基于機智云物聯網平臺的太陽能熱水器控制系統

摘要: 以STM32F103ZET6為物聯網控制模組主控單元，基于機智云平臺，針對太陽能熱水器設計了一種物聯網控制系統，用戶通過互聯網就能對家中太陽能熱水器進行遠程控制和運行監測，該系統采用STM32F103ZET6為控制芯片，esp8266 Wi-Fi模塊為通信模塊，結合其它硬體電路與設計完成對太陽能熱水器的遠程控制，實驗證明該系統能夠通過手機終端實作實時監控、加熱、上水、定時以及故障報警等功能，

關鍵詞: STM32F103ZET6 ，太陽能熱水器，機智云AIoT云平臺 ，遠程監控

本文為解決此類問題設計了一種基于機智云物聯網平臺的太陽能熱水器控制系統，機智云平臺是一個用于物聯網開發的云服務平臺，為開發者提供了自助式智能硬體開發工具與開放的云端服務，它可以自動生成MCU和移動終端的代碼，通過固定式的自助工具、完善的SDK與API服務能力最大限度降低了物聯網硬體開發的技術門檻，縮減了開發者的研發成本，提升了產品投產速度，進而幫助開發者進行硬體智能化升級，更好地連接、服務最終消費者，

該系統中主控制芯片STM32F103ZET6通過Wi-Fi無線通信模塊將太陽能熱水器相關引數和狀態發送給基于機智云平臺開發的手機APP界面來顯示，從而實作遠程操作控制，讓用戶在各個地方都能對家中設備進行查看和操控，操作更加便捷，在滿足用戶需求的基礎上盡可能地減少能耗，

1，總體方案設計

本系統由主控制器STM32F103芯片、溫度傳感器、液位傳感器、電輔熱裝置、上水控制裝置、報警裝置、Wi-Fi通訊模塊、機智云物聯網平臺和手機終端組成，其中電輔熱裝置包括繼電器和與之相連接的加熱棒，上水控制裝置包括繼電器和與其相連的電磁水閥，溫度傳感器和液位傳感器將從太陽能水箱中采集的資訊傳輸給主控制器，主控制器將傳輸過來的資料進行加工、處理與顯示，然后，通過Wi-Fi無線通信模塊將資料傳輸給基于機智云平臺開發的手機APP界面來顯示，用戶可通過手機APP設定理想水溫和水位，

系統還加入了報警裝置和定時功能，當系統發生干啥訓者水溫過高時，系統會發出報警提醒，此外，用戶也可以通過系統定時功能選擇任意時間加熱和上水，方便快捷，具體的系統結構框圖如圖1所示，整個系統優化了傳感器的選取，同時與機智云物聯網開發平臺相結合，有針對性地解決了傳統控制系統中的不足，使用戶能夠隨時隨地查看熱水器狀態且對熱水器進行操控，滿足了用戶需求，節約了更多能源，改善了用戶體驗，

太陽能熱水器系統結構框圖

2 系統的硬體設計

2.1 溫度傳感器模塊與報警裝置

本系統需要測量太陽能熱水器中的水溫，范圍為0～100℃，經過綜合對比，選擇DS18B20作為系統的溫度測量模塊，DS18B20溫度傳感器的溫度測量范圍為-55～+125℃，精度為±0.5℃，現場溫度直接以“一線總線”的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性，使用時需將DS18B20置于太陽能水箱的底部，以保證當太陽能水箱內水位過低時，也能夠實時檢測水箱內水的溫度，

為了防止意外，本系統添加了聲光報警裝置，該裝置是由一個有源蜂鳴器和兩個LED燈組成，其中一個是水位報警，另一個是高溫報警，當太陽能水箱中水位低于設定值或者水箱中水溫高于設定值時，聲光報警裝置啟動，以引起操作人員的注意，同時主控制器也會發出作業信號，停止上水或加熱操作，

2.2 液位傳感器模塊

本系統選擇的是科賽沃電子科技有限公司生產的KY系列壓力傳感器，它采用的是硅壓阻式差壓壓力芯體，壓力傳感器輸出埠的電壓與檢測口處的壓強成正比例線性關系，根據帕斯卡定律，液體內部壓強與液體深度有關，因此將檢測口放于水箱底部，通過測量輸出埠的輸出電壓，即可計算出水箱水位，使用前需將檢測口放置到太陽能熱水器蓄水箱底端，導氣管高于水箱頂部，這樣當液面高于檢測點時，測量點處的壓器即為液體壓強，

