太陽能無線多點控制技術(shù)的研究與設(shè)計實現(xiàn)

摘 要：采用太陽能無線多點控制技術(shù)設(shè)計一款適用于高端別墅用戶的多點操控太陽能智能控制系統(tǒng)，滿足現(xiàn)有市場上太陽能熱水器高端客戶群體的熱水使用需求。多點控制技術(shù)可實現(xiàn)多個衛(wèi)生間和廚房的共享使用與控制，手機無線遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控可實現(xiàn)熱水自由掌控，集溫控補水、定時上水、恒溫電熱、定時電熱等多種功能于一體，實現(xiàn)控制系統(tǒng)自動控制補水，充分吸收太陽能，保證太陽能熱水器水箱內(nèi)溫度恒定，時時都有充足的熱水供應(yīng)。太陽能無線多點控制系統(tǒng)功能齊全，多點操作，隨手操控，使用便捷。

關(guān)鍵詞：多點控制；太陽能；智能控制系統(tǒng)；多點安裝；溫控補水

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）08-0194-05

DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.08.041

0 引 言

隨著智能控制技術(shù)的發(fā)展，智能家居行業(yè)不斷地進行技術(shù)創(chuàng)新與改進，作為智能家居中極具代表性的太陽能熱水系統(tǒng)，因其具有無污染、低能耗的特性而更加符合智能物聯(lián)與低碳生活的時代發(fā)展。太陽能熱水系統(tǒng)的應(yīng)用從早期的簡單洗浴演變到現(xiàn)在的全方位熱水、采暖等，使用方式越來越便捷、智能，使用需求越來越高端、精細(xì)。

太陽能無線多點控制技術(shù)使清潔能源應(yīng)用與智能化便捷操作巧妙結(jié)合，解決了人們智能化的熱水需求，給人們帶來了更加豐富的智慧生活體驗和享受。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

目前，太陽能控制系統(tǒng)多是由太陽能熱水器廠家采用OEM或ODM，專業(yè)控制儀表廠家之間未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品質(zhì)量普遍較差[1]。

雖然太陽能熱水器所具有的環(huán)保節(jié)能和經(jīng)濟實用特點與智能家居的主體理念不謀而合，但是太陽能熱水器與當(dāng)前主流智能家居系統(tǒng)的契合度并不高，智能化水平不高，現(xiàn)有的太陽能控制系統(tǒng)功能不夠完善，針對多處用水的高端別墅用戶，太陽能控制系統(tǒng)不具備多點控制功能，絕大部分操控以在室內(nèi)直接點按操控為主，且在陰雨天光照不足時，對水箱內(nèi)水的加熱必須通過人工手動操作完成，在水溫控制方面也很難達(dá)到人們的預(yù)期。另外，連續(xù)陰雨天氣所帶來的影響也使用戶的智能熱水體驗感下降[1]。

太陽能控制系統(tǒng)自有的單機設(shè)計、單一安裝點，不能實現(xiàn)多個衛(wèi)生間和廚房的共享使用與控制，不能滿足高檔別墅用戶享用智能熱水的需求。因此，專門研究開發(fā)一款太陽能無線多點分布式控制系統(tǒng)，滿足高端別墅用戶多點操控太陽能的需求，解決了現(xiàn)行控制儀表只能在一處安裝，不同用水點需要頻繁不斷地去儀表安裝處進行調(diào)整的問題。

2 技術(shù)研究

根據(jù)太陽能熱水系統(tǒng)主體的不同，太陽能無線多點控制系統(tǒng)分為緊湊式控制系統(tǒng)、非承壓分體式控制系統(tǒng)、承壓分體式控制系統(tǒng)三種，以緊湊式控制系統(tǒng)為例，安裝位置示意圖如圖1所示。

借助太陽能無線多點控制技術(shù)可實現(xiàn)一拖多太陽能智能控制系統(tǒng)，滿足高端別墅用戶多點用熱水的需求，并且解決了高端別墅用戶多點操作、隨手控制的問題，所涉及的主要技術(shù)如下：

1）實體平臺搭建。搭建太陽能遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺，實現(xiàn)實時遠(yuǎn)程監(jiān)控太陽能運行數(shù)據(jù)；同時進行手機APP開發(fā)，通過路由器實現(xiàn)手機與太陽能熱水系統(tǒng)的連接，連接后手機可直接控制太陽能熱水系統(tǒng)的運行。

