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孙浩文
(陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300) 摘 要：目前，科学技术对人们生活水平的影响下，智能家居逐渐被人们所接受，许多科技企业也不断进入智能家居的领域，逐
渐形成了智能家居开放平台。与此同时，太阳能等低碳环保能源受到关注。太阳能热水器被广泛推广。针对目前市场上太阳能热水器功能单一、操作复杂的现状，本文基于网络环境、物联网技术、网络通信技术等，设计了新型的太阳能热水器远程控制系统，在实际应用中具有一定的推广价值。
关键词：太阳能热水器；远程控制；设计分析
中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1003-7241(2018)11-0146-05
橡胶还原剂
Design and Research of Remote Intelligent Control System
for Solar Water Heater in Network Environment
SUN Hao-wen
( Shaanxi Institute of Technology, Xi’an 710300 China )
Abstract: At present, under the influence of science and technology on people’s living standard, smart home is gradually accepted by
people. Many scientific and technological enterprises are also entering the field of smart home, which has gradually formed the open platform of smart home. At the same time, low carbon and environmental protection energy such as solar energy has attracted much attention. Solar water heaters are widely popularized. In view of the current situation of single function and complex operation of solar water heater on the market, this paper designs a new remote control system for solar water heater based on network environment, Internet of things technology and network communication technology. It has a certain popularization value in practical application.
Key words: solar water heater; remote control; design analysis
收稿日期:2018-03-30
1 引言
在节能环保被人们所认可的今天，可再生能源与清洁能源已经成为人们密切关注的话题。本文主要研究高性能的太阳能热水器控制装置，实现了自动化功能，人性化设计，使用方便。该设计绿环保，符合国家低碳经济，有可持续发展性[1]。
2 太阳能热水器控制器国内外研究现状
太阳能热水器是当今时代环保和节能的产品之一，受到各国的追捧，对太阳能热水器的开发和产业的发展做出规划，从而促进发展。如美国的“百万太阳能屋顶计划”的实施带动了大批相关工业的发展。以列是
一个化石能源资源较少而太阳能资源较丰富的国家，政府直接干预了太阳能热水器的开发和利用。韩国、东南亚等各国也制定了支持开发利用太阳能热水器的优惠政策，不断吸收外资运用到开办太阳能企业上来。
我国近几年来太阳能热水器的研发迅猛发展，我国在20世纪70年代后期对家用太阳能热水器进行开发。到20世纪90年代，太阳能热水器便可以为家庭、机关、医院等提供所需热水。目前，太阳能热水器是可再生能源技术领域商业化程度较高，推广应用价值较普遍的技术之一[2]。
目前，太阳能热水器已经随处可见，普通常见的太阳能热水器控制器有机械和电子两种，存在着一些不足:
2.1 功能单一
操作比较复杂，只具备查看水温和手动上水的功能,
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增大药剂需要人工就近操作，遇到日照时间较短的季节，依靠太阳能无法将水温上升到所需要求。
2.2 安装不便
控制器的主体在房间内，而传感器在太阳能热水器处，二者之间需要长线进行连接，很难适应复杂的家具环境，给安装方面带来很烦。
2.3 只能进行本地控制
只能进行本地控制，不具备远程控制的功能，不能够满足人们实时查看与控制的需求。
3 太阳能热水器远程控制系统相关技
