摘 要： 針對(duì)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(dòng)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(kāi)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(chǎng)上的電熱水器有儲(chǔ)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(duì)電表,、電線的要求較高。儲(chǔ)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(chǔ)水罐占較大空間，不適合長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)用水,，使用過(guò)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(wú)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(duì)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(guò)外部移動(dòng)終端就可以實(shí)現(xiàn)與主控制器的通信從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)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(dòng)作，然后返回最終的狀態(tài)給主控制器,，主控制器通過(guò)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(huì)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：

　　（1）按預(yù)設(shè)的溫度對(duì)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(dòng)停止加熱,，低于預(yù)設(shè)溫度時(shí)自動(dòng)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,。

　　（2）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(kāi)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,。

　?。?）溫度與時(shí)間的LCD顯示：顯示溫度及時(shí)間。

　?。?）自動(dòng)報(bào)警：在系統(tǒng)檢測(cè)到有故障現(xiàn)象時(shí),，發(fā)出報(bào)警信息,，該信息通過(guò)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(guò)控制端下發(fā)到采集端,，最后通過(guò)采集端回傳終端所需要的信息。用戶可以通過(guò)移動(dòng)終端控制熱水器的開(kāi)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(dòng)模塊,、電源管理模塊、無(wú)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(cè)原理

　　為對(duì)水膽水溫,、出水溫度進(jìn)行控制及顯示，需對(duì)水膽水溫與出水溫度進(jìn)行檢測(cè),。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(cè)[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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)出其對(duì)應(yīng)的溫度,。

　　2.2 無(wú)線傳輸通信模塊設(shè)計(jì)[3]

　　無(wú)線傳輸通信模塊分為兩大部分：主控模塊和無(wú)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(jiǎn)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(guò)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(duì)STM32芯片部分供電。

　　2.2.2 傳輸通信模塊

　　無(wú)線傳輸通信模塊選用西門(mén)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(dòng)模塊設(shè)計(jì)

　　對(duì)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(guò)零觸發(fā)雙向可控硅電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)控制水溫加熱模塊，因此調(diào)功型調(diào)溫的PWM信號(hào)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(hào)，連接到帶過(guò)零檢測(cè)功能的光電耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器MOC3041上,，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)與強(qiáng)電的隔離,。MOC3041的輸出觸發(fā)信號(hào)控制雙向晶閘管T1(BTA20)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水膽水溫的控制,。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 水溫測(cè)量程序設(shè)計(jì)

　　圖6所示為水溫測(cè)量流程圖,。水膽和混水管內(nèi)水溫測(cè)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(guò)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(duì)混水管內(nèi)的水溫進(jìn)行測(cè)量,。其中在初始化轉(zhuǎn)換通道及啟動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)始后的采樣階段要滿足最小采樣時(shí)間t [5],。

　　3.2 GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊

　　首先通過(guò)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(tái)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(guò)對(duì)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(guò)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(kāi)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(guò)通信協(xié)議與STM32控制器實(shí)現(xiàn)串行通信。傳輸過(guò)程中,，把數(shù)據(jù)壓縮為數(shù)據(jù)包,，通過(guò)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(huì)發(fā)展步入了信息時(shí)代,，隨著人們生活水平的提高,，對(duì)生活質(zhì)量的要求也不斷提高，這對(duì)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(dòng)調(diào)節(jié)控制功能,，通過(guò)遠(yuǎn)程開(kāi)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(chǎng)上先進(jìn)的電熱水器,，更能夠滿足人們對(duì)現(xiàn)代化智能家居的使用要求,。

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