。上班族可以下班就能洗到熱水澡，不用再擔心水量不夠、水溫不合適等問題，大大改善了我們的生活，提升了我們的生活品質。

1? 整體方案設計

本系統由主控制器 STM32F107芯片、溫度傳感器、控溫裝置、水位傳感器、上水控制裝置、Wi-Fi 通訊模塊、機智云服務平臺和手機終端組成。其中上水控制裝置包括繼電器和與其相連的電磁水閥。水位傳感器和溫度傳感器可以把從太陽能水箱中采集到的信息傳送給主控制器，緊接著主控制器對傳送過來的數據進行分析處理與顯示。然后，通過 Wi-Fi無線通信模塊將數據傳送給基于機智云平臺開發的手機APP界面來顯示，用戶可通過手機APP設定理想水溫和水位。系統還加入了定時功能，用戶也可以通過此功能選擇任意時間加熱和上水，方便快捷，具體如圖1所示。整個系統優化了傳感器的選取，同時與機智云平臺相結合，有針對性地解決了傳統控制系統中的不足，使用戶能夠隨時隨地查看熱水器狀態且對熱水器進行操控，滿足了用戶需求，節約了更多能源，改善了用戶體驗。

2? 系統的硬件設計

2.1? 溫度傳感器模塊

本系統需要測量太陽能熱水器中的水溫，范圍為0～100℃，經過綜合對比，選擇DS18B20作為系統的溫度測量模塊。DS18B20溫度傳感器的溫度測量范圍為-55℃～+125℃，精度為±0.5℃。現場溫度的數字傳輸方式為“一線總線”，系統的抗干擾性能力得到了極大能力的提高。使用時需將DS18B20置于太陽能水箱的底部，以保證當太陽能水箱內水位過低時，也能夠實時檢測水箱內水的溫度。

2.2? 水位傳感器模塊

該系統為光電式水位傳感器。其可上置、下置、側置、斜向安裝，防水等級達到IP64，液位檢測精度高，可以控制±0.5mm。而且它體積小、壽命長，安裝工藝簡單，穩定性強，可靠性高。應用環境廣，受液體中的腐蝕性、沉淀物、漂浮物等影響較低。且接觸液體面積小，更加容易清潔更衛生。

2.3? 控溫模塊和上水模塊

本系統中的控溫模塊包含繼電器和加熱棒，上水控制模塊包含電器繼電器和電磁水閥。其中實現外部設備控制的主要手段是繼電器，因此繼電器的有效控制是執行器模塊安全穩定運行的保證。繼電器種類繁多，本系統經過對加熱棒和電磁水閥的功率進行分析，選擇了HRS4H-S-DC12V型繼電器。圖2為該型號繼電器的驅動電路圖，主控制器通過該電路完成對繼電器的控制，從而實現上水和加熱兩個控制動作。

下面以上水動作為例，闡述其工作過程。圖2中的SIGNAL-IN連接主控制器的某個I/O口，執行器為電磁水閥。當需要打開上水開關時，控制器使該I/O口輸出高電平信號，此時MC1413輸入引腳1腳為高電平，輸出引腳16腳為低電平，此時繼電器K3通電吸合，使得繼電器輸出側1A和1B導通，輸出回路中電磁水閥通電工作，系統開始對水箱上水，同時對應的指示燈發光。當上水到指定值時，控制器使PG14口輸出低電平，MC1413的16腳輸出為高電平，切斷電源，繼電器斷電釋放，電磁水閥停止工作，上水動作結束。

加熱控制電路與上水控制電路相同，僅僅是執行器由電磁水閥換成了電加熱棒。此外，使用到的繼電器驅動電路原理圖也與上水控制相同，兩個繼電器都選擇了MC1413進行控制，大大減小了后級電路對主控制器電路的干擾。如果要增強其驅動能力，可以在這時放大電壓信號。

本方案選擇的電磁水閥是AC220V常閉銅電磁水閥，當接入220V交流電時開關開啟，水流通過，斷電時開關閉合，水流截止。選擇的加熱棒是AC220V整體防水加熱管，其具有經久耐用、防腐蝕等優點，所選繼電器輸出側最高可承受2500W，該加熱棒正常工作時的功率為1000W，在繼電器可承受的功率范圍內，滿足系統要求。

2.4? Wi-Fi無線通訊模塊設計

通信模塊主要采用的是ALIENTEK公司推出的AKT-ESP8266為核心模塊，該模塊為UART-Wi-Fi模塊。在STM32的串口初始化完成之后，模塊與主控芯片之間可以進行串口通信。選用平臺為機智云平臺，機智云擁有大量的開發經驗和技術積累，其所提供的GAgent通信協議能與模塊發生交互以進行數據交換[1-3]。平臺軟件兼容并支持ESP8266模塊，在對ESP8266完成初始化之后，工作時通過機智云的手機APP與ESP8266進行云端的數據交換傳輸，從而完成對系統的控制。并且將其中的通信內容存儲到云平臺的開發者中心。

