周伯俊+姜平

摘 要： 家用太陽能熱水器已成為中國可再生能源市場上需求量最大、發(fā)展最為迅速的產(chǎn)品之一。目前市場上的太陽能熱水器控制系統(tǒng)大多是傳統(tǒng)的儀表控制，這種傳統(tǒng)的儀表操作模式與現(xiàn)代信息技術(shù)不相適應(yīng)。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對(duì)原有的家用太陽能熱水控制儀表進(jìn)行升級(jí)，設(shè)計(jì)一套具有遠(yuǎn)程網(wǎng)頁控制和手機(jī)短信控制功能的新型家用太陽能熱水控制系統(tǒng)。測(cè)試證明該系統(tǒng)安全穩(wěn)定、可靠性高、實(shí)時(shí)性好，具有很好的市場前景。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)； 太陽能熱水器； 遠(yuǎn)程控制； 短信控制

中圖分類號(hào)： TN915?34； TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）22?0073?02

物聯(lián)網(wǎng)作為信息網(wǎng)絡(luò)未來的趨勢(shì)和發(fā)展的一部分，已經(jīng)開始重塑世界格局和社會(huì)生活方式。在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的初期，與人頻繁互動(dòng)的就是家居系統(tǒng)。智能家居系統(tǒng)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初期最重要、最直接、最廣泛的應(yīng)用[1]。目前，智能家居已經(jīng)進(jìn)入黃金時(shí)代，用戶更希望使用的產(chǎn)品智能化，操作簡單方便。對(duì)于太陽能熱水系統(tǒng)，用戶能夠通過手機(jī)、電腦等上網(wǎng)設(shè)備，實(shí)時(shí)查詢家用熱水器的水箱水溫、水箱水位等情況，并能實(shí)現(xiàn)熱水系統(tǒng)智能上水，報(bào)警等。當(dāng)用戶使用熱水時(shí)，能立即提供合適溫度的熱水[2?5]。這樣的熱水系統(tǒng)將是未來太陽能熱水系統(tǒng)的風(fēng)標(biāo)，是人類進(jìn)入智能化時(shí)代的應(yīng)用產(chǎn)品。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前一些家用太陽能熱水器雖然能通過儀表控制加熱上水，但不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離聯(lián)網(wǎng)控制[6]。本文提出的設(shè)計(jì)方案，實(shí)際上是在物聯(lián)網(wǎng)框架下典型的M2M應(yīng)用，M2M的應(yīng)用范圍很廣泛，M既可以是機(jī)器（Machine），也可以是人（Man），又可以涉及到自然事物（水溫、水位、空氣質(zhì)量等）。M2M技術(shù)的目標(biāo)就是使所有機(jī)器設(shè)備都具備聯(lián)網(wǎng)和通信能力，其核心理念就是網(wǎng)絡(luò)一切[7]。

物聯(lián)網(wǎng)家用太陽能熱水控制系統(tǒng)由太陽能熱水器、智能控制儀表、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器及網(wǎng)頁發(fā)布等組成。如圖1所示，遠(yuǎn)程終端控制模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)成了家用太陽能熱水器的現(xiàn)場終端控制器。終端控制器通過Internet與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)相連，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)通過Internet向外發(fā)布監(jiān)控網(wǎng)頁。此外家用終端控制系統(tǒng)還可以通過GSM與用戶手機(jī)通信。用戶像給親友發(fā)送短信一樣，一條短信，便能輕松對(duì)熱水器進(jìn)行上水、加熱等控制操作。用戶還可以通過電腦上網(wǎng)，登錄服務(wù)器網(wǎng)站對(duì)熱水器進(jìn)行同樣的控制[8]。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 智能控制儀表的設(shè)計(jì)

家用太陽能熱水器智能控制儀表是在原控制儀表中嵌入物聯(lián)網(wǎng)通信模塊，其中硬件部分主要是由遠(yuǎn)程終端模塊RTU（Remote Terminal Unit）以及數(shù)據(jù)傳輸模塊DTU（Data Transfer Unit）組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

DTU是熱水器實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)控制的關(guān)鍵，由STM32F107單片機(jī)與GTM900C通信模塊組成，通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與外圍通信。不僅可以把熱水器的狀態(tài)信息傳給用戶，還可以把用戶的控制指令傳給儀表單片機(jī)執(zhí)行加熱、上水等操作。

