摘 要： 針對熱水器在智能家居中的實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種基于STM32的熱水器控制系統(tǒng)，用戶可以遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)熱水器的水溫控制。本設(shè)計(jì)以STM32F130處理器作為控制器件，在減少外圍器件的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了恒溫和水位的自動調(diào)節(jié)控制，還可實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控，根據(jù)不同的需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開啟和控制熱水器的功能，從而更加方便地使用熱水，也可以遠(yuǎn)程設(shè)定時(shí)間監(jiān)控，設(shè)定后不需要人工干預(yù)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)錯(cuò)峰加熱，節(jié)約電能。
關(guān)鍵詞： STM32；智能家居；GPRS；熱水器；嵌入式
0 引言
市場上的電熱水器有儲水式電熱水器和即熱式電熱水器兩種。即熱式熱水器的優(yōu)點(diǎn)是方便快捷，不占空間，安全，最大限度地減少了熱量散失，出水溫度恒定，缺點(diǎn)是功率較大，對電表、電線的要求較高。儲水式電熱水器的優(yōu)點(diǎn)是功率要求低，因可實(shí)現(xiàn)上水停電，使用更安全，可實(shí)現(xiàn)定時(shí)加熱，缺點(diǎn)是加熱慢，所帶保溫儲水罐占較大空間，不適合長時(shí)間連續(xù)用水，使用過程中大多需經(jīng)常調(diào)節(jié)水溫。為提高電熱水器的節(jié)能性、多功能化、智能化，本文基于Cortex-M3內(nèi)核，結(jié)合溫度采集模塊、無線傳輸模塊，設(shè)計(jì)了一個(gè)可以遠(yuǎn)程控制溫度的控制系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)智能家居的熱水器控制。
1 總體設(shè)計(jì)和系統(tǒng)功能
本控制系統(tǒng)針對熱水器進(jìn)行控制，遠(yuǎn)程操作部分與主控制器以串口連接，智能家居中溫度控制節(jié)點(diǎn)與主控制器形成一個(gè)GPRS網(wǎng)絡(luò)相互通信，所以通過外部移動終端就可以實(shí)現(xiàn)與主控制器的通信從而實(shí)現(xiàn)對智能家居中熱水器的溫度節(jié)點(diǎn)的控制。當(dāng)然也可以由主控制器來直接控制溫度節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行，這樣更快捷。主控制器發(fā)送控制命令給溫度節(jié)點(diǎn)，溫度節(jié)點(diǎn)收到命令后進(jìn)行相應(yīng)分析并做出相應(yīng)動作，然后返回最終的狀態(tài)給主控制器，主控制器通過串口將各節(jié)點(diǎn)的信息發(fā)送到遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)或直接顯示到自帶的顯示液晶上。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示[1]。
本系統(tǒng)的終端設(shè)備采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，將終端設(shè)備分為主控模塊和各個(gè)功能模塊。主控模塊和各功能模塊之間有統(tǒng)一的或者特定形式的接口，可根據(jù)實(shí)際情況選用不同的功能模塊。各功能模塊又包含多個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)即為通信的一個(gè)終端，各節(jié)點(diǎn)之間相互獨(dú)立，某一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)不會影響到其他節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行。
熱水器控制系統(tǒng)的幾個(gè)主要模塊功能如下：
?。?）按預(yù)設(shè)的溫度對水膽進(jìn)行加熱控制：在水膽溫度到達(dá)預(yù)設(shè)溫度后自動停止加熱，低于預(yù)設(shè)溫度時(shí)自動恢復(fù)加熱。用戶可根據(jù)實(shí)際情況自行設(shè)定水膽溫度，例如熱水需求量大時(shí)可調(diào)高水膽溫度以滿足用水需要，而熱水需求量少時(shí)則可將水膽溫度調(diào)低以減少熱量散失。
