唐永杰　涂曄　劉雅莉　和麗芳　周潤　劉煉鑄

摘要：以 STM32F107為物聯(lián)網(wǎng)控制模組主控單元，基于機(jī)智云平臺，用物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)對家用太陽能熱水器進(jìn)行改進(jìn)，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)完成對家中太陽能熱水器的遠(yuǎn)程控制和實(shí)時(shí)檢測。該系統(tǒng)的控制芯片是 STM32F107，XB724中繼放大器Wi-Fi模塊為通信模塊，結(jié)合其它硬件電路與設(shè)計(jì)完成對太陽能熱水器的遠(yuǎn)程控制。實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠通過手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、加熱、上水、定時(shí)等功能。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù);機(jī)智云平臺;遠(yuǎn)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(jī)智的開發(fā)和利用，非常符合當(dāng)下的綠色可持續(xù)發(fā)展理念。對熱水器的不斷改善創(chuàng)新，能大大提高我們的生活質(zhì)量。因此，我們對以往的熱水器進(jìn)行了改進(jìn)創(chuàng)新。通過利用物聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)、溫度傳感器原理、嵌入式單片機(jī)等將其提升為智能遠(yuǎn)程熱水器。這類熱水器可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控?zé)崴鞯臏囟?、水量，隨時(shí)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(dān)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(zhì)。

1? 整體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)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(jī)智云服務(wù)平臺和手機(jī)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(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理與顯示。然后，通過 Wi-Fi無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳送給基于機(jī)智云平臺開發(fā)的手機(jī)APP界面來顯示，用戶可通過手機(jī)APP設(shè)定理想水溫和水位。系統(tǒng)還加入了定時(shí)功能，用戶也可以通過此功能選擇任意時(shí)間加熱和上水，方便快捷，具體如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)優(yōu)化了傳感器的選取，同時(shí)與機(jī)智云平臺相結(jié)合，有針對性地解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中的不足，使用戶能夠隨時(shí)隨地查看熱水器狀態(tài)且對熱水器進(jìn)行操控，滿足了用戶需求，節(jié)約了更多能源，改善了用戶體驗(yàn)。

2? 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1? 溫度傳感器模塊

本系統(tǒng)需要測量太陽能熱水器中的水溫，范圍為0～100℃，經(jīng)過綜合對比，選擇DS18B20作為系統(tǒng)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℃?，F(xiàn)場溫度的數(shù)字傳輸方式為“一線總線”，系統(tǒng)的抗干擾性能力得到了極大能力的提高。使用時(shí)需將DS18B20置于太陽能水箱的底部，以保證當(dāng)太陽能水箱內(nèi)水位過低時(shí)，也能夠?qū)崟r(shí)檢測水箱內(nèi)水的溫度。

2.2? 水位傳感器模塊

該系統(tǒng)為光電式水位傳感器。其可上置、下置、側(cè)置、斜向安裝，防水等級達(dá)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(wěn)定性強(qiáng)，可靠性高。應(yīng)用環(huán)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(wèi)生。

2.3? 控溫模塊和上水模塊

本系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)外部設(shè)備控制的主要手段是繼電器，因此繼電器的有效控制是執(zhí)行器模塊安全穩(wěn)定運(yùn)行的保證。繼電器種類繁多，本系統(tǒng)經(jīng)過對加熱棒和電磁水閥的功率進(jìn)行分析，選擇了HRS4H-S-DC12V型繼電器。圖2為該型號繼電器的驅(qū)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(shí)現(xiàn)上水和加熱兩個(gè)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(gè)I/O口，執(zhí)行器為電磁水閥。當(dāng)需要打開上水開關(guān)時(shí)，控制器使該I/O口輸出高電平信號，此時(shí)MC1413輸入引腳1腳為高電平，輸出引腳16腳為低電平，此時(shí)繼電器K3通電吸合，使得繼電器輸出側(cè)1A和1B導(dǎo)通，輸出回路中電磁水閥通電工作，系統(tǒng)開始對水箱上水，同時(shí)對應(yīng)的指示燈發(fā)光。當(dāng)上水到指定值時(shí)，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(jié)束。

加熱控制電路與上水控制電路相同，僅僅是執(zhí)行器由電磁水閥換成了電加熱棒。此外，使用到的繼電器驅(qū)動電路原理圖也與上水控制相同，兩個(gè)繼電器都選擇了MC1413進(jìn)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(qiáng)其驅(qū)動能力，可以在這時(shí)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(dāng)接入220V交流電時(shí)開關(guān)開啟，水流通過，斷電時(shí)開關(guān)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(jīng)久耐用、防腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，所選繼電器輸出側(cè)最高可承受2500W，該加熱棒正常工作時(shí)的功率為1000W，在繼電器可承受的功率范圍內(nèi)，滿足系統(tǒng)要求。

2.4? Wi-Fi無線通訊模塊設(shè)計(jì)

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(jìn)行串口通信。選用平臺為機(jī)智云平臺，機(jī)智云擁有大量的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，其所提供的GAgent通信協(xié)議能與模塊發(fā)生交互以進(jìn)行數(shù)據(jù)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(shí)通過機(jī)智云的手機(jī)APP與ESP8266進(jìn)行云端的數(shù)據(jù)交換傳輸，從而完成對系統(tǒng)的控制。并且將其中的通信內(nèi)容存儲到云平臺的開發(fā)者中心。