2）多點控制技術(shù)。通過主控器+多線控器設(shè)計實現(xiàn)多點操作、隨手控制，無須到遠(yuǎn)處操作或頻繁出入浴室。

3）集信息接收、智能控制、故障檢測多種功能于一體。手機遠(yuǎn)程操控上水、電熱，實現(xiàn)精準(zhǔn)掌控?zé)崴畔ⅲ尠踩孢m的熱水順暢到家。

4）溫控補水，充分吸收太陽光熱。系統(tǒng)根據(jù)水溫自動控制補水，充分吸收太陽能，讓充足的熱水給全家人帶來舒適的體驗。

5）恒溫電熱，貼心到位。保證熱水器水箱內(nèi)溫度恒定，時時都有充足的熱水供用戶享用。

太陽能無線多點控制系統(tǒng)包括一套控制系統(tǒng)主機（主控器，如圖2所示）和多套顯控分機（線控器，如圖3所示），線控器與主控器組通信。主控器負(fù)責(zé)采集各種溫度以及控制所有的輸出設(shè)備；線控制器顯示水箱溫度、集熱器溫度、電熱工作狀態(tài)等，還進行按鍵操作以及進行各種參數(shù)的設(shè)置等。一套主機可連接1～10個顯控分機，實現(xiàn)同時操作控制廚房與多個浴室用水點。

太陽能無線多點控制系統(tǒng)包含四路溫度傳感器，分別為水箱下部溫度傳感器T1、水箱上部溫度傳感器T2、集熱器溫度傳感器T3、管道溫度傳感器T4 [2]。

菜單參數(shù)設(shè)置界面可以進行8項參數(shù)設(shè)定，依次為手動電熱溫度TS2設(shè)定、定溫循環(huán)啟動溫度TS1設(shè)定、水位設(shè)定、本地時間設(shè)定、定時上水時段參數(shù)設(shè)定、定時電熱時段參數(shù)設(shè)定、定時循環(huán)時段參數(shù)設(shè)定、啟動/停止溫差設(shè)定。

設(shè)置菜單參數(shù)時，可通過“上調(diào)”鍵或“下調(diào)”鍵設(shè)置當(dāng)前參數(shù)值的大小，按“設(shè)置”鍵或8秒內(nèi)無按鍵操作則自動保存當(dāng)前參數(shù)值，并切換到下一參數(shù)設(shè)定狀態(tài)。

3 技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)

3.1 熱水器上水功能程序設(shè)計

智控系統(tǒng)上水功能包括手動上水、溫控補水、自動上水、定時上水、防干燒上水、防漏水、防炸管上水[3]：

1）手動上水。點按控制系統(tǒng)“上水”鍵開始上水，水位到達(dá)設(shè)置水位后自動停止上水。中途如需停止上水，只需再次點按“上水”鍵即可。

2）溫控補水。長按“上水”鍵5秒鐘，溫控補水功能打開，溫控補水圖標(biāo)點亮；再次長按“上水”鍵5秒鐘，溫控補水功能關(guān)閉。溫控補水功能啟動后，點按“上水”鍵即可停止上水，60分鐘后，允許再次判斷溫控補水條件。

在溫控補水狀態(tài)下并且在9：00至17：30時間段內(nèi)，當(dāng)水位高于20%且水溫升至60 ℃時，溫控補水功能啟動，開始上水；當(dāng)水溫降至55 ℃時，自動停止上水；當(dāng)水溫再次升至60 ℃時，溫控補水功能再次啟動，開始上水；如此循環(huán)往復(fù)，直至水箱里的水滿為止。這樣，在溫控補水運行狀態(tài)下，控制系統(tǒng)將根據(jù)水溫自動控制補水，為用戶提供更多的熱水。

3）自動上水。水位低于20%時自動上水，達(dá)到設(shè)置水位時自動停止上水。

4）定時上水。控制系統(tǒng)可設(shè)置兩次定時上水時間，長按“預(yù)約/查詢”鍵5秒鐘，設(shè)置定時上水時間，在時間到達(dá)定時上水時間時系統(tǒng)自動上水至設(shè)置水位。

