熱水器遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳培才 施文振 田敬北 賴宇虹??

摘 要： 設(shè)計(jì)了一種熱水器遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助機(jī)智云自助開發(fā)平臺(tái)，通過(guò)ESP8266wifi模塊將控制器接入云端。控制系統(tǒng)選用STM32F103ZET6 MCU作為主控芯片，ESP8266wifi模塊作為通信接口，固態(tài)繼電器控制加熱器和抽水機(jī)的開關(guān)。用戶可通過(guò)室內(nèi)控制器和手機(jī)APP雙向控制系統(tǒng)的水溫水位。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)具有安全可靠、操作簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的實(shí)用性與廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：機(jī)智云；ESP8266wifi模塊；雙向控制

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)逐漸成為生活智能化的主題之一。傳統(tǒng)家電都在向智能化方向發(fā)展，電熱水器也不例外。過(guò)去遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)分為兩大類：一是 GSM 網(wǎng)絡(luò)；二是 CDMA 網(wǎng)絡(luò)，但二者的資費(fèi)太高，不能長(zhǎng)期使用，并沒(méi)有得到很好的普及。隨著互聯(lián)網(wǎng)及智能手機(jī)的高速發(fā)展，把智能手機(jī)作為移動(dòng)終端，將其應(yīng)用于傳統(tǒng)電熱水器，借助機(jī)智云開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套熱水器遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)具有安裝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉、手機(jī)APP和室內(nèi)控制器實(shí)時(shí)雙向監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，且使用了開放的Android平臺(tái)，使得系統(tǒng)的功能擴(kuò)展和產(chǎn)品升級(jí)十分方便。

1 系統(tǒng)的總體方案

熱水器遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)采用室內(nèi)控制和手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制雙向控制模式，系統(tǒng)整體框架圖如下圖

系統(tǒng)主要由溫度傳感器、水位傳感器、室內(nèi)控制器、云端、手機(jī)APP和加熱及抽水系統(tǒng)五個(gè)部分組成。室內(nèi)控制器和手機(jī)APP作為客戶端，接收來(lái)自用戶的各種控制命令，經(jīng)過(guò)加工處理后通過(guò)WIFI網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給云端，并實(shí)時(shí)反饋執(zhí)行情況，顯示系統(tǒng)水溫水位信息和熱水器加熱、抽水的開關(guān)狀態(tài)。服務(wù)器由ESP8266wifi模塊及其控制器構(gòu)成，利用大覆蓋、高可靠性、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與客戶端握手和數(shù)據(jù)互傳；控制器與服務(wù)器端共用一個(gè)MCU，將接收到的用戶指令轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂泼睿巡杉降乃疁厮粩?shù)據(jù)通過(guò)室內(nèi)控制器和手機(jī)APP 直觀、友好地顯示給用戶，并等待用戶的下一步指令，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框主要由溫度傳感器、水位傳感器、室內(nèi)控制器和ESP8266wifi模塊四個(gè)部分組成。

（1）溫度傳感器：本系統(tǒng)采用具有負(fù)溫度系數(shù)、高靈敏度、高精度特點(diǎn)的NTC防水型熱敏電阻作為溫度傳感器。熱敏電阻通過(guò)串聯(lián)一個(gè)已知的電阻，通過(guò)分壓比確定熱敏電阻的阻值，再通過(guò)熱敏電阻計(jì)算公式可轉(zhuǎn)換出相對(duì)應(yīng)的溫度。

（2）水位傳感器：本系統(tǒng)采用防水型US100超聲波測(cè)距模塊作為水位傳感器。該模塊可實(shí)現(xiàn)2cm4.5m的非接觸測(cè)距功能，功耗低，自帶溫度校正，同時(shí)具有GPIO，串口等多種通信方式。內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠。

（3）室內(nèi)控制器：主要由2.4寸LCD液晶屏，5個(gè)功能按鍵組成。

（4）ESP8266WiFi模塊：是一款超低功耗的UARTWIFI透?jìng)髂K，專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶的物理設(shè)備連接到WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上，進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)采集，控制器與云端數(shù)據(jù)互傳和人機(jī)交互三部分，其中人機(jī)交互根據(jù)功能而設(shè)置的，就不在此說(shuō)明。數(shù)據(jù)采集部分的主要工作過(guò)程為：首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，溫度采集采用STM32F103ZET6自帶的12位ADC，測(cè)出其模擬電壓值，經(jīng)過(guò)一系列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，得出相應(yīng)溫度值，再經(jīng)中值，均值濾波得出較穩(wěn)定的溫度值。水位采集，使用STM32F103ZET6的UARST3接收US100超聲波測(cè)距模塊串口發(fā)送出來(lái)的距離值，再經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)據(jù)處理和均值濾波即可得出較準(zhǔn)確的水位值。

控制器與云端數(shù)據(jù)互傳主要通過(guò)機(jī)智云自助開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)屬于自己的產(chǎn)品，根據(jù)需求設(shè)置相關(guān)數(shù)據(jù)點(diǎn)，再通過(guò)MCU開發(fā)，選擇合適的開發(fā)方案和硬件平臺(tái)，然后自動(dòng)生成代碼，最后把代碼移植到系統(tǒng)程序中即可。

4 試驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了調(diào)試和試驗(yàn)，對(duì)水箱中的水位水溫進(jìn)行控制。試驗(yàn)表明，無(wú)論是在室內(nèi)控制器或手機(jī)APP均可實(shí)時(shí)雙向監(jiān)控系統(tǒng)水箱內(nèi)的水位水溫。水溫水位控制準(zhǔn)確，水溫誤差在+1攝氏度內(nèi)，水位誤差在+1cm內(nèi)。符合家用熱水器的精度要求。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)是借助了機(jī)智云開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)的一套熱水器遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)，具有實(shí)時(shí)雙向監(jiān)控，成本低的特點(diǎn)。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)方案可行，電路安全、可靠，控制精度滿足要求。系統(tǒng)穩(wěn)定性高。同時(shí)系統(tǒng)的可拓展性大，如可對(duì)多個(gè)家電同時(shí)進(jìn)行監(jiān)控或更多功能模式，這些都有待進(jìn)一步研究和討論。

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