2.2 網(wǎng)頁控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.2.1 網(wǎng)頁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)要求以及對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控模式的過程分析，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)家用太陽能熱水控制系統(tǒng)采用Web技術(shù)的B/S結(jié)構(gòu)。如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要被劃分為3層：應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層。

圖3 網(wǎng)頁監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)通信

多個(gè)家用太陽能熱水器DTU終端與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間的通信屬于C/S模式，DTU終端相當(dāng)于Client，遠(yuǎn)程服務(wù)器就是Server，它們是通過套接字進(jìn)行通信的[9]。本文通過對(duì)VB中Winsock控件編程，很好地實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器和客戶端之間的數(shù)據(jù)交換。當(dāng)DTU中的SIM卡聯(lián)網(wǎng)成功后，就根據(jù)表1定時(shí)上傳熱水器的狀態(tài)信息給服務(wù)器。服務(wù)器可以按照表2格式向DTU發(fā)送控制命令。

考慮到GPRS流量的限制和網(wǎng)絡(luò)擁塞等問題，本課題把GPRS數(shù)據(jù)傳輸分為兩種模式，即熱線模式和非熱線模式。所謂熱線就是DTU每5 s向服務(wù)器發(fā)一次數(shù)據(jù)，非熱線模式就是DTU每20 s向服務(wù)器發(fā)一次數(shù)據(jù)。為了防止DTU長時(shí)間不通信與服務(wù)器掉線，DTU每隔40 s向服務(wù)器發(fā)送一次心跳數(shù)據(jù)包，心跳數(shù)據(jù)為DTU的出廠設(shè)備編號(hào)。每臺(tái)智能控制儀表都被標(biāo)貼了惟一的出廠設(shè)備編號(hào)，方便區(qū)分[10]。

2.2.3 網(wǎng)頁界面設(shè)計(jì)

本文選用Dreamweaver作為網(wǎng)頁開發(fā)軟件，采用Ajax技術(shù)實(shí)時(shí)刷新網(wǎng)頁數(shù)據(jù)。為了方便讓用戶能夠在互聯(lián)網(wǎng)客戶端對(duì)自家的太陽能熱水器進(jìn)行監(jiān)控，設(shè)計(jì)了物聯(lián)網(wǎng)太陽能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)登錄界面、太陽能熱水器工作界面、用戶信息修改界面等。其主界面如圖4所示。

3 結(jié) 語

本文將先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于家用太陽能熱水控制系統(tǒng)中，充分利用現(xiàn)代化的智能工具（手機(jī)、電腦等聯(lián)網(wǎng)設(shè)備），實(shí)現(xiàn)對(duì)家用太陽能熱水器的智能化控制，不僅改變家用太陽能熱水器的控制方式，給家用太陽能熱水器行業(yè)注入了新的活力，而且為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居行業(yè)的應(yīng)用起到了示范作用。

注：本文通信作者為姜平。

參考文獻(xiàn)

[1] 張永剛，王斌.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居中的應(yīng)用[J].智能建筑與城市信息，2012（2）：27?30.

[2] 李霞，銀宇楠.太陽能儀表產(chǎn)品需求調(diào)研分析[J].藝術(shù)品鑒，2015（1）：331?332.

[3] 艾浩軍，單志廣，張定安，等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[4] 王運(yùn)啟.太陽能市場在曲折中前進(jìn)[N].中國建設(shè)報(bào)，2013?02?18（007）.

[5] 劉國鈺.太陽能熱水器的檢測(cè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科技致富向?qū)В?012（35）：144?145.

[6] 賴曉勇，姜周曙，黃國輝，等.多模式多策略太陽能熱水控制器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（24）：150?153.

[7] 高同，朱佳佳，羅圣美，等.M2M功能架構(gòu)與安全研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012（1）：250?253.

[8] 鞏權(quán)慶，姜平，宋燕平，等.基于GPRS/SMS的溫度監(jiān)控終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（8）：93?96.

[9] 姜菊媛，周麗麗.關(guān)于WINSOCK網(wǎng)絡(luò)編程的分析和應(yīng)用[J].科技信息，2013（4）：309?310.

[10] 陳瑞祥，姜平，王亞芳，等.基于GSM/GPRS的家用太陽能熱水器遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].南通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，12（3）：34?38.