术分析
3.1 组网技术
组网技术在智能家居设备远程控制功能中必不可缺，本文主要采用无线组网方式，这种方式受外界环境的影响较小，在各种场合下均可使用。参加组网的模块可以通过无线接入点存在，通过组网结构来对关系进行规定。Wifi 技术与蓝牙技术通过长期的发展已经比较稳定。 3.1.1 wifi 技术
Wifi 技术是应用最为广泛的通信技术，传输速度比较快。本文所设计的太阳能远程控制系统主要运用该技术，室外传播最远可达300米。
3.1.2 蓝牙技术
此次所设计的远程控制系统也会运用蓝牙技术，蓝牙技术属于点对点技术，在短距离内可以运用该技术。
3.2 传感器终端技术
电动汽车动力
传感器位于该系统最前端，主要负责对数据的采集，本文主要应用温度传感器，对热水器水温调节进行控制。
3.3 远程管理技术
远程管理技术主要是为了对智能设备在发射信号范
分级授权
围内进行控制。通过嵌入式服务器，用户可以登录入口，对智能家居功能进行查看与管理。
4 太阳能热水器网络控制器实现方案
网络控制器主要是将云服务器与太阳能热水器的平台相连接，是实现自动控制模式的核心，该控制器以模块化的方式进行实现，主要包括主控模块、传感器模块、执行器模块、人机交互模块、网络模块和电源模块。各个模块之间关系如图1所示。
4.1 主控模块
该设计方案采用Arduino Leonardo作为主控模块。Arduino 是基于AVR 的开源电子平台，编程比较简单，功能强大。板子上的微控制器可以通过A r d u i n o 的编程语言来对程序进行编写，烧录进微控制器。Arduino L e o n a r d o 主控模块使用A t m e g a32u4芯片作为微控制器，额定工作电压为5V ，
时钟频率为16M H z ，具有2.5K B 内存,32K B 闪存,20个I /O 接口，满足本设计的要求。Leonardo 又一个自动恢复保险丝，一旦电流超过500m A ，保险丝会自动断开。主控模块的电路原理如图所示。其中ICSP 引脚通过使用SPI 库支持SPI 通信，模拟输入信号参考电压使用analogReference()函数。Leonardo 被设定为在下载时，软件建立连接使其复位，可以免去手动按下复位按钮的操作[3]。
4.2 传感器模块
在传感器模块中主要包含水温检测与水量检测两部分。电路原理如图2所示:5V 电压,Arduino Leonardo 数字口D0/R X 用于水温数据的传输，模拟口A0用于
水量数据的传输。
4.2.1 水温检测模块
在水温检测模块中运用LM35和DS18B20传感器,
图1 网络控制器架构
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148相关性能参数见表1。图2 传感器模块电路原理
表1 传感器相关性能参数
在该系统研究设计中，选用D S18B20传感器作为水温检测模块，该传感器属于数字温度传感器，测量范围比较广泛而且精度高，可以并联在总线上，最终实现多点测温。该传感器的掉电保护功能和负压特性进一步提高了系统的安全性。D S18B20传感器供电方式包括寄生电源供电和外部供电，寄生电源由单总线通过V D D 引脚，所以VDD 需要接地，这是DS18B20可以通过总线来获得能量并且存储在电容中，当总线的电平较低时，就会释放能量供器件使用[4]。
D S18B20的单线通信是分时完成的，有严格的时序，根据规定，大致可以分为以下四步:
(1) 复位初始化，进入低功耗状态
(2) 发送R O M 指令：读指令，选择定位指令，跳过检测指令、查询指令、报警指令。
(3) 发送存储器指令：写入指令、写出指令、复制指令、转换指令、回调指令。
(4) 进行数据通信。
4.2.2 水量检测模块
控制系统的水量检测模块主要运用水位传感器，该设计选用电极式水位传感器，与水有五个金属触点，利用水的导电性对水位进行检测。电极式水位传感器外罩是不锈钢材质，表面开孔，保持内部能够与水充分接触。内部由金属电极与橡胶管进行连接。在五个电极之间与顶端的橡胶管内有五个电阻，引出两条接线V C C 与测量端口，在使用时需要在测量端口A0串联一个10K 的下位电阻，形成分压电路[5]。如图3所示。
当太阳能热水器的内部水位逐渐上升时，会对五个电极依次淹没，从而对相应的电阻进行短路，改变电气回路的状态。Arduino Leonardo 的模拟输入A0-A5口为ADC 引脚，分辨率为10位，输出数值为0-1023，默认输入电压为5V。
在实际测量时，输入值分别在143、200、252、336、503左右，与理论值之间相差并不大，为了使精准度进一步提高，需要适当的增大输入值的区间。水量的检测可以通过if 条件函数进行实现，将模拟量转化为数字量,
然后对相应的水量百分比进行判断，在实际检测中通过监视器对其监控。
图3 电极式水位传感器接线
4.3 执行器模块
网络环境下太阳能热水器控制系统执行器模块主要是通过继电器来实现上水与加热，其原理如图4所示。