3? 智能遠程控制系統的構建

3.1? 物聯網的采用

關于智能遠程控制系統，我們選擇采用當下最新的物聯網。

我們為什么要采用物聯網呢？主要有以下原因：

高效的資源利用：如果了解每個設備的功能和工作方式，我們肯定會提高資源的有效利用率并監控自然資源。

（2）最大限度的減少人力：當物聯網設備相互交互并相互通信并完成大量任務時，它們可以最大限度的減少人力。

（3）充分利用時間：因為節省了很多人力精力，所以提高了效率，節省了時間，而物聯網平臺節省的主要因素是時間。

（4）增強數據收集：建立網絡并且收集相關數據，提高安全性。現在，如果系統能夠將這些內容相互連接，那么就可以使系統更安全，更高效。

那么針對我們的熱水器，我們要實現整個遠程控制系統必須具備無線網，網絡通信器，自動控制器，溫度傳感器，濕度傳感器，水位傳感器，嵌入式單片機等。無線網采用Zigbee無線通信技術，網絡通信采用以太網+中繼器，使其覆蓋范圍更廣。

3.2? 手機APP的巧妙運用

手機APP遠程控制智能系統技術將網絡通信技術和控制技術完美結合，是當下的高科技技術發明之一。信息技術的發展促進了遠程監控技術的高速發展。遠程監控技術主要分為兩大部分，即遠程控制和遠程監測。遠程控制是利用無線控制遠端設備的運行狀態，而遠程監測的意思是通過網絡可以實現遠程獲取被監控對象的各項數據信息。一個完整的遠程監控系統一般由三個子系統構成，現場監控端系統、遠程監控端系統和遠距離數據傳輸系統。這三個子系統各司其職，共同完成對遠程設備的監控。

3.3? 智能遠程控制的實現

利用遠程控制技術實現對太陽能熱水器的智能控制，涉及到的技術如下：

（1）組網技術

在智能設備遠程控制中，組網技術是至關重要的一個部分，此次以無線組網方式為核心，因為外界環境對無線組網方式的影響比較小，在各類場合都可以操作。通過無線接入點參加組網的模塊可以存在，各類關系能夠通過組網結構進行規定。

WiFi技術和藍牙技術在歷史長河的發展中已經較為穩定。

（2）WiFi技術

WiFi技術傳輸速度較快，在通信技術領域應用最為廣泛，也是此次設計的太陽能遠程控制系統的核心技術，在室外最遠可傳播300米。

（3）藍牙技術

藍牙是物聯網應用服務中的近距離無線通信技術，是使用較為廣泛的一項技術，同時也屬于點對點技術，此次設計的太陽能遠程控制系統在短距離內可以使用該技術。

（4）傳感器終端技術

該系統主要使用的是溫度傳感器，位于系統的最前端，負責采集各類數據，實現對熱水器水溫的調節控制。

（5）遠程管理技術

遠程管理技術通過嵌入式物聯網通信服務器，用戶可以登錄APP對熱水器進行查看和管理。該技術主要為了在發射信號范圍內對熱水器進行遠程控制。

技術設計路線如圖3所示：

以上總技術設計路線圖可細化為如圖4所示的遠程通信控制模塊與如圖5所示的數據采集調節分析模塊。

熱水器的DTU部分很重要，能否實現物聯網調控主要靠它。DTU由兩個部分組成，一個是STM32F107單片機，另一個部分是GTM900C通信模塊，然后通過GSM/GPRS功能模塊與外圍交換信息，比如不僅可以將用戶的各類需求指令傳給單片機，指令到達單片機之后執行加水、加熱等一系列操作實現用戶的需求，還可以把熱水器的實時狀態信息傳給用戶。

4? 結束語

相對于目前商場上各種各樣的太陽能熱水器控制設備，智能遠程控制太陽能熱水器控制系統整體成本較低，工作安全可靠，控制精度可以滿足家庭使用要求，軟件界面友好，操作簡單易用。通過手機APP可實現遠程狀態監控、溫度設置以及參數調整等功能。該設備具有很好的發展前景，很多性能還有待挖掘及完善。

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作者簡介：唐永杰（2000），女，漢族，云南昭通，本科，學生，研究方向：物聯網，自動控制等。

基金項目：大學生創新訓練項目，項目編號：202011390013;云南省地方本科高校（部分）基礎研究聯合專項，項目編號：2019FH001（-111）;云南省地方本科高校（部分）基礎研究聯合專項，項目編號：2019FH001（-094）;云南省教育廳項目，項目編號：2020J0648。