燃氣熱水器上智能浴控器的研究與應用

鄭相冰

（廣東萬和新電氣股份有限公司 佛山 528305）

引言

我國燃氣熱水器國家標準規定，非平衡式燃氣熱水器不可安裝于浴室中，調溫難是用戶的痛點之一，雖然現有燃氣熱水器與混水閥可實現混水調溫的效果，但是混水閥調溫較為不精確，并且只能使溫度變低，無法將溫度升高。另外隨著零冷水燃氣熱水器的普及，帶預熱功能的熱水器也更加受到消費者青睞，如何快速方便的啟動預熱循環也是消費者十分關注的功能點。

現有技術中也有線控技術或電力載波或手機APP 來解決控溫難這一問題，但是線控需要提前埋設線路，很多家庭在裝修時很少會將控制器的線路預設進去。后來出現了電力載波，電力載波是依靠家庭現有線路來實現同線路通訊，但電力載波不適合應用于浴室中，其一是220 V 電壓在浴室潮濕環境中使用不太安全，其二成本較高。手機APP 也可實現遠程控溫的效果，但是目前的手機大部分都不是防水的結構，所以用來遠程調溫只適合在浴室中的干區，且大部分消費者沒有洗浴前帶手機進浴室的習慣。

則選用無線通信技術成為首選。無線通信技術如果選用天線增益過低，發射功率不夠、接受靈敏度不足的無線設備，傳輸速率會驟減得厲害，無線信號衰弱很多，所以會出現通信的盲點。但現今無線通訊技術越來越成熟，隨著無線通信的普遍應用，發射功率、接受靈敏度、天線增益等數據的計算越來越成熟。

1 理論分析

為實現智能浴控器與燃氣熱水器之間的空曠距離滿足用戶在不同家庭房屋結構中的使用，并且達到低功耗的效果。首先從熱水器本體與智能浴控器本體減少對無線通信距離的干擾。分析影響無線通訊距離因素：

1）地理環境，通訊中間的障礙物越多，越影響通訊效果，特別是金屬物體。

2）氣候環境，當空氣干燥時，通訊中間無阻隔較多的水蒸氣，這樣通訊距離也會較遠，但當有雨、雪等大氣中有較多的水分子和水固體時，通訊質量會削減很多，并且距離也會大打折扣。

3）收發天線增益、功耗、天線類型、收發功率。

4）高壓線路。

2 理論計算

普通家庭住房面積100 m2左右，一般廚房到浴室或陽臺到浴室的需要穿墻數應該在5 堵以內。根據這個通訊距離需求對產品展開全面分析。

理想的傳播條件是在真空中傳播，天線周圍有無限大的傳播空間，無障礙物干擾，也不會受到外界環境的削減。通信距離只和接收靈敏度、發射功率和工作頻率有關系。

式中：

Lfs—傳輸損耗；

D—傳輸距離；

E—頻率，單位以MHz 計算。

真空中電波傳輸只與工作頻率f 和傳播距離d 有關。

由公式（1）和（2）得出真空中理想狀態的傳輸距離d[1]。但在現實生活中，我們用戶家庭使用環境均較為復雜，有各種混凝土、高壓線、鋼筋、木板、大氣、無線產品等均對無線通信有著較大的影響，從而影響通信距離。如何保證我們的無線通信應用到燃氣熱水器上不會影響用戶的使用體驗，使用戶在浴室中均可暢通無阻的遠程遙控裝在其他地方的燃氣熱水器。雖然影響無線通信距離的因素有很多，但本文只針對無線天線的選型，布局來展開分析。

3 智能浴控器設計

3.1 天線選型

為解決用戶調溫難問題，通過設計一款可在浴室中調溫的遙控器，從而遠程控制熱水器的溫度。由于在浴室中的使用，則產品設計電壓不可高于人體安全電壓36 V；防水等級要求IPX5 或以上，產品結構需要求達到防水等級，即具有一定的密封效果，但電子產品需要為其提供一定的驅動能源，比如充電或更換干電池，機械結構頻繁的拆卸容易影響產品的使用壽命。所以智能浴控器電源供應選用的是干電池。

SI4438 芯片符合本項目芯片需求，具有-124 dBm 靈敏度和+20 dBm 輸出功率，具有低功耗，可使用干電池供電，又有超高的接受靈敏度與發射功率，并且價格比較親民[2]。

根據選用的SI4438 芯片，工作頻率選用干擾較小的470 MHz，發射功率根據芯片配置參數調整，把無線模塊的發射功率用到極致，效率用到最好。本文省略發射功率與接受靈敏度如何選用，直接選定具體數值；發射功率+17 dBm，接受靈敏度-100 dBm。本文主要探討天線在燃氣熱水器的布局，表現出的通訊距離差異。

3.2 智能浴控器上天線布局

在智能浴控器中裝有電池、外殼等對通訊距離影響較大，如圖1～3所示。

3.3 燃氣熱水器上的天線布局方案，如圖1～3所示

圖1 彈簧天線類型布局

圖2 導線天線類型布局

圖3 FPC 天線類型布局

圖4 熱水器通訊天線置于顯示器示意圖+側面示意圖

圖5 熱水器通訊天線置于熱水器上方+側面示意圖

圖6 熱水器通訊天線置于熱水器+側面示意圖下方

圖7 熱水器與遙控器通訊環境示意圖

3.4 實驗測試

表1 測試數據非空曠距離測試，廠內測試區有樓層、高壓電、無線產品、金屬等多種外在因素影響，但均保持以上變量為同一變量，分析天線的布局與結構對通訊距離的影響。

表1 熱水器四面通訊距離

1）燃氣熱水器底殼、熱交換器、燃燒器、面殼等均為金屬件，對通訊距離損耗較大，由于將天線焊接在控制面板上，工藝與成本均有優勢。但智能浴控器位于熱水器不同方向位置距離不同，并且背面距離最短。所以熱水器天線位置不可安裝于熱水器內部，只可外置天線。

2）智能浴控器上通信距離FPC ＞ 彈簧 ＞ 導線，導線穿墻效果較差，彈簧通訊距離適中，但由于智能浴控器結構限制，彈簧長度有限，并且距離干電池較近，極限距離最多做到10 m 穿4 堵墻。FPC 較為輕薄，可黏貼在智能浴控器外殼內部一圈，通訊距離可繼續延長，最終選定FPC 作為智能浴控器天線。

3）由于無線通信距離與地理環境，障礙物越密集，影響就越大，特別是金屬物體，對比天線置于熱水器上方與熱水器下方，實驗室測試數據對其均無其他干擾，但是熱水器下方也會受到進出水嘴等金屬件的影響。實際到用戶家測試時，天線置于熱水器上方優于熱水器下方，并且天線置于熱水器的上方高度不可高于煙管。

4 結論

本文針對目前行業使用的無線智能浴控器進行了理論分析計算和實驗對比，通過從熱水器本身減少對無線信號的干擾，合理的設計熱水器側和浴控器側的天線位置、結構，通訊距離可以滿足穿5 堵墻的效果，基本能夠覆蓋大部分家庭建筑結構的復雜程度，提高了無線通訊的穩定性，實現用戶在家中沐浴調溫零跑動。

1）熱水器天線最優選擇為熱水器上方，并且為外置天線。

2）智能浴控器采用FPC 天線最佳。