继电器主要由触点和线圈组成，在驱动回路中，三极管的基极B 接到Arduino Leonardo 的数字口，主要对继电器的通断电进行控制，在继电器的线圈两端需要并接一个二极管IN4148，用于对反向电动势进行吸收，防止反向电动势击穿三极管而对其他电路造成干扰。Arduino Leonardo 数字口D2和D3分别连接控制上水和加热的开关,D4和D6控制继电器的通断。上水操作运用电磁阀来对水流的通断进行控制。加热操作采用电加热棒加热[6]。
4.4 网络模块
表2 常用无线通信方式对应参数
太阳能热水器远程控制系统的设计与传统的太阳能热水器最大的区别就在于无线通信的方式不同
,
将原本
用有线的方式连接起来的模块整合到一起
，使其更加灵活方便,Arduino 上比较常用的通信方式有GPRS/
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GSM、WIFI、Bluetooth 等。相应的参数如表2所示。
本方案选用W I F I 作为无线通信方式，该方式的传输速度较快而且距离长，更加安全健康，具有较强的兼容性，在实际生活中具有一定的应用普遍性，只要连上W I F I 便可以连通互联网，进行远程控制。该设计中采用JORJIN CC3000模块组，比普通的模块功耗更低而且更加廉价。在Arduino IDE 中添加CC3000 Arduino 库，在程序中加入正确的密码，上传成功之后便可运行，自动的接入本地路由
器的无线网络，实现网络通信。
5 通信电路设计
5.1 串口wifi 电路设计
特水器的水箱摆放位置比较独特，所以选择WIFI 模块与主控器之间进行数据传输。串口wifi 电路支持
802.11b/g/n标准，支持Socket AT指令，采用3.3V电压，将IO 口与单片机串口相连接，用户对其进行控制时，仅发送AT 指令就可以实现相关功能，电路连接如图5所示。
5.2 USB WIFI 电路设计
图5 串口wifi 电路连接
立体电视图4 执行器模块电路原理图
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150在住控制器端，需要选择支持U S B 接口的R T L 8189无线WIFI 模块，该模块集成度高、体积小，而且传输速率较快，为系统后期扩展打下基础。另外，该系统还支持休眠与待机模式，有效降低功耗。RTL8189参数如表3所示。
表3 RTL8189参数表
6 平台测试
网络控制器与Yeelink 云平台服务器建立起联系之后，需要持续进行通信，通过手机A P P 实时查看太阳能热水器的水温和水量，从而进行上水或加热操作。
6.1 水温/水量查看
通过收集端安装YeelinkAPP，查看水温水量如图6所示:
图6 水温水量示意图
6.2 上水/加热操作
手机端可以通过“开关”来实现打开或关闭上水/加热功能。
7 结束语
随着物联网、云计算等新技术的快速发展，人们的
生活水平在逐渐提高，智能家居存在较大的市场发展前景，已经成为各大公司大力推广的项目，符合现代人们的生活要求。本文通过物联网技术和云服务，利用网络通信技术，设计新型的太阳能热水器控制系统，运用W I F I 无线通信方式将太阳能热水器接入互联网，使用继电器控制电磁阀和加热棒实现上水与加热。总体来讲，该设计的创新点为：运用网络控制器将太阳能热水器接入智能家居开放平台，实现通过显示屏和手动开关对水量及水温进行控制。移动端可以通过手机对家中的太阳能热水器进行远程控制及查看。随着科技的进一步发展，该控制系统可以进一步完善与优化，例如：可以增加音频消息通信，实现远程监控的多功能性，开发相应的小程序。由于智能家居的普遍应用，可以通过数据挖掘深入研究家局用品之间的关联性，使其与其他家居用品配合使用[7]。
太阳能热水器己成为中国可再生能源市场上需求量最
大、发展最为迅速的产品之一。然而，目前我国市场上的太阳能热水器控制系统大多采用微控器芯片，这种系统功能单一，操作复杂，控制不方便，抗干扰能力差，而且不能够对水温进行良好的控制。本文所设计的控制器具有更高的安全性与可靠性，性价比更高，温度的控制与显示精度更高，提高了我国太阳能应用领域的控制水平。话筒驱动
参考文献:
[1] 杨永刚.太阳能热水器控制电路的设计[J].产业与科技论坛,2012,(7):63-64.
[2] 张榜英.基于AT89S52单片机的太阳能热水器控制系统设计[J].吉首大学学报(自然科学版),2010,(3):69-71.
[3] 刘新.太阳能热水器自动控制系统的设计[J].电子技术与软件工程,2018,(1):108-108.
[4] 郝向东.太阳能热水器控制系统的设计[J].山西师范大学学报(自然科学版),2016,(1):53-56.
[5] 刘晓利.基于EDA 的太阳能热水器控制系统设计[J].邢台职业技术学院学报,2011,(2):77-79.
[6] 周伯俊，姜平.物联网家用太阳能热水控制系统的设计[J].现代电子技术,2015,(11):73-74.
[7] 周晓彬
，
曾励.基于模糊神经网络的太阳能热水器控制系统设计[J].机械工程与自动化,2014,(6):152-153.
作者简介：孙浩文(1980-)，男，讲师
，研究方向：应用电子技术，电气技术，高等职业教育等。
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