2.3 電輔熱模塊和上水控制模塊

本系統中的電輔熱模塊包含繼電器和加熱棒，上水控制模塊包含電器繼電器和電磁水閥，其中繼電器是實作外部設備控制的主要手段，因此繼電器的有效控制是執行器模塊安全穩定運行的保證，繼電器種類繁多，本系統經過對加熱棒和電磁水閥的功率進行分析，選擇了HRS4H-S-DC12V型繼電器，圖2為該型號繼電器的驅動電路圖，主控制器通過該電路完成對繼電器的控制，從而實作上水和加熱兩個控制動作，

繼電器驅動電路圖

下面以上水動作為例，介紹其作業程序，圖2中的SIGNAL-IN連接主控制器的某個I/O口，執行器為電磁水閥，當需要打開上水開關時，控制器使該I/O口輸出高電平信號，此時MC1413輸入引腳1腳為高電平，輸出引腳16腳為低電平，此時繼電器K3通電吸合，使得繼電器輸出側1A和1B導通，輸出回路中電磁水閥通電作業，系統開始對水箱上水，同時對應的指示燈發光，當上水到指定值時，控制器使PG14口輸出低電平，MC1413的16腳輸出為高電平，繼電器斷電釋放，電磁水閥斷電停止作業，上水動作結束，

加熱控制電路與上水控制電路相同，僅僅是執行器由電磁水閥換成了電加熱棒，此外，使用到的繼電器驅動電路原理圖也與上水控制相同，兩個繼電器都選擇了MC1413進行控制，大大減小了后級電路對主控制器電路的干擾，同時可以將電壓信號放大，增強其驅動能力，

本方案選擇的電磁水閥是AC220V常閉銅電磁水閥，當接入220V交流電時開關開啟，水流通過，斷電時開關閉合，水流截止，選擇的加熱棒是AC220V整體防水加熱管，其具有經久耐用、防腐蝕等優點，所選繼電器輸出側最高可承受2500W，該加熱棒正常作業時的功率為1000W，在繼電器可承受的功率范圍內，滿足系統要求，

2.4 Wi-Fi無線通訊模塊設計

通信模塊主要采用ALIENTEK公司推出的AKT-ESP8266為核心模塊，該模塊為UART-Wi-Fi模塊，通過對STM32的串口初始化后，模塊與主控芯片能夠進行串口通信，選用平臺為機智云平臺，機智云擁有大量的開發經驗和技識訓累，其所提供的GAgent通信協議能與模塊發生互動以進行資料交換[4-6]，平臺軟體兼容并支持ESP8266模塊，在對ESP8266完成初始化之后，作業時通過機智云的手機APP與ESP8266進行云端的資料交換傳輸，從而完成對系統的控制，而其中的通信內容能夠被存盤到云平臺的開發者中心，

主程式流程圖

3 系統軟體設計1

3.1 主程式流程

主程式開始后首先對各個模塊進行初始化和進行設備的自動配網，然后進入主回圈程式，在溫度檢測、水位檢測、報警處理、時間定時、資料傳輸等子程式不停地被呼叫的同時也對系統狀態進行檢測判斷，若有例外情況立即進行相應處理，其流程圖如圖3所示，

在主回圈程式中，首先對傳感器模塊子程式進行呼叫，讀取所檢測的溫度、水位等資料；然后根據這些資料判斷系統是否作業在例外狀態，其標準是判斷水溫是否過高，高于設定值和水位是否過低，低于設定值，若有例外，則控制報警裝置發出報警資訊，同時發送指令給執行器子程式控制上水裝置或加熱裝置停止作業，若無例外，則繼續執行下面的程式；

第二次判斷有無接收到手機終端所發出的控制指令，若接收到控制指令則回應該指令，未接收到控制指令則根據時間、系統資料和作業模式呼叫執行器子程式，對系統的運行狀態進行控制，之后呼叫定時器子程式完成定時操作，最后呼叫資料傳輸子程式，將系統資料和運行狀態發送至手機終端，進入下一輪回圈，

加熱流程圖

3.2 執行器子程式

執行器子程式包含著完成上水和加熱兩種動作的整個程序，系統的加熱操作程序與上水操作程序基本相同，下面就以加熱操作為例，詳細講解執行器子程式的運行流程，加熱流程圖如圖4所示，

當系統溫度高于設定值時，控制器會控制繼電器斷開加熱棒的電源，使加熱棒處于停止加熱狀態；當系統溫度低于設定值時，判斷系統是否處于可加熱狀態，判斷的依據是水位是否過低會導致加熱棒干燒，如果處于可加熱狀態，控制加熱棒加熱，當水溫達到設定水位后，加熱棒停止加熱，如果未處于可加熱狀態，則向用戶發送低水位資訊，提醒用戶水位過低，無法加熱，

