基于單片機的電熱水器熱水預測與控制系統

陳慶明 廖鴻飛

（中山火炬職業技術學院 中山 528436）

引言

在全球號召“節能、環保”，走可持續性發展道路時代背景下，十八大報告指出“把生態文明建設放在突出地位，走集約、智能、綠色、低碳的新型城鎮化道路”。2021 年我國提出，力爭2030 年前實現碳達峰，2060 年前實現碳中和。

儲水式電熱水器作為最常用的家用熱水供應的設備之一，其原理是先把電能以熱水形式儲存起來，使用時再把熱水放出。目前大多數儲水式熱水器采用人為預估的方式，用戶儲存熱水前先預估所需的熱水量或者熱水溫度，然后通過設置太陽能熱水器或電熱水器加熱以實現供應預估的熱水。預估的準確性往往與預估人的知識經驗息息相關，一般使用者對于熱水器的機理、參數等認識不深，因此，就會造成用戶預判和控制熱水偏差較大。

滿足用戶用熱水舒適性需求同時實現節能減排是目前儲水式熱水器急需解決問題之一，智能化控制是解決舒適性和節能節省的的重要而有效的措施之一。基于用戶用水預測的電熱水器智能控制系統通過學習歷史用戶的熱水用水習慣和規律，進而按需供應熱水，不僅可以滿足用戶熱水使用需求的舒適性，同時有利于節省成本，是用戶最優供水方案和智能控制方案的參考。

目前很多儲水式電熱水器的熱水用量預測算法都較為復雜，主要依靠云端算力建立熱水用量預測模型并根據模型預測未來熱水需求量[1-4]。但目前很多家庭沒有覆蓋穩定WiFi 或者家電聯網還沒有完全普及或穩定的情況下，智能算法和控制實際上名存實亡，基于電熱水器本機控制器的智能識別和控制還需進一步研究和開發。本文根據儲水式電熱水器加熱熱水的需求，基于離線的單片機提出學習用戶用水習慣并預測未來時間的用水需求量，并相應的控制電熱水器加熱，得到滿足用戶使用需求的熱水。

1 控制系統整體設計

基于熱水使用預測的電熱水器控制系統主要由儲水式電熱水器歷史用水數據、熱水預測系統、加熱控制、加熱執行、用戶用熱水檢測裝置等部分組成。其中，熱水預測系統是根據用戶過去的用水記錄以及最新的用水檢測預測下一個用水點及用水量；加熱控制器主要是電熱水器電路板及其器件，是根據預測的用水點和用水量以及電熱水器本身的加熱特性得到的加熱控制量；加熱執行器主要是加熱棒，是根據控制器的控制來給內膽的冷水加熱，如圖1 所示。

圖1 電熱水器熱水預測-控制系統

2 硬件設計

2.1 基于單片機的預測-控制硬件

基于單片機的熱水預測-控制系統的硬件主要包括具有一定計算和數據存儲能力的單片機最小系統、采集溫度和流量的傳感器、顯示器、控制加熱的繼電器等，如圖2 所示。

圖2 儲水式電熱水器硬件結構及主要器件

2.2 單片機設計

本文采用的性價比較高的STM8 單片機，相比于同類的8 位單片機，STM8 具有較高的計算能力和較大的存儲空間，以STM8S207C8T6 為例，芯片內部的程序存儲容量為64 KB，內部的EEPROM 容量為1.5 K×8，可以滿足一定需求的程序運算和用戶用水數據保存，如圖3所示。

圖3 STM8 單片機的最小系統

2.3 傳感器設計

傳感器包括溫度傳感器和流量傳感器，檢測電路如圖4，溫度傳感器選用NTC，主要用于檢測內膽水溫以及用戶用水水溫，檢測內膽水溫反饋給單片機用于溫度控制，流量傳感器選用霍爾流量傳感器，聯合檢測用戶用水溫度和用水流量主要用于記錄用戶習慣用熱水的量，處理方法為式（1）。單位時間內記錄的是Q記錄升的熱水用量，隨著用水時間累積，熱水用量也相應累計。

圖4 溫度和流量傳感器檢測電路

式中：

T熱水—儲水式電熱水器熱水出口檢測的熱水溫度值，單位℃；

T進水—排水過程中進電熱水器內膽的冷水溫度，單位℃；

T出水—根據標準[5-6]的放水形式的放水溫度，單位℃；

q—進儲水式電熱水器的流量，也即熱水流出的流量，單位L/min；

t—單位時間，單位min；

Q記錄—單位時間內使用溫度熱水的量，單位L。

2.4 控制執行器

單片機控制電熱水器加熱的器件主要是繼電器，當需要加熱時，單片機控制繼電器導通，使得加熱棒聯通220 V 市電；不需要加熱時，單片機控制繼電器關斷，使得加熱棒與220 V 市電斷開，如圖5 所示。