?。?）可控恒溫和定時(shí)加熱：用戶可在實(shí)際范圍內(nèi)任意設(shè)定出水溫度，由嵌入式設(shè)備控制按照用戶設(shè)定的溫度恒溫出水；同時(shí)可設(shè)定開機(jī)時(shí)間和關(guān)機(jī)時(shí)間，使熱水器按設(shè)定的時(shí)段定時(shí)加熱。
（3）溫度與時(shí)間的LCD顯示：顯示溫度及時(shí)間。
?。?）自動報(bào)警：在系統(tǒng)檢測到有故障現(xiàn)象時(shí)，發(fā)出報(bào)警信息，該信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)及時(shí)傳回遠(yuǎn)端的終端，并進(jìn)行漏電保護(hù)和干燒防護(hù)。
?。?）遠(yuǎn)程控制：在控制端界面顯示各個(gè)終端的運(yùn)行情況、當(dāng)前的實(shí)時(shí)溫度信息，用戶指令通過控制端下發(fā)到采集端，最后通過采集端回傳終端所需要的信息。用戶可以通過移動終端控制熱水器的開關(guān)和溫度設(shè)定等，并可查詢熱水器的工作狀態(tài)。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
熱水器硬件電路主要由溫度采集模塊、主控制器模塊、電加熱功率驅(qū)動模塊、電源管理模塊、無線傳輸通信模塊和顯示模塊等組成。
2.1 溫度采集硬件設(shè)計(jì)
2.1.1 檢測原理
為對水膽水溫、出水溫度進(jìn)行控制及顯示，需對水膽水溫與出水溫度進(jìn)行檢測。本設(shè)計(jì)采用的溫度傳感器是負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻，利用其阻值隨溫度變化而改變的特性進(jìn)行溫度檢測[2]。此熱敏電阻的阻值與水溫的特性表達(dá)式為：
其中，RT0為水溫在T0時(shí)的電阻值，T0為室溫值，即25℃，β是材料的系數(shù)。
NTC熱敏電阻分別安裝在水膽和混水管內(nèi)以達(dá)到測溫目的。由溫度轉(zhuǎn)換電路將溫度值轉(zhuǎn)換為電量，輸入到嵌入式系統(tǒng)的電壓采樣電路并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，從而測量到水膽和混水管內(nèi)的水溫度值。
2.1.2 溫度轉(zhuǎn)換電路
圖2所示為溫度轉(zhuǎn)換電路，其中RT1、RT2分別為安裝于水膽和混水管內(nèi)的NTC熱敏電阻。當(dāng)水膽內(nèi)的溫度和混水管內(nèi)的溫度發(fā)生變化時(shí)，RT1、RT2的電阻值也隨之改變，STM32處理器的PA0、PA1端口上的電壓也相應(yīng)地發(fā)生變化。PA0、PA1是STM32的模擬量輸入端，分別用于檢測電阻R01、R02上的電壓，然后由STM32的A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而測出其對應(yīng)的溫度。
2.2 無線傳輸通信模塊設(shè)計(jì)[3]
無線傳輸通信模塊分為兩大部分：主控模塊和無線收發(fā)模塊。主控模塊由微處理器、Flash ROM、SDRAM、復(fù)位電路、電源電路等組成。
2.2.1 電源模塊
GPRS的供電范圍為3.3 V~4.8 V，STM32處理器供電電壓為3.3 V。為了滿足系統(tǒng)各個(gè)部分供電的需求，采用DC5V作為電路板的供電電源，電路部分如圖3所示。為簡化電路, 其中，采用串聯(lián)一個(gè)二極管IN4007的方法,使GPRS模塊的實(shí)際電壓約為4.3 V左右，滿足供電需求。另一部分，通過三端線性穩(wěn)壓芯片LM1117輸出3.3 V電壓，同時(shí)，在LM1117芯片的兩端加0.1 μF和100 μF電容進(jìn)行濾波處理，對STM32芯片部分供電。
2.2.2 傳輸通信模塊
無線傳輸通信模塊選用西門子的MC55模塊，其內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議，不僅降低了設(shè)計(jì)的難度，也提高了整個(gè)系統(tǒng)的性能，便于實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸[4]。傳輸通信模塊使用標(biāo)準(zhǔn)的串口直接與STM32相連，如圖4所示。由于此模塊的接口邏輯電壓為2.65 V，不能直接與STM32的端口（工作電壓3.3 V）相連，必須使用轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)邏輯電平匹配，因此在兩器件間的各管腳之間都連接一個(gè)100 Ω的電阻。傳輸通信模塊的RINGO與STM32的RTS1相接, 以中斷方式將數(shù)據(jù)輸送到STM32控制器。
2.3 功率驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)