4，機智云物聯網平臺的設定

4.1 資料點的設定

設計中的通信部分選用了機智云Aiot開發平臺[7]，首先需要通過機智云平臺來完成其通信部分的代碼，在機智云平臺中生成專案后下載平臺提供的部分代碼，在生成的專案中，需要向其中添加資料點，資料點的讀寫型別可區分為只讀、可寫、報警、故障4種：只讀型資料點，即只能夠讀取資料點的回傳數值，而不能對資料點寫入數值；而可寫型資料點既可以對資料點寫入數值也可以讀取資料點回傳數值；

報警和故障型別的資料點一般用于監測系統故障時的例外變數，本設計中僅使用了前兩種，而每種型別資料點又有不同的資料型別，控制開關部分采用了可寫型別資料點，布爾量型別資料，即0為關閉，1為開啟；變數的設定部分也采用了可寫型別資料點，資料型別為數值型；而溫度和水位回傳值部分采用只讀型別資料點，資料型別為數值型[8]，用于顯示當前太陽能水箱中水溫和水位資訊，在設計中，資料點是很重要的一部分，所以需先將資料點設定好再進行之后的開發，

采用STM32 Cube MX來創建工程，它能夠初始化芯片所有的外設配置，而KeilμVision5作為開發環境，

本設計中選用了10個資料點對應不同的功能，通過對系統需求的分析，該系統需要5個布爾型的資料點來分別實作模式切換、加熱狀態切換、上水狀態切換、加熱定時狀態切換、上水定時狀態切換，同時需要5個數值型的資料點來分別實作溫度顯示、水位顯示、溫度設定、水位設定、溫度定時設定、水位定時設定，資料點具體情況如表1所示，

4.2 機智云自生成APP的二次開發

機智云AIoT開發平臺能夠根據開發者創建的專案，生成對應的手機APP框架，在生成的APP框架中已經封裝了手機（包括PAD等設備）與機智云智能硬體的通訊程序，以及手機與云端的通訊程序，這些程序包括配置入網、發現、連接、控制、心跳、狀態上報、報警通知等，所以在Anddrio Studio的開發環境下對機智云服務平臺生成的APP框架進行二次開發時，只需要呼叫相應的API函式對APP的UI界面進行修改即可，通過對APP的界面的背景，頁面進行布局，資料的顯示等方面的修改得到了如圖5所示的手機APP界面，

5系統測驗

為了方便測驗，在系統中加了一塊LCD顯示屏，用于顯示系統的引數，方便與手機APP進行對比，所設計的硬體平臺在接入12V直流電源后，打開手機APP查看設備是否連接，確認手機APP與主控制器持續通訊后，機智云平臺會每隔固定時間會向主控制器發送查詢指令，主控制器接收到查詢指令后會將所采集的水溫水位等資料發送給機智云平臺，從而在APP上顯示出來，在APP界面中有按鈕可對系統的引數和運行狀態進行更改，當點擊上水按鈕后，APP會向主控制器發送控制指令，主控制器接收到指令后會發出信號控制上水繼電器吸合，同時在APP界面上會有相應的顯示變化，

當主控制器對APP發出的控制指令進行回應后，繼電器指示燈會變亮，同時在用于測驗LCD屏中開關狀態也會有相應變化，S1表示上水開關，S2表示加熱開關，圖6中Temp代表所水溫，Depth代表的是水位，Mode代表的是當前系統作業模式，本文中Auto表示智能模式，T1表示自動上水時間，A1表示上水量，T2表示加熱時間，A2表示加熱溫度，

由圖6和圖7可以看出，APP顯示的資料與用于測驗的LCD顯示屏引數保圖5手機APP終端控制界面圖持一致，且在APP界面中進行操作可以完成控制指令的下發，測驗表明，所設計的手機APP既能顯示熱水器的狀態和引數，又能達到控制上水和加熱的效果，

用于測驗的LCD顯示屏界面圖

遠程手機APP顯示界面圖

本文設計了一種基于機智云物聯網平臺的太陽能控制系統，以STM32F103ZET6芯片為主控制器，以ATK-ESP8266 Wi-Fi芯片作為物聯網通訊模塊與機智云物聯網平臺互聯，再配合各個功能模塊的電路設計，實作了用戶可以通過手機終端的APP在任意時間、任意地點對太陽能進行實時監控，實驗表明該系統能夠準確和穩定地對太陽能系統進行實時監控，