5）防干燒上水。當(dāng)水箱水位低于50%時，點按“電熱”鍵，電加熱不啟動，為防止干燒，先啟動上水至水位50%，自動停止上水。

6）防漏水。上水超過水滿時間30分鐘而未達(dá)到設(shè)定水位，判斷為漏水，停止所有上水動作，蜂鳴器提示報警，以后每隔5分鐘鳴叫一次予以提醒。

7）防炸管上水。當(dāng)水箱內(nèi)水位低于20%且水溫高于90 ℃時，為防止真空管碎裂，所有上水功能失效。

3.2 熱水器電加熱功能程序設(shè)計

智控系統(tǒng)電加熱功能包括手動加熱、定時電熱、防凍電熱等[4]，設(shè)置電加熱功能時，TS2為水箱設(shè)置溫度30～75 ℃。

1）手動加熱。在正常工作界面下，點按“電熱”鍵，當(dāng)水箱溫度≤設(shè)置溫度TS2-5 ℃時，即可手動開啟電加熱；當(dāng)水箱溫度T1≥TS2時，電加熱關(guān)閉。電加熱啟動后，再次點按“電熱”鍵，即可手動關(guān)閉電加熱。

2）定時電熱。時間進入電熱開啟時間段時，當(dāng)水箱溫度T2（上部傳感器）≤電熱設(shè)置溫度TS2-5 ℃時，電加熱啟動；當(dāng)水箱溫度T2（上部傳感器）≥電熱設(shè)置溫度TS2時，電加熱關(guān)閉。

3）防凍電熱。當(dāng)水箱溫度T2（上部傳感器）≤3 ℃時，電加熱啟動；當(dāng)水箱溫度T2（上部傳感器）≥8 ℃時，電加熱關(guān)閉。

4）電熱優(yōu)先級。恒溫電熱功能啟動后，恒溫電熱功能優(yōu)先級將高于任何其他電熱功能。

5）電加熱圖標(biāo)指示。當(dāng)電加熱啟動時， 屏幕圖標(biāo)閃爍顯示；當(dāng)沒有任何電熱功能啟動且電加熱也沒有啟動時， 屏幕圖標(biāo)常滅顯示；當(dāng)恒溫電加熱功能和定時電加熱功能啟動但不滿足電加熱啟動條件時， 屏幕圖標(biāo)常亮顯示。

3.3 集熱功能程序設(shè)計

智控系統(tǒng)集熱控制功能包括集熱功能、用水管道循環(huán)、管道防凍等。

3.3.1 集熱功能

集熱功能主要是進行溫差循環(huán)、防凍循環(huán)、防炸管循環(huán)控制和顯示：

1）溫差循環(huán)。當(dāng)溫差T3-T2≥ΔT“on”時，啟動溫差循環(huán)泵P1；當(dāng)溫差T3-T2≤ΔT“off”時，關(guān)閉溫差循環(huán)泵P1。

注：當(dāng)溫差＜ΔT“on”時，循環(huán)30分鐘后強行停止循環(huán)。

2）溫差循環(huán)泵工作指示。溫差循環(huán)泵啟動后， 屏幕圖標(biāo)閃爍顯示。

3）集熱防凍循環(huán)。當(dāng)T3≤5 ℃時，啟動溫差循環(huán)泵P1；當(dāng)T3≥10 ℃時，關(guān)閉溫差循環(huán)泵P1。

4）防炸管循環(huán)。當(dāng)T3＞95 ℃時，溫差循環(huán)泵P1運行10分鐘停止20分鐘，保持一定間隔循環(huán)運行，直至T3≤95 ℃時停止該循環(huán)。

5）防斷電炸管保護。當(dāng)溫差T3-T2≥30 ℃時，以上所有溫差循環(huán)功能失效；當(dāng)溫差T3-T2≤25 ℃時，以上所有溫差循環(huán)功能恢復(fù)[5]。

3.3.2 用水管道循環(huán)

用水管道循環(huán)主要是進行手動管道循環(huán)、定時恒溫循環(huán)、高溫保護、管道防凍等控制和顯示：

注：TS1為設(shè)置的管道定溫循環(huán)啟動溫度30～

50 ℃。

1）手動管道循環(huán)。手動管道循環(huán)功能啟動后，當(dāng)用水管道溫度T4≤TS1-5 ℃且水箱溫度T2≥TS1+5 ℃時，定溫循環(huán)泵P2啟動；當(dāng)用水管道溫度T4≥TS1或水箱溫度T2≤TS1時，定溫循環(huán)泵P2關(guān)閉[6]。