對水箱內(nèi)的水加熱的控制采用調(diào)功型調(diào)溫系統(tǒng)。所謂調(diào)功型調(diào)溫就是在固定周期內(nèi)，調(diào)節(jié)導(dǎo)通和關(guān)斷之比（占空比），并采用過零觸發(fā)雙向可控硅電路，實(shí)現(xiàn)對水溫的控制。在占空比為1時(shí)，輸出連續(xù)的正弦波；占空比為0時(shí)，不輸出正弦波。
由于用STM32F103控制器來控制水溫加熱模塊，因此調(diào)功型調(diào)溫的PWM信號由STM32F103的PB6輸出，具體的原理圖如圖5所示。
直接利用STM32F103的TIM4_CH1(PB6)輸出PWM信號，連接到帶過零檢測功能的光電耦合雙向可控硅驅(qū)動器MOC3041上，實(shí)現(xiàn)控制信號與強(qiáng)電的隔離。MOC3041的輸出觸發(fā)信號控制雙向晶閘管T1(BTA20)，實(shí)現(xiàn)了對水膽水溫的控制。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 水溫測量程序設(shè)計(jì)
圖6所示為水溫測量流程圖。水膽和混水管內(nèi)水溫測量得到的溫度值均采用相同的數(shù)值處理方式，將模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并作為水溫值。將處理過程設(shè)計(jì)成子程序，以便調(diào)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。不用水時(shí)，不必對混水管內(nèi)的水溫進(jìn)行測量。其中在初始化轉(zhuǎn)換通道及啟動轉(zhuǎn)換開始后的采樣階段要滿足最小采樣時(shí)間t [5]。
3.2 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊
首先通過SPI總線將溫度采集處理模塊采集到的數(shù)據(jù)傳送到處理器，然后經(jīng)由串口AT指令傳輸?shù)紾PRS模塊，最后發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，這就需要在STM32平臺上構(gòu)建操作系統(tǒng)。本文在移植Bootloader內(nèi)核源碼包的基礎(chǔ)上,首先通過對內(nèi)核作適當(dāng)?shù)呐渲煤筒眉?，然后使用交叉編譯工具將文件編譯成內(nèi)核鏡像文件, 最后通過Bootloader下載到設(shè)備上運(yùn)行。同時(shí),為了便于使用和進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)，還要組建文件系統(tǒng)。
GPRS模塊包括具有登錄GPRS網(wǎng)絡(luò)功能的芯片及相應(yīng)的協(xié)助處理數(shù)字電路，通過通信協(xié)議與STM32控制器實(shí)現(xiàn)串行通信。傳輸過程中，把數(shù)據(jù)壓縮為數(shù)據(jù)包，通過Internet網(wǎng)絡(luò)接入的指定服務(wù)器，送到控制中心的控制主機(jī)。其中數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收均按照自定義的點(diǎn)到點(diǎn)傳輸通信協(xié)議，確保所傳數(shù)據(jù)的安全以及發(fā)送和接收的可靠。
4 結(jié)論
隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，社會發(fā)展步入了信息時(shí)代，隨著人們生活水平的提高，對生活質(zhì)量的要求也不斷提高，這對電子領(lǐng)域提出了更高的要求。采用STM32F103作為控制核心，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程控制的智能家用電熱水器，可以滿足低價(jià)格、高性能、尤其是智能化的要求。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了恒溫和水位的自動調(diào)節(jié)控制功能，通過遠(yuǎn)程開啟和控制熱水器實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，從而更加方便地使用熱水，也可以遠(yuǎn)程設(shè)定時(shí)間監(jiān)控，設(shè)定后不需要人工干預(yù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了錯(cuò)峰加熱，節(jié)約電能。在現(xiàn)有眾多的控制手段中，采用典型的嵌入式控制系統(tǒng)，相比現(xiàn)在市場上先進(jìn)的電熱水器，更能夠滿足人們對現(xiàn)代化智能家居的使用要求。
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