3? 智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的構(gòu)建

3.1? 物聯(lián)網(wǎng)的采用

關(guān)于智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，我們選擇采用當(dāng)下最新的物聯(lián)網(wǎng)。

我們?yōu)槭裁匆捎梦锫?lián)網(wǎng)呢？主要有以下原因：

高效的資源利用：如果了解每個(gè)設(shè)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(jiān)控自然資源。

（2）最大限度的減少人力：當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相互交互并相互通信并完成大量任務(wù)時(shí)，它們可以最大限度的減少人力。

（3）充分利用時(shí)間：因?yàn)楣?jié)省了很多人力精力，所以提高了效率，節(jié)省了時(shí)間，而物聯(lián)網(wǎng)平臺節(jié)省的主要因素是時(shí)間。

（4）增強(qiáng)數(shù)據(jù)收集：建立網(wǎng)絡(luò)并且收集相關(guān)數(shù)據(jù)，提高安全性。現(xiàn)在，如果系統(tǒng)能夠?qū)⑦@些內(nèi)容相互連接，那么就可以使系統(tǒng)更安全，更高效。

那么針對我們的熱水器，我們要實(shí)現(xiàn)整個(gè)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)必須具備無線網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)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(jī)等。無線網(wǎng)采用Zigbee無線通信技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)通信采用以太網(wǎng)+中繼器，使其覆蓋范圍更廣。

3.2? 手機(jī)APP的巧妙運(yùn)用

手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制智能系統(tǒng)技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和控制技術(shù)完美結(jié)合，是當(dāng)下的高科技技術(shù)發(fā)明之一。信息技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的高速發(fā)展。遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)主要分為兩大部分，即遠(yuǎn)程控制和遠(yuǎn)程監(jiān)測。遠(yuǎn)程控制是利用無線控制遠(yuǎn)端設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，而遠(yuǎn)程監(jiān)測的意思是通過網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程獲取被監(jiān)控對象的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息。一個(gè)完整的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)一般由三個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，現(xiàn)場監(jiān)控端系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控端系統(tǒng)和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。這三個(gè)子系統(tǒng)各司其職，共同完成對遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)控。

3.3? 智能遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)

利用遠(yuǎn)程控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對太陽能熱水器的智能控制，涉及到的技術(shù)如下：

（1）組網(wǎng)技術(shù)

在智能設(shè)備遠(yuǎn)程控制中，組網(wǎng)技術(shù)是至關(guān)重要的一個(gè)部分，此次以無線組網(wǎng)方式為核心，因?yàn)橥饨绛h(huán)境對無線組網(wǎng)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(diǎn)參加組網(wǎng)的模塊可以存在，各類關(guān)系能夠通過組網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)定。

WiFi技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)在歷史長河的發(fā)展中已經(jīng)較為穩(wěn)定。

（2）WiFi技術(shù)

WiFi技術(shù)傳輸速度較快，在通信技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，也是此次設(shè)計(jì)的太陽能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的核心技術(shù)，在室外最遠(yuǎn)可傳播300米。

（3）藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)中的近距離無線通信技術(shù)，是使用較為廣泛的一項(xiàng)技術(shù)，同時(shí)也屬于點(diǎn)對點(diǎn)技術(shù)，此次設(shè)計(jì)的太陽能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)在短距離內(nèi)可以使用該技術(shù)。

（4）傳感器終端技術(shù)

該系統(tǒng)主要使用的是溫度傳感器，位于系統(tǒng)的最前端，負(fù)責(zé)采集各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對熱水器水溫的調(diào)節(jié)控制。

（5）遠(yuǎn)程管理技術(shù)

遠(yuǎn)程管理技術(shù)通過嵌入式物聯(lián)網(wǎng)通信服務(wù)器，用戶可以登錄APP對熱水器進(jìn)行查看和管理。該技術(shù)主要為了在發(fā)射信號范圍內(nèi)對熱水器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

技術(shù)設(shè)計(jì)路線如圖3所示：

以上總技術(shù)設(shè)計(jì)路線圖可細(xì)化為如圖4所示的遠(yuǎn)程通信控制模塊與如圖5所示的數(shù)據(jù)采集調(diào)節(jié)分析模塊。

熱水器的DTU部分很重要，能否實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)調(diào)控主要靠它。DTU由兩個(gè)部分組成，一個(gè)是STM32F107單片機(jī)，另一個(gè)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(jī)，指令到達(dá)單片機(jī)之后執(zhí)行加水、加熱等一系列操作實(shí)現(xiàn)用戶的需求，還可以把熱水器的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息傳給用戶。

4? 結(jié)束語

相對于目前商場上各種各樣的太陽能熱水器控制設(shè)備，智能遠(yuǎn)程控制太陽能熱水器控制系統(tǒng)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(jī)APP可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控、溫度設(shè)置以及參數(shù)調(diào)整等功能。該設(shè)備具有很好的發(fā)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(xué)生，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)，自動控制等。

基金項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：202011390013;云南省地方本科高校（部分）基礎(chǔ)研究聯(lián)合專項(xiàng)，項(xiàng)目編號：2019FH001（-111）;云南省地方本科高校（部分）基礎(chǔ)研究聯(lián)合專項(xiàng)，項(xiàng)目編號：2019FH001（-094）;云南省教育廳項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：2020J0648。