2）定時恒溫循環(huán)。在設(shè)定的時間段內(nèi)，若用水管道溫度T4≤TS1-5 ℃且水箱溫度T2≥TS1+5 ℃時，定溫循環(huán)泵P2啟動；當(dāng)用水管道溫度T4≥TS1或水箱溫度T2≤TS1時，定溫循環(huán)泵P2關(guān)閉。

注：當(dāng)用水管道溫度T4＞TS1-5 ℃時，循環(huán)30分鐘后強行停止循環(huán)。當(dāng)時段的開啟時間和關(guān)閉時間相等時，該時段的定時恒溫循環(huán)功能無效。

3）管道循環(huán)指示。當(dāng)手動管道循環(huán)功能啟動時或在定時恒溫循環(huán)時間段內(nèi)，屏幕圖標(biāo)" 常亮顯示，反之，該圖標(biāo)常滅顯示。循環(huán)泵循環(huán)輸出過程中圖標(biāo)閃爍顯示。

4）高溫保護。水箱高溫保護：當(dāng)水箱上部溫度T2≥85 ℃時，禁止所有溫差循環(huán)功能；當(dāng)水箱上部溫度T2≤82 ℃時，恢復(fù)所有溫差循環(huán)功能。集熱器高溫保護：當(dāng)集熱器溫度≥110 ℃時，禁止所有溫差循環(huán)功能；當(dāng)集熱器溫差≤104 ℃時，恢復(fù)所有溫差循環(huán)功能。

5）管道防凍。當(dāng)管道溫度T4≤5 ℃時，防凍電熱帶啟動；當(dāng)管道溫度T4≥10 ℃時，防凍電熱帶關(guān)閉。

注：電熱帶圖標(biāo)指示：當(dāng)防凍電熱帶啟動時圖標(biāo) 閃爍顯示，防凍電熱帶關(guān)閉時該圖標(biāo)常滅顯示。

3.4 智控系統(tǒng)設(shè)計

對于太陽能無線多點控制系統(tǒng)來說，一個主機可連接1～10個顯控分機，若連接兩個以上的顯控分機，每個顯控分機與主控器并聯(lián)連接。接線完成后，須設(shè)置顯控分機的地址碼，可設(shè)置為01、02、03……顯控分機地址碼不可重復(fù)設(shè)置。

3.4.1 顯示面板

智控系統(tǒng)顯示面板如圖4所示。

3.4.2 智能控制按鍵

面板按鍵如圖5所示，從左側(cè)起分別為設(shè)置鍵、查詢鍵、模式鍵、▼/電熱鍵、▲/上水鍵。

長按“預(yù)約/查詢”鍵5秒鐘，可依次設(shè)置定時上水時間、定時電加熱時段及溫度、定時定溫循環(huán)時段及溫度。

通過點按“▲/上水”和“▼/電熱”鍵來設(shè)定參數(shù)值，按“預(yù)約/查詢”鍵保存當(dāng)前參數(shù)值，并切換到下一參數(shù)設(shè)定狀態(tài)。若8秒內(nèi)無按鍵操作，則自動保存當(dāng)前數(shù)值[7]。

3.4.3 主控器與線控器接線端子

太陽能無線多點控制系統(tǒng)主控器接線端子如圖6所示，主控電源板與線控顯示板接線端子如圖7所示。

4 無線多點控制系統(tǒng)主要創(chuàng)新點

無線多點控制系統(tǒng)是一款專為高端別墅用戶設(shè)計的太陽能熱水控制系統(tǒng)，主要從控制技術(shù)、功能、工業(yè)設(shè)計等方面進行創(chuàng)新，創(chuàng)新點如下：

1）通過主控器+多線控器設(shè)計，實現(xiàn)多點操作，隨手控制，無須到遠(yuǎn)處操作或頻繁出入浴室，相比傳統(tǒng)單一安裝點的控制儀更加省力、省時。

2）手機遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。通過路由器實現(xiàn)手機與太陽能熱水系統(tǒng)的連接，連接后手機可直接控制太陽能熱水系統(tǒng)的運行，熱水自由掌控，演繹科技與時尚的完美結(jié)合。

