基于智能家居的无线热电中央控制系统设计

吴 延，肖 波，韩 涛， 詹习生

(1. 广东省岭南工商第一技师学院，广东 广州 510800；2. 湖北师范大学 电气工程与自动化学院，湖北 黄石 435002)

0 引言

当前，我国社会经济高速发展，人们生活质量不断提高，对更便捷的生活方式的渴望也越来越大。在政府政策的大力支持下，我国太阳能热水器行业得到高速的发展；这是太阳能热水器行业的一个机遇，同时也是一个挑战。当今市面上的热水器以太阳能热水器和电热水器为主，在使用过程中存在功能按钮使用繁杂且待机电能损耗的情况。如果不进行模式切换，不仅会造成电能的浪费，还易引起漏电等现象，给用户带来一定程度上的洗浴风险。

在热电智能控制方面目前国内外尚有很大的空缺，且暂无较为人性化的设计。为了让用户能享受舒适的智能洗浴环境，同时保障用户的洗浴安全，我们希望设计一个自动切换太阳能和热水器的装置[1]，给人们日常生活带来便利，实现全自动化洗浴服务。

本设计基于工业单片机，根据太阳能热水器的水位、水温、设定温度等参数进行智能闭环控制[2]，结合无耗能电子开关技术、无线控制技术、太阳能和电能混合控制技术、大数据预判等技术，提供多种控制模式[3]，功能多样，价格适中，可取代传统复杂且安全性低的机械调节按钮，实现太阳能与电热水器的自动切换功能。利用传感器反馈以及用户洗浴习惯记录精准地控制洗浴的质量与舒适程度，准确、性价比高，拥有广阔的市场和极大的社会需求。

1 总体设计方案

论文拟对基于智能家居的无线热电中央控制系统进行研究，结合自动化控制的电路可控制太阳能和热水器的电磁阀；根据水位、水温自动切换开关，保证热水的供应[4]。中央控制系统主要包括以下几个部分：工业单片机、水体温度传感器、水体位置传感器、环境温度传感器、逻辑控制电路、变压稳压电路、无线通信组件和报警提示电路。

方案对水温可做到准确控制，节能、高效。采用温度反馈控制对比调节，结合燃气热水器火控加热管原理，可源源不断输出热水，从而取代只能对有限量的水进行加热后再对外输出的传统电热水器，实现智能控制，适用性强。中央控制系统总体设计方案如图1所示。

2 硬件设计

方案的硬件系统主要可分为核心处理器电路、电源电路、无耗能电子开关电路以及外围辅助电路。

2.1 核心处理器电路设计

核心处理器电路是系统设计的核心部分，它在衔接各传感器和处理信息中起着主导作用。核心处理器采用Low-voltage MCU；运用智能大数据控制法、PID算法，根据传感器检测模块检测到的各种数据进行相应处理。通过比较检测数据与用户设定数据，结合长期以来用户使用数据的综合平均值进行智能调节与智能控制对单片机的选择是很重要的。考虑整个系统的成本能量损耗和性能，MCU需满足小体积、低廉的价格、更低的功耗但需具备较快的处理速度及A/D采集功能。最终本系统设计为可兼容多款单片机[5]，如图2所示：

图2 核心处理器电路图

2.2 电源电路设计

电源电路采用的是AC-DC低压开关直流电源为系统进行供电，用电器在工作时由24V电源输入给系统以及外置模块进行供电[6]。系统由稳压滤波电路共同组成，可提供1.2V、3.3V、5V、24V电压提供给不同的用电器件。

具体电源模块电路：利用AC-DC提供直流稳压电源的电源硬件电路，以及多个稳压电路。其中1.2V电压，用于为光电耦合器提供工作电压；3.3V电压，用于MCU；5V电压，用于为水温传感器、水位传感器、报警提示电路、电子开关管提供电压；12V和24V电压，直接取用AC-DC开关电路电压，用于为加热设备提供电压；传感器模块电路、触发—检测—通信—报警提示等电路均与MCU连接[7]。其中DC-5.0V供电部分如图3所示：

图3 5V供电电路图

2.3 引入无耗能电子开关技术设计

首次结合物创光电孵化器的无耗能电子开关技术于系统中，其组成如下：整个系统具有电源插头和供电电路，在供电电路上装有双向晶闸管和开关电源，且设有太阳能电池板、超级电容、单片机、触发按键以及门极触发电路；超级电容设计于太阳能电池板并联电路中，单片机向并联电路索取所需能源；按键开关连接单片机，单片机驱动连接门极触发电路，当双向晶闸管接收到门极触发电路的信号后即可控制双向晶闸管是否导通；双向晶闸管到负载之间的供电电路上接有开关电源的输入端，储能装置接于开关电源的输出端。其结构如图4所示：

