基于無線傳感器的太陽能熱水器水溫水位無線監測系統設計

李巖巖，李敬兆

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南232001）

0 引 言

隨著人們生活質量的提高，太陽能熱水器的使用也越來越普遍，給人們的生活帶來了很大的方便，在節能減排方面也做出了突出的貢獻。由于太陽能熱水器通常架在樓房的屋頂上，所以要想知道太陽能熱水器里的水溫和水位是很困難的，同時現代家居都采用暗線布線方式，維護起來非常麻煩。為解決這一問題，無線監測太陽能熱水器水位水溫的研究設計具有較高的市場應用價值。

本文在這方面進行了詳細的研究，整個監測系統分為發送端和接收端兩部分，發送端放置在太陽能熱水器水箱內，采用水位傳感器和溫度傳感器采集太陽能水箱內部的水位值和溫度值，送到單片機內處理后，通過SPI口把數據送到無線發送模塊上發送出去；接收端安裝在用戶家里任一方便的位置，接收端的接收模塊接收到數據后，送入單片機內部處理，再通過并口送到LCD12864上顯示出來。

1 系統總體方案設計和工作原理

太陽能熱水器水溫水位檢測的數據傳輸有兩種方案可供選擇，一種是通過線纜把采集的數據傳輸給單片機，但如果檢測部分或線纜損壞，那后期的維護維修將會十分麻煩。另一種方案是通過無線方式把數據傳輸給單片機，這種方案的優點對于后期的維護維修是比較方便，只需要重新更換發送部分電路模塊即可。目前的單片機成本非常低，本文采用無線方式傳輸數據監測太陽能水溫水位。

整個監測系統的硬件設計分為數據采集并發送電路模塊設計和數據接收并顯示電路模塊設計，系統整體框圖如圖1和圖2所示。數據采集端電路模塊包括電源供電模塊、水位傳感器和溫度傳感器數據采集模塊、單片機處理數據模塊、無線發送模塊。接收數據端電路模塊包括電源供電模塊、無線接收模塊、單片機處理數據模塊和液晶顯示模塊。

2 系統硬件模塊設計

2.1 數據采集端硬件模塊設計

圖1 水溫水位數據采集端框圖

圖2 接收數據端框圖

數據采集端主要任務是負責采集太陽能熱水器內水溫水位值，并將數據通過NRF24L01無線模塊發送出去。數據采集端采用模塊化設計，主要包括：

（1）電源模塊：電源供電部分提供5 V和3.3 V兩種電源。在數據采集端，5 V提供給水位傳感、數字溫度傳感和模擬比較器，3.3 V提供給AVR單片機和NRF24L01無線模塊。

（2）微控制器模塊：負責處理溫度傳感器和水位傳感器采集的數據，并將數據無線發送出去。本文采用ATMEL公司的低功耗、成本低的ATmega 16單片機。

（3）傳感器模塊：負責采集太陽能熱水器內部水溫和水位值。本文采用數字溫度傳感器DS18B20，通過單總線與單片機進行數據通信，大大簡化硬件電路設計。水位傳感器是測量兩個金屬片水電阻的電壓值，再通過比較器轉化成數字信號，電路原理圖如圖3所示。

圖3 水位傳感器電路硬件原理圖

（4）無線通信模塊：負責將傳感器采集到的數據發送出去。本文采用NRF24L01無線通信模塊，工業上采用2.4 GHz的ISM免費頻段，具有功耗低、成本低、體積小等優點。它與單片機之間通過SPI總線協議通信，電路硬件原理圖如圖4所示。

圖4 無線通信模塊硬件接口電路

2.2 數據接收端硬件模塊設計

數據接收端主要負責將接收到的數據在LCD液晶屏上顯示出來，以方便用戶直觀看到太陽能熱水器水箱內水溫水位值。主要包括以下模塊：

（1）電源模塊：5 V提供給液晶顯示屏LCD12864，

3.3 V提供給AVR單片機和NRF24L01無線模塊。

（2）微處理器模塊：主要負責將接收到的數據送入液晶顯示屏上。若沒有數據，單片機將處于睡眠模式，以節約電能，增加電池使用壽命。接收端仍然采用ATmega16單片機。

（3）液晶顯示模塊：負責將水溫水位值直觀顯示出來，方便用戶查看。本文采用LCD12864液晶屏，它具有自帶漢字字庫，操作方便等優點。

（4）無線通信模塊：負責接收發送端發送來的數據并送入單片機中。接收端仍然采用NRF24L01無線通信模塊。

3 系統程序流程圖設計

程序設計采用模塊化設計，分為數據采集發送模塊程序設計和數據接收顯示模塊程序設計。

3.1 數據采集發送數據模塊程序設計

發送端的主要任務是采集太陽能熱水器內部水溫和水位值，水溫的檢測采用DS18B20數字溫度傳感器；水位檢測采用水位傳感器，它分為五個檔位：空、低、中、高、滿。發送端單片機負責定時讀取水溫和水位值，通過SPI口把讀取的數據發送到無線模塊NRF24L01里，再無線發送出去。發送端程序流程圖如圖5所示。

3.2 數據接收顯示程序設計

接收端的主要任務通過NRF24L01無線模塊接收發送端發送的水溫水位數據，送入單片機中處理后，再把水溫值和水位量在LCD12864液晶屏上動態實時顯示出來。水位量分為五個檔位：空、低、中、高、滿。若接收端不能接收到發送端的數據，就顯示“通信失敗”，并發警報信號。接收端程序流程圖如圖6所示。

圖5 發送端采集發送數據程序流程圖

圖6 接收端接收顯示數據程序流程圖

4 結束語

制作好硬件電路，編寫的程序經調試并下載到電路板中運行，液晶屏能夠動態實時顯示太陽能熱水器的水溫水位值，實現了無線監測太陽能水箱內水溫和水位的功能。在軟件設計中，使得接收端的單片機在沒有數據接收時處于睡眠狀態，節約電能，使得電池使用壽命更長。因此本文設計的系統對太陽能熱水器水溫水位監測具有一定的參考意義和應用價值。

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