基于網(wǎng)絡(luò)的太陽(yáng)能供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳潤(rùn)，趙玉榮　金建　嚴(yán)冬　馬敏

摘要：結(jié)合太陽(yáng)能熱水器的具體應(yīng)用，設(shè)計(jì)了基于互聯(lián)網(wǎng)的智能化控制器。系統(tǒng)采用ARM單片機(jī)，利用W5500以太網(wǎng)模塊獲取網(wǎng)絡(luò)天氣數(shù)據(jù)，單片機(jī)通過分析用戶設(shè)定需求和天氣數(shù)據(jù)及太陽(yáng)能熱水器狀態(tài)，從而控制太陽(yáng)能水箱達(dá)到用戶用水需求。

關(guān)鍵詞：STM32；W5500；以太網(wǎng)控制器

中圖分類號(hào)：TP312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）31-0042-02

Design of Control System for Solar Water Heater Based on Network

CHEN Run， ZHAO Yu-rong， JIN Jian， YAN Dong， MA Ming

（School of Electronics and Communication Engineering， Anhui Xinhua University， Hefei 230088 ， China）

Abstract：Based on the specific application of solar water heater， intelligent controller Based on Internet is designed. The system adopts ARM single-chip microcomputer and USES the W5500 Ethernet module to obtain the network weather data. The single-chip microcomputer can control the solar water tank to meet the users' demand by analyzing the user's requirements and weather data and the state of the solar water heater.

Key words： STM32； W5500； Ethernet controller

由于太陽(yáng)能熱水器的水溫會(huì)隨每天的天氣和和所處的季節(jié)變化而變化，因而太陽(yáng)能熱水器需要輔助加熱裝置才能保證全天候使用到熱水。目前市場(chǎng)上大多數(shù)太陽(yáng)能熱水器的控制系統(tǒng)安裝復(fù)雜、功能單一、控制不方便等問題，許多熱水器不能設(shè)定用戶對(duì)熱水需求，從而浪費(fèi)電能。因此設(shè)計(jì)出一種能夠?qū)崿F(xiàn)控制器獲取當(dāng)天的天氣情況與陽(yáng)光照射情況結(jié)合用戶每天平均用水量，在用戶非用水時(shí)間段對(duì)熱水器水箱內(nèi)補(bǔ)充水量，同時(shí)能夠在每天用戶用水時(shí)間段的水溫PID控制，達(dá)到用戶設(shè)定的溫度。

1 控制器的主要功能

控制系統(tǒng)具有以下功能：

1） 水溫預(yù)置，當(dāng)太陽(yáng)能熱水器水溫高于預(yù)置溫度的時(shí)候，會(huì)自動(dòng)向水箱里補(bǔ)充水位（水箱未滿的情況下）；當(dāng)在用戶用水時(shí)間段檢測(cè)水溫過低的時(shí)候，將啟動(dòng)電加熱至設(shè)定的溫度。

2） 智能水位，系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)用戶的每日平均最高熱水需求量，在每日最后用水時(shí)間段厚，系統(tǒng)控制電磁閥向水箱補(bǔ)充該水量的水位。

3） 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，連接因特網(wǎng)，獲取氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)測(cè)的天氣情況，設(shè)定相應(yīng)的水箱水位（但不低于用戶平均最高用水量）；將水箱里水位和水位等數(shù)據(jù)發(fā)送到Y(jié)eelink服務(wù)器，用戶可以在外通過手機(jī)就可以觀察數(shù)據(jù)情況。

2 控制器硬件及其設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以單片機(jī)STM32F103C8T6為控制器，主要部件采用西子TMC水溫水位探頭和德力西電磁水閥。

2.1W5500以太網(wǎng)絡(luò)控制器

W5500是WIZnet推出的高性能以太網(wǎng)接口芯片系列之一，內(nèi)部集成全硬件TCP/IP協(xié)議棧+MAC+PHY。全硬件協(xié)議棧技術(shù)采用硬件邏輯門電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的TCP/IP協(xié)議簇，其應(yīng)用具有簡(jiǎn)單快速、可靠性高、安全性好等顯著優(yōu)勢(shì)；內(nèi)部集成MAC和PHY工藝，使得單片機(jī)接入以太網(wǎng)方案的硬件設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)捷和高效。

2.2 水溫水位檢測(cè)原理

太陽(yáng)能熱水器的控制器通過“水位水溫傳感器”的電阻變化來檢測(cè)水位和水溫變化，從而自動(dòng)控制進(jìn)水、加熱等功能。

水位檢測(cè)原理：利用自來水能導(dǎo)電的性質(zhì)，輸出端有紅藍(lán)兩端，當(dāng)達(dá)到不同的水位輸出端會(huì)呈現(xiàn)五種不同的阻值，通過放大電路放大信號(hào)之后由單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換從而分辨出不同的水位。

