物聯(lián)網(wǎng)家用太陽能熱水控制系統(tǒng)的設(shè)計

周伯俊+姜平

摘 要： 家用太陽能熱水器已成為中國可再生能源市場上需求量最大、發(fā)展最為迅速的產(chǎn)品之一。目前市場上的太陽能熱水器控制系統(tǒng)大多是傳統(tǒng)的儀表控制，這種傳統(tǒng)的儀表操作模式與現(xiàn)代信息技術(shù)不相適應(yīng)。運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對原有的家用太陽能熱水控制儀表進行升級，設(shè)計一套具有遠程網(wǎng)頁控制和手機短信控制功能的新型家用太陽能熱水控制系統(tǒng)。測試證明該系統(tǒng)安全穩(wěn)定、可靠性高、實時性好，具有很好的市場前景。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)； 太陽能熱水器； 遠程控制； 短信控制

中圖分類號： TN915?34； TP277 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）22?0073?02

物聯(lián)網(wǎng)作為信息網(wǎng)絡(luò)未來的趨勢和發(fā)展的一部分，已經(jīng)開始重塑世界格局和社會生活方式。在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的初期，與人頻繁互動的就是家居系統(tǒng)。智能家居系統(tǒng)已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展初期最重要、最直接、最廣泛的應(yīng)用[1]。目前，智能家居已經(jīng)進入黃金時代，用戶更希望使用的產(chǎn)品智能化，操作簡單方便。對于太陽能熱水系統(tǒng)，用戶能夠通過手機、電腦等上網(wǎng)設(shè)備，實時查詢家用熱水器的水箱水溫、水箱水位等情況，并能實現(xiàn)熱水系統(tǒng)智能上水，報警等。當用戶使用熱水時，能立即提供合適溫度的熱水[2?5]。這樣的熱水系統(tǒng)將是未來太陽能熱水系統(tǒng)的風標，是人類進入智能化時代的應(yīng)用產(chǎn)品。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

目前一些家用太陽能熱水器雖然能通過儀表控制加熱上水，但不能實現(xiàn)遠距離聯(lián)網(wǎng)控制[6]。本文提出的設(shè)計方案，實際上是在物聯(lián)網(wǎng)框架下典型的M2M應(yīng)用，M2M的應(yīng)用范圍很廣泛，M既可以是機器（Machine），也可以是人（Man），又可以涉及到自然事物（水溫、水位、空氣質(zhì)量等）。M2M技術(shù)的目標就是使所有機器設(shè)備都具備聯(lián)網(wǎng)和通信能力，其核心理念就是網(wǎng)絡(luò)一切[7]。

物聯(lián)網(wǎng)家用太陽能熱水控制系統(tǒng)由太陽能熱水器、智能控制儀表、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器及網(wǎng)頁發(fā)布等組成。如圖1所示，遠程終端控制模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊構(gòu)成了家用太陽能熱水器的現(xiàn)場終端控制器。終端控制器通過Internet與遠程監(jiān)控系統(tǒng)相連，遠程監(jiān)控系統(tǒng)通過Internet向外發(fā)布監(jiān)控網(wǎng)頁。此外家用終端控制系統(tǒng)還可以通過GSM與用戶手機通信。用戶像給親友發(fā)送短信一樣，一條短信，便能輕松對熱水器進行上水、加熱等控制操作。用戶還可以通過電腦上網(wǎng)，登錄服務(wù)器網(wǎng)站對熱水器進行同樣的控制[8]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 智能控制儀表的設(shè)計

家用太陽能熱水器智能控制儀表是在原控制儀表中嵌入物聯(lián)網(wǎng)通信模塊，其中硬件部分主要是由遠程終端模塊RTU（Remote Terminal Unit）以及數(shù)據(jù)傳輸模塊DTU（Data Transfer Unit）組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

DTU是熱水器實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)控制的關(guān)鍵，由STM32F107單片機與GTM900C通信模塊組成，通過GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與外圍通信。不僅可以把熱水器的狀態(tài)信息傳給用戶，還可以把用戶的控制指令傳給儀表單片機執(zhí)行加熱、上水等操作。

2.2 網(wǎng)頁控制子系統(tǒng)的設(shè)計

2.2.1 網(wǎng)頁控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)要求以及對控制網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控模式的過程分析，對物聯(lián)網(wǎng)家用太陽能熱水控制系統(tǒng)采用Web技術(shù)的B/S結(jié)構(gòu)。如圖3所示，整個系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要被劃分為3層：應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和感知層。

圖3 網(wǎng)頁監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)通信

多個家用太陽能熱水器DTU終端與遠程服務(wù)器之間的通信屬于C/S模式，DTU終端相當于Client，遠程服務(wù)器就是Server，它們是通過套接字進行通信的[9]。本文通過對VB中Winsock控件編程，很好地實現(xiàn)了服務(wù)器和客戶端之間的數(shù)據(jù)交換。當DTU中的SIM卡聯(lián)網(wǎng)成功后，就根據(jù)表1定時上傳熱水器的狀態(tài)信息給服務(wù)器。服務(wù)器可以按照表2格式向DTU發(fā)送控制命令。

考慮到GPRS流量的限制和網(wǎng)絡(luò)擁塞等問題，本課題把GPRS數(shù)據(jù)傳輸分為兩種模式，即熱線模式和非熱線模式。所謂熱線就是DTU每5 s向服務(wù)器發(fā)一次數(shù)據(jù)，非熱線模式就是DTU每20 s向服務(wù)器發(fā)一次數(shù)據(jù)。為了防止DTU長時間不通信與服務(wù)器掉線，DTU每隔40 s向服務(wù)器發(fā)送一次心跳數(shù)據(jù)包，心跳數(shù)據(jù)為DTU的出廠設(shè)備編號。每臺智能控制儀表都被標貼了惟一的出廠設(shè)備編號，方便區(qū)分[10]。

2.2.3 網(wǎng)頁界面設(shè)計

本文選用Dreamweaver作為網(wǎng)頁開發(fā)軟件，采用Ajax技術(shù)實時刷新網(wǎng)頁數(shù)據(jù)。為了方便讓用戶能夠在互聯(lián)網(wǎng)客戶端對自家的太陽能熱水器進行監(jiān)控，設(shè)計了物聯(lián)網(wǎng)太陽能遠程監(jiān)控系統(tǒng)登錄界面、太陽能熱水器工作界面、用戶信息修改界面等。其主界面如圖4所示。

3 結(jié) 語

本文將先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于家用太陽能熱水控制系統(tǒng)中，充分利用現(xiàn)代化的智能工具（手機、電腦等聯(lián)網(wǎng)設(shè)備），實現(xiàn)對家用太陽能熱水器的智能化控制，不僅改變家用太陽能熱水器的控制方式，給家用太陽能熱水器行業(yè)注入了新的活力，而且為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能家居行業(yè)的應(yīng)用起到了示范作用。

注：本文通信作者為姜平。

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