朱曉陽 焦景麗 張明柱
摘要:燃氣壁掛爐是一種分戶供暖式的供暖家居設備,可以滿足多居室供暖需求。隨著智能家居時代的到來,將壁掛爐進行智能化管理,實現(xiàn)遠程溫度控制成為一種趨勢。鑒此,文章闡述了遠程溫度控制流程,提出了以STM32F107為主控芯片,基于SMS短信的遠程控制方法,保證了對壁掛爐的遠程控制和溫度的實時監(jiān)測。該設計具有遠程操控、可靠性高、成本低、占用空間小等優(yōu)點,為家庭物聯(lián)網提供一種解決方案。
關鍵詞:燃氣壁掛爐;智能家居;溫度控制;SMS短信;遠程控制
中圖分類號:TP391 文獻標識碼:A 文章編號:1009-3044(2017)22-0238-03
1概述
隨著人們生活品質的不斷提高和遠程控制設備的飛速發(fā)展,越來越多的家庭安裝了燃氣壁掛爐,它以天然氣、液化氣等燃氣作為燃料,利用采暖系統(tǒng)中的循環(huán)水在途經熱交換器時,經過往復加熱,不斷將熱量輸出給建筑物的方式,為室內提供供暖服務。傳統(tǒng)的壁掛爐控制器只具有顯示跟控制部分,只能通過按鍵或其他交互設備進行溫度調節(jié),無法進行遠程操控,因此給人們的生活帶來了一些不便。SMS短信即Shoa Messaging Service,它是一種通過移動通信系統(tǒng)的信令信道和信令網,傳輸文字或數(shù)字短信息的業(yè)務。SMS短信有傳輸速度快、費用相對較低、穩(wěn)定性強、不易受干擾、接收及發(fā)送信息靈敏、耗電量低等優(yōu)點,具有廣闊的應用前景,用戶通過短信的收發(fā)完成對家用設備的監(jiān)控和智能控制。
2系統(tǒng)控制流程
遠程壁掛爐系統(tǒng)溫度控制流程圖如圖1所示。在待機狀態(tài)下,控制器不斷檢測是否有控制命令輸入。當接收到短信模塊的供暖指令后,立即向短信發(fā)送者發(fā)一條確認指令,然后開始工作。首先系統(tǒng)進行自檢,確認各傳感器及模塊工作正常后,循環(huán)水泵啟動,否則會進行短信報警。檢測到管道內有水流時,開始脈沖點火。若此時未檢測到水流,則立即短信報警,進入待機模式。點火后,打開比例閥,燃氣點燃后,控制器檢測是否有火焰信號,如有,控制器使電磁閥保持開啟,燃燒系統(tǒng)進行大火燃燒,達到供暖目的。若點火三次不成功時,停止點火并短信報警。當供暖溫度高于供暖設定溫度5度以上時,控制器關閉比例閥,燃燒系統(tǒng)停止燃燒,此時循環(huán)水泵繼續(xù)運轉,熱水溫度逐漸下降。當供暖溫度探測器所感應溫度低于供暖設定溫度5度以上時,控制器控制點火器打火,開啟比例閥,開始重新加熱,使溫度達到設定溫度。當溫度又高于設定值的上限時,控制器關閉比例閥,燃燒系統(tǒng)停止燃燒。室內溫度如此反復上升→下降→上升,始終保持在控制器設定的溫度范圍內。
3硬件設計
本文所設計的燃氣爐溫度控制系統(tǒng)主要由GSM通信模塊、微處理器模塊、傳感器模塊和SSR控制器、電源等5部分組成。微處理器是系統(tǒng)的中心硬件,與各個硬件模塊相連,負責傳感器數(shù)據的收集和處理。詳細的系統(tǒng)的基本結構圖如圖2所示。
3.1GSM通信模塊
短信通信模塊采用SIM900A模塊,SIM900A是一個2頻的GSM/GPRS模塊,工作頻段為:EGSM 900MHZ和DCS1800MHZ。采用省電技術設計,在SLEEP模式下最低耗流只有l(wèi)mA。它內嵌了TCP3P協(xié)議,擴展的TCP/IP命令讓用戶能夠很容易使用TCP/IP協(xié)議,這些在用戶做數(shù)據傳輸方面的應用時非常有用。該模塊的尺寸較小,既可以滿足產品對空間尺寸的要求,又能滿足對產品的通信需求。
3.2微處理器模塊