3）經(jīng)過專門的工業(yè)設(shè)計，設(shè)計出精致小巧的分機線控器，屏幕采用流行的負(fù)顯白背光液晶，配置時尚觸摸式按鍵；高級別防潮防水主控器可隱蔽安裝，不破壞室內(nèi)布局及美觀。

4）智控系統(tǒng)具備溫控補水、兩次定時上水、手動上水、手動循環(huán)、手動電熱、三時段定時定溫循環(huán)等智能化功能，功能齊全，操作簡便[8]。

5）不同接口設(shè)置適用于緊湊式太陽能熱水系統(tǒng)、陽臺分體熱水系統(tǒng)、非承壓分體式熱水系統(tǒng)等，應(yīng)用范圍廣，適用性強。

5 無線多點控制系統(tǒng)主要工作模式

無線多點控制系統(tǒng)精致小巧多點操控模式齊全，操作簡便，其主要工作模式包括以下四種：

1）假日模式選擇“假日模式”后，電熱、管道循環(huán)等輸出負(fù)載關(guān)閉，太陽能高低溫保護功能啟動

2）經(jīng)濟模式選擇“經(jīng)濟模式”后，按照用戶設(shè)定的參數(shù)運行

3）節(jié)能模式選擇“節(jié)能模式”后，電加熱部分全部取消，只使用太陽能

4）舒適模式選擇“舒適模式”后，按照用戶設(shè)定的參數(shù)運行，當(dāng)水箱溫度≤水箱設(shè)置溫度-5 ℃時，電加熱啟動；當(dāng)水箱溫度≥水箱設(shè)置溫度時，電加熱關(guān)閉[9]。

6 應(yīng)用發(fā)展前景

二十大報告提出“加快發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟，促進數(shù)字經(jīng)濟與實體經(jīng)濟的深度融合，打造具有國際競爭力的數(shù)字產(chǎn)業(yè)集群”[10]。乘著政策的東風(fēng)，在太陽能智能控制方面，開發(fā)功能完善、性能優(yōu)良、使用便捷的太陽能控制系統(tǒng)可以滿足人們享受全方位熱水生活的需求。

太陽能無線多點控制技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用給人們的生活提供了方便快捷的智慧用熱水體驗。盡管行業(yè)技術(shù)不斷創(chuàng)新，取得了一定的進步，但距離人們的美好生活期盼還有一定的距離，未來還要與互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等前瞻性技術(shù)深度融合，從用戶使用、智能等多角度出發(fā)設(shè)計出更加符合用戶需求的太陽能控制產(chǎn)品。

7 結(jié) 論

太陽能無線多點控制技術(shù)的研究與實現(xiàn)，為高端別墅用戶實現(xiàn)多點操控太陽能系統(tǒng)提供了一套可靠可行的解決方案，是純凈能源與智能化便捷化的巧妙結(jié)合，它在智能家居大體系中，扮演了非常重要的角色。

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作者簡介：劉春喜（1978—），女，漢族，山東德州人，高級工程師，本科，主要研究方向：太陽能熱利用技術(shù)、智能控制技術(shù)。

收稿日期：2023-08-24

Research and Design Implementation of Solar Wireless Multipoint Control Technology

LIU Chunxi1，2

（1.Shandong Huayu University of Technology， Dezhou 253034， China; 2.Himin Solar Co.， Ltd.， Dezhou 253034， China）

Abstract： It designs a multi-point manipulation solar intelligent control system suitable for high-end villa users using solar wireless multi-point control technology， to meet the hot water usage needs of the high-end customer group of solar water heaters in the existing market. Multi-point control technology can achieve shared use and control of multiple bathrooms and kitchens. Mobile wireless remote network monitoring can achieve free control of hot water， integrating multiple functions such as temperature control water replenishment， timed water supply， constant temperature electric heating， and timed electric heating. The control system can automatically control water replenishment， fully absorb solar energy， and ensure that the temperature inside the solar water heater tank is constant， with sufficient hot water supply at all times. The solar wireless multi-point control system is fully functional， with multi-point operation， easy to operate， and convenient to use.

Keywords： multi-point control; solar; intelligent control system; nulti-point installation; temperature control water supply