水溫檢測(cè)原理：溫度傳感器電路將測(cè)量到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出到信號(hào)放大電路，與溫度值對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)經(jīng)放大后輸出至A/D換電路。最后采集到的水溫水位把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送給單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)顯示需要對(duì)數(shù)字量進(jìn)行處理，再送溫度顯示系統(tǒng)進(jìn)行顯示。

3 控制器軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能要求， 設(shè)計(jì)了如圖3所示的程序流程圖。

本系統(tǒng)基于μC/OS-II而設(shè)計(jì)，μC/OS-II是一種結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)而實(shí)用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)由于其是開放性源碼，μC/OS-II系統(tǒng)具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。首先系統(tǒng)初始化化后，對(duì)所有傳感器外設(shè)檢測(cè)復(fù)位并初始化，若檢測(cè)到某一傳感器無法正常工作，系統(tǒng)立即做出警告提示。

3.1 水位水溫檢測(cè)控制功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)置了5個(gè)檔水位即20%，40%，60%，80%，100%，模擬量接口的輸入電壓范圍0～3.3V，經(jīng)過濾波處理后，由單片機(jī)進(jìn)行ADC電壓采集。實(shí)際采集到的ADC數(shù)據(jù)經(jīng)過換算得到實(shí)際電壓，即

[V=Vadc4096*3.3V ]

根據(jù)計(jì)算后得到的電壓值0.66V，1.32V，1.98V，2.64V，3.3V分別對(duì)應(yīng)20%，40%，60%，80%，100%的水位。

溫度傳感器符合阻溫特性曲線，當(dāng)單片機(jī)采集到ADC電壓值，先計(jì)算回路熱敏電阻的阻值，然后有溫度計(jì)算公式計(jì)算出當(dāng)前溫度，其溫度計(jì)算公式如下

[T1=BT2T2*lnRtR+B]

其中[T2]=（273.15+25）Rt是熱電阻在[T1]溫度下的阻值，R是在[T2]常溫下的阻值，B是熱敏電阻的重要參數(shù)5800。

3.2W5500網(wǎng)絡(luò)通信功能設(shè)計(jì)

采用STM32微控制器和W5500芯片搭建的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)。發(fā)揮了STM32芯片內(nèi)核低成本低功耗的特性，同時(shí)W5500 內(nèi)嵌了TCP/IP 協(xié)議棧，連接過程是不需要單片機(jī)干預(yù)的，所以我們只需要設(shè)計(jì)Socket接口。這樣簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程，對(duì)系統(tǒng)有很大的提升。在μC/OS系統(tǒng)中進(jìn)行以太網(wǎng)的通信還必須先創(chuàng)建一個(gè)以太網(wǎng)任務(wù)并且把任務(wù)添加到μC/OS系統(tǒng)中的任務(wù)列表中來。

當(dāng)Socket作為客戶機(jī)時(shí)，初始化端口需要設(shè)置運(yùn)行模式（Sn_MR）和本機(jī)端口號(hào)（Sn_Port），然后端口命令寄存器打開（OPEN）端口，調(diào)用Socket_Connect（）程序連接服務(wù)器，并等待連接工作完成。端口交換數(shù)據(jù)需要通過Socket_send（）和Socket_recv（）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包傳輸。接下來，只需要向服務(wù)器發(fā)送http數(shù)據(jù)包和處理返回?cái)?shù)據(jù)包，就能完成狀態(tài)數(shù)據(jù)上傳及天氣數(shù)據(jù)的獲取。

4 結(jié)束語(yǔ)

利用單片機(jī)與網(wǎng)絡(luò)的相結(jié)合，解決了目前太陽(yáng)能熱水器用戶急待解決的智能化管理問題，減輕了使用者的現(xiàn)場(chǎng)操作精力，節(jié)約能源，具有很好的市場(chǎng)前景。同時(shí)，該控制器由于成本低廉，操作方便，容易為用戶接受，有較好的推廣和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馮平.黃壽明.基于單片機(jī)的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)的研究[J]. 湖南農(nóng)機(jī)，2011（9）.54-56.

[2] 舒易茂.李斌.基于89C52單片機(jī)的太陽(yáng)能熱水器智能控制系統(tǒng)[J]. 科技信息，2010（7）.30-32.

[3] 李香宇.太陽(yáng)能熱水器采暖控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D]. 沈陽(yáng)：東北大學(xué)，2009.

[4] 陶虎.基于GPRS的太陽(yáng)能智能熱水系統(tǒng)的研究[D]. 南寧：廣西大學(xué)，2013：54.

[5] 宋莉.太陽(yáng)能熱水器出水恒溫控制的方法設(shè)計(jì)研究[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2011.

[6] 譚浩強(qiáng).C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008：11-87.