圖5 繼電器控制電路

2.5 顯示設計

根據電熱水器的顯示需求，選擇數碼管作為溫度顯示，并且可以增加LED指示不同的工作狀態，如圖6所示。

圖6 數碼管控制電路

3 軟件設計

3.1 熱水預測系統

目前根據用戶歷史數據預測未來的熱水用量的方法主要有最小二乘法、BP 神經網絡算法等，這些方法能夠較好的預測未來的熱水用量，但也忽略了用戶用水的時序性，如忽略用戶用水具有習慣性也有季節性的變化。

本設計熱水預測系統的用水數據是根據時間變化而記錄的熱水用量，每小時記錄一次電熱水器的熱水用量形成時間序列，即一天有24 個時序點。熱水預測系統根據過去若干時序點的用水數據預測未來一個時序點。

考慮到單片機的計算能力有限，在單片機上采用算法較為簡單的最小二乘法來識別時間序列的周期，并且根據用戶用水的習慣周期預測未來的用戶用水量并相應供應熱水。具體上，是根據最新的時間點，更新單片機內部的用戶用水時序點，如果出現熱水使用情況，那么對應時序點上記錄對應的熱水用量；如果該時序點沒有熱水使用，那么對應時序點上記錄為0。然后，根據最新的熱水用水的時序數據，依次假設周期為1、2…T 天，然后計算誤差，當周期為T 天時，預測誤差為式（2）。

式中：

Xi—序列號為i 的用水量數據，單位為L；

T—周期，單位為天；

N—計算值，滿足最大值24T+N ≤nmax，nmax為數據存儲系統的最大時序。

這樣，就把單片機控制系統中所有的時序點的按照周期為T 天計算平均誤差。依次計算完周期為1、2…T天的平均誤差，比較那個周期的的平均誤差最小，誤差最小的周期確定為該用戶用水時序的本身周期T0 天；然后根據當前時序點n 對應的n-T0*24 時序點的用水量為當前一個小時內的用水量預測值Q 升；根據該預測值開展熱水加熱控制，如圖7 所示。

圖7 基于單片機的熱水預測程序流程

3.2 溫度控制系統

當熱水需求量為Q 升時，根據標準[5,6]的熱水輸出率公式，存在關系為：

式中：

T—儲水式電熱水器的內膽溫度目標值，單位℃；

T進水—排水過程中進電熱水器內膽的冷水溫度，單位℃；

T出水—根據標準[5-6]的放水形式的放水溫度，單位℃；

V—儲水式電熱水器的內膽體積，單位L；

Q—預測的時間內熱水需求量，單位L。

即供應Q 升熱水時，需要控制電熱水器加熱到T 溫度。這樣如圖1 的控制框圖，控制電熱水器加熱棒給內膽冷水加熱，并且不斷的采集內膽水溫，直到內膽水溫達到要求的T ℃。

4 系統的仿真與制作

基于單片機的電熱水器預測-控制系統具有易實現、成本低、離線運行的優點，對儲水式電熱水器的用戶熱水量預測并控制能夠較容易并且較好的實現。系統的設計與仿真可以在Proteus 平臺上實現，在仿真平臺中不僅可以仿真單片機的運行，而且能仿真單片機內部的程序，在仿真中調試用戶用水量預測算法及控制程序。

程序仿真完成以后根據上述的硬件設計的原理圖繪制PCB 板，將原理圖以PCB 形式布局，PCB 板顯示圖如圖8 所示。完成PCB 設計后打樣調試硬件，然后變成軟件程序，調試系統的預測算法和熱水控制程序，直到完成系統的設計和制作。

圖8 基于單片機的預測控制電路PCB 圖

5 結論與展望

本文主要針對儲水式電熱水器按需提前加熱熱水的需求進行設計，設計主要是根據用戶用書習慣數據預測當前及未來的用水需求，根據用水需求再控制儲水式電熱水器加熱內膽儲水到目標溫度。考慮產品的成本及其實現，設計方案采用以STM8 單片機為核心，分別利用流量傳感器與溫度傳感器對用戶用水進行采集，并每小時按時序記錄在單片機內部存儲空間內；記錄時序數據用于當前和未來某個時間內的用水量預測，根據預測值按需供水。本文所提供的基于單片機的熱水用量的預測及控制方案為儲水式電熱水器智能控制提供借鑒。