在本系統(tǒng)的設計中,采用STM32F107作為控制器的主控芯片。它是ST意法半導體公司生產的32位高性能、低成本和低功耗的增強型單片機,內核采用ARM公司最新生產的Codex-M3架構,最高工作頻率72MHz、256K的程序存儲空間,并且擁有豐富的片內資源,包括48K的RAM、8個定時器/計數(shù)器、2個看門狗和1個實時時鐘RTC,片上集成通信接口有兩個12C、3個SPI、5個USART、兩個和一個SDIO,并有3個ADC和一個DAC等。微處理器模塊滿足本設計的指令處理與通信需求。
3.3傳感器模塊
傳感器模塊包括水流傳感器、溫度傳感器等。水流傳感器利用霍爾水流量感應器,供電后,有水流通過水流轉子組件時,磁性轉子也隨著轉動,且轉速隨著流量變化而變化,霍爾元件輸出相應脈沖信號,反饋給控制器,由控制器通過讀取脈沖數(shù)來判斷水流量大小。溫度傳感器利用了K型熱電偶,熱電偶電路圖如圖3所示,配合MAX6675芯片,可以讀取水箱內的溫度,能夠讀取較大的溫度范圍,最大可達1000度以上。因此,也用來探測火焰溫度,控制比例閥的開閉。
3.4SSR控制器
SSR即固態(tài)繼電器,SSR控制器是通過繼電器驅動電路控制水泵及比例閥的電源開關。該控制電路相對比較簡單,主要利用繼電器來實現(xiàn)。水泵是通過三相電供電,工作電壓高,電路電流較大,單獨的中間繼電器額定的通過電流較小,需要外加中間繼電器和交流接觸器。通過繼電器控制中間繼電器,然后再利用中間繼電器來接通或斷開交流接觸器,從而實現(xiàn)水泵的工作控制。比例閥的工作電流較小,無需交流接觸器,只要通過繼電器控制中間繼電器來控制比例閥即可,繼電器控制框圖如圖4所示。
3.5電源模塊
設計中的電路電壓有兩路,一種是3.3V芯片供電,一種是5V的繼電器供電,電源芯片采用了開關型電源芯片LM2596,LM2596是降壓型電源管理單片集成電路,能夠輸出高達3A的驅動電流,具有很好的線性和負載調節(jié)特性。圖5是輸入24V直流后,經過LM2596輸出5V電壓的電路。
4軟件設計
控制系統(tǒng)以STM32F107為核心構成閉環(huán)控制系統(tǒng),根據壁掛爐測量值與給定值的偏差信號及預定的控制策略進行運算,之后輸出控制信號給繼電器控制器,通過控制燃燒時間實現(xiàn)對壁掛爐的溫度控制。軟件設計主要包括:系統(tǒng)初始化、溫度讀取子程序、報警子程序、顯示模塊子程序、按鍵掃描子程序、控制算法子程序和短信交互子程序。軟件結構設計如圖6所示:
本設計采用串行異步通訊接口的連接方式來接收手機發(fā)來的短信或者發(fā)送短信到手機,SIM900A模塊支持AT指令操作,讀取、發(fā)送和刪除短信均采用AT指令。通過串行接口向模塊發(fā)送AT指令,完成對SIM900A模塊的初始化和基于GSM業(yè)務的數(shù)據收發(fā)功能。設置接收、發(fā)送的波特率為9600bit/s,設定短信格式為Text模式,使用printf()函數(shù)發(fā)送命令,使用scanf0函數(shù)進行數(shù)據接收。STM32接收到手機發(fā)來的短消息,判定短消息的內容后,對指令進行相應的操作??刂破鹘邮罩噶钊绫?所示。
當溫度控制器接收到手機終端發(fā)送的指令后,控制器會解析指令的含義,執(zhí)行立刻回復或有條件回復等指令,回復指令如表2所示。
5結論
本文對基于STM32的SMS短信遠程溫度控制器的軟、硬件設計進行了詳細的介紹。經過測試,本設計可以接收短信,并根據指令內容進行相應的操作;實現(xiàn)了手機隨時查詢、設置溫度、關閉系統(tǒng)等功能。通過遠程發(fā)送短信來操控制壁掛爐系統(tǒng)的啟停、改變設定溫度等操作,可以及時了解壁掛爐的運行情況,發(fā)現(xiàn)設備故障,能及時發(fā)現(xiàn),然后進行相應的設備更換,增大了安全系數(shù),避免了不必要的損失,實現(xiàn)了按需控制。通過遠程控制,可以使采曖更及時舒適,降低采暖成本,更節(jié)能環(huán)保。此外,該系統(tǒng)的設計方法,可以擴展應用到其他類似設備中,如遠程控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)等。