图4 无耗能电子开关电路框图

2.4 外围辅助电路设计

触发电路：触发电路主要包含四个光电耦合器以及四个驱动三级管。驱动三级管采用的是常见采用低电平导通的PNP型9012三级管。采用单路双向可控的C817光电耦合驱动器，封装类型为4引脚DIL，正向最大电压值为1.5V～2.5V，在整个系统中对低压和高压电路起到隔离作用[8]。

开关管电路：开关管可根据用户需求选用场效应管或晶闸管等大电流电子开关管，不仅无需传统式机械开关，且仅由独立触发电路组成。这是电子领域中理想的直流式电子开关器件，不仅有更低的能耗、体积和噪音，还简单可靠。

无线通讯电路：采用V3.0规范及SPP蓝牙串口协议并具有UART接口的BT08B无线蓝牙通信组件，用户可通过手机APP对智能无线热电中央控制系统进行远程无线干预，其包括定时开启，定时关闭，热水预热，检测系统开启等一系列功能。

报警提示电路：采用采样电阻、限位微触开关，结合蜂鸣器、多色LED光电二极管组合成报警提示电路，智能检测用电器工作状态，保障用户洗浴安全。

按键电路：采用常开轻触按键组合成功能模式键盘，用户可通过按键对中央控制系统的参数进行设定。采用直插式5*5微触按键开关作为按键面板主要器件，开关采用阴极并联接法，单片机IO口由R24-R28上拉电阻提供默认5V高电平。

显示电路：采用LCD1602液晶显示屏作为主显示器，采用NMOS控制LED使能端口BLGND的通断。通过主控可选择工作、休眠状态，在待机时关断其输出，节能环保。

3 软件设计

系统启动前，用户对水温、水量、使用时间点参数进行设置。当系统启动后，单片机内的A/D转换将热电偶的模拟信号转变为数字信号，将数值与系统中的设定数值相比较后，结合使用环境温度以及以往洗浴数据进行智能闭环自动控制加热器的通断；使用数字温度传感器时[9]，采用总线读取的方式对数值进行采样，若各项实时数据未达到设定值时，系统将发出信号让外围设备进行自动调整直至符合要求。系统具体工作如下：

1)智能检测自动上水。通过传感器来对水箱水量和水温进行实时监测，当检测到水温长期处于沸点且水量少时，传感器把信号传输给控制器，驱动太阳能自动上水，防止空晒爆炸。

2)热水不断功能。传感器在监测到一段时间内水位下降迅速，则会在另一处烧热水，然后自动切换开关，将热水源源不断地流进热水器，用户洗浴更舒适。

3)自动换水功能。在夏季晴天时真空管太阳能式热水器效率高，长时间无人使用时两天内水温可高达100℃，水箱内的密封圈及聚氨酯会因长时间的高温、高压而加速老化、萎缩，而排气阻塞、结水垢均会缩短水箱的寿命[10]。通过传感器监测，在两天以上未使用时，将自动放出热水器里的水，重新上水。

4)控制上水量

系统主程序流程图如图5所示：

图5 主程序流程图

基于智能家居的无线热电中央控制系统结合传感器控制上水量。若为天晴，可把水上满；若为多云或阴天，则上半箱水；有雨，保留原有的水不上冷水。夜晚洗浴完毕后若仍有过半70℃以上的热水处于水箱中，水量越少，热散失越快，因此结合传感器反馈数据可有效防止热散失过大。

无线控制技术包括：采用无线蓝牙通信组件，通过手机APP对智能无线热电中央控制系统进行远程无线干预，包括定时开启，定时关闭，热水预热，检测系统开启。

系统提供4类型工作模式：按键、蓝牙、定时及混合模式，四种模式均通过面板上提供的按键进行选择。面板按键采用一键多功能的形式实现模式、参数的调节[11]。

4 系统调试

系统内置4种工作模式，可根据用户随机切换：键盘控制模式、定时开启/定时关闭模式、蓝牙无线操控运转模式、混合控制模式。以蓝牙无线操控运转模式为例，其调试步骤如下：

首先开启电源，系统初始化后进入主界面，由专用软件连接系统蓝牙；然后点击APP上的蓝牙模式选项按钮，随后便可设置定时、水温等按键对系统进行远程操作；其次设定完毕后点击开始/停止按钮，系统便开始自主运行；最后等待用户使用洗浴设备。实物调试完成如图6所示。

图6 蓝牙模式实物调试图

5 结语

设计结合了太阳能热水器以及电热水器的综合应用，首次将半导体制热技术集成于加热系统中，安全性、可靠性将大大增加。其内部集成温度控制，可实现恒温，恒压不间断输出；结合水位检测，可自动增补水箱中的热水，并恒温保温。本设计可提供无线控制(远程定时开启与关闭)，用户可在任意地方，例如卧室，厨房等，通过手机对系统进行预定，按键操作界面简单、易懂。节能减排；融合物联网技术通过APP远程控制，可实现人机交互，智能便捷。IP68级防水，将复杂的控制电路集结于一体，精美小巧；低压直流电供电，半导体制热技术杜绝与水体接触，更高效，更安全。