关键词: STM32F103ZET6 ，太阳能热水器，机警云AIoT云平台 ，远程监控
本文为办理此类问题设计了一种基于机警云物联网平台的太阳能热水器掌握系统。机警云平台是一个用于物联网开拓的云做事平台，为开拓者供应了自助式智能硬件开拓工具与开放的云端做事。它可以自动天生MCU和移动终真个代码，通过固定式的自助工具、完善的SDK与API做事能力最大限度降落了物联网硬件开拓的技能门槛，缩减了开拓者的研发本钱，提升了产品投产速率，进而帮助开拓者进行硬件智能化升级，更好地连接、做事终极消费者。
该系统中主掌握芯片STM32F103ZET6通过Wi-Fi无线通信模块将太阳能热水器干系参数和状态发送给基于机警云平台开拓的手机APP界面来显示，从而实现远程操作掌握，让用户在各个地方都能对家中设备进行查看和操控，操作更加便捷，在知足用户需求的根本上尽可能地减少能耗。
1，总体方案设计
本系统由主掌握器STM32F103芯片、温度传感器、液位传感器、电辅热装置、上水掌握装置、报警装置、Wi-Fi通讯模块、机警云物联网平台和手机终端组成。个中电辅热装置包括继电器和与之相连接的加热棒，上水掌握装置包括继电器和与其相连的电磁水阀。温度传感器和液位传感器将从太阳能水箱中采集的信息传输给主掌握器，主掌握器将传输过来的数据进行加工、处理与显示。然后，通过Wi-Fi无线通信模块将数据传输给基于机警云平台开拓的手机APP界面来显示，用户可通过手机APP设定空想程度和水位。
系统还加入了报警装置和定时功能，当系统发生干烧或者水温过高时，系统会发出报警提醒。此外，用户也可以通过系统定时功能选择任意韶光加热和上水，方便快捷，详细的系统构造框图如图1所示。全体系统优化了传感器的选取，同时与机警云物联网开拓平台相结合，有针对性地办理了传统掌握系统中的不敷，利用户能够随时随地查看热水器状态且对热水器进行操控，知足了用户需求，节约了更多能源，改进了用户体验。
太阳能热水器系统构造框图
2 系统的硬件设计
2.1 温度传感器模块与报警装置
本系统须要丈量太阳能热水器中的水温，范围为0～100℃，经由综合比拟，选择DS18B20作为系统的温度丈量模块。DS18B20温度传感器的温度丈量范围为-55～+125℃，精度为±0.5℃。现场温度直接以“一线总线”的数字办法传输，大大提高了系统的抗滋扰性。利用时需将DS18B20置于太阳能水箱的底部，以担保当太阳能水箱内水位过低时，也能够实时检测水箱内水的温度。
为了防止意外，本系统添加了声光报警装置，该装置是由一个有源蜂鸣器和两个LED灯组成，个中一个是水位报警，另一个是高温报警。当太阳能水箱中水位低于设定值或者水箱中水温高于设定值时，声光报警装置启动，以引起操作职员的把稳，同时主掌握器也会发出事情旗子暗记，停滞上水或加热操作。
2.2 液位传感器模块
本系统选择的是科赛沃电子科技有限公司生产的KY系列压力传感器，它采取的是硅压阻式差压压力芯体，压力传感器输出端口的电压与检测口处的压强成正比例线性关系。根据帕斯卡定律，液体内部压强与液体深度有关，因此将检测口放于水箱底部，通过丈量输出端口的输出电压，即可打算出水箱水位。利用前需将检测口放置到太阳能热水器蓄水箱底端，导气管高于水箱顶部，这样当液面高于检测点时，丈量点处的压器即为液体压强。
2.3 电辅热模块和上水掌握模块
本系统中的电辅热模块包含继电器和加热棒，上水掌握模块包含电器继电器和电磁水阀。个中继电器是实现外部设备掌握的紧张手段，因此继电器的有效掌握是实行器模块安全稳定运行的担保。继电器种类繁多，本系统经由对加热棒和电磁水阀的功率进行剖析，选择了HRS4H-S-DC12V型继电器。图2为该型号继电器的驱动电路图，主掌握器通过该电路完成对继电器的掌握，从而实现上水和加热两个掌握动作。
继电器驱动电路图
下面以上水动作为例，先容其事情过程。图2中的SIGNAL-IN连接主掌握器的某个I/O口，实行器为电磁水阀。当须要打开上水开关时，掌握器使该I/O口输出高电平旗子暗记，此时MC1413输入引脚1脚为高电平，输出引脚16脚为低电平，此时继电器K3通电吸合，使得继电器输出侧1A和1B导通，输出回路中电磁水阀通电事情，系统开始对水箱上水，同时对应的指示灯发光。当上水到指定值时，掌握器使PG14口输出低电平，MC1413的16脚输出为高电平，继电器断电开释，电磁水阀断电停滞事情，上水动作结束。
加热掌握电路与上水掌握电路相同，仅仅是实行器由电磁水阀换成了电加热棒。此外，利用到的继电器驱动电路事理图也与上水掌握相同，两个继电器都选择了MC1413进行掌握，大大减小了后级电路对主掌握器电路的滋扰，同时可以将电压旗子暗记放大，增强其驱动能力。
本方案选择的电磁水阀是AC220V常闭铜电磁水阀，当接入220V互换电时开关开启，水流利过，断电时开关闭合，水流截止。选择的加热棒是AC220V整体防水加热管，其具有耐久耐用、防堕落等优点，所选继电器输出侧最高可承受2500W，该加热棒正常事情时的功率为1000W，在继电器可承受的功率范围内，知足系统哀求。
2.4 Wi-Fi无线通讯模块设计
通信模块紧张采取ALIENTEK公司推出的AKT-ESP8266为核心模块，该模块为UART-Wi-Fi模块。通过对STM32的串口初始化后，模块与主控芯片能够进行串口通信。选用平台为机警云平台，机警云拥有大量的开拓履历和技能积累，其所供应的GAgent通信协议能与模块发生交互以进行数据交流[4-6]。平台软件兼容并支持ESP8266模块，在对ESP8266完成初始化之后，事情时通过机警云的手机APP与ESP8266进行云真个数据交传播输，从而完成对系统的掌握。而个中的通信内容能够被存储到云平台的开拓者中央。
主程序流程图
3 系统软件设计1
3.1 主程序流程
主程序开始后首先对各个模块进行初始化和进行设备的自动配网。然后进入主循环程序，在温度检测、水位检测、报警处理、韶光定时、数据传输等子程序一直地被调用的同时也对系统状态进行检测判断，若有非常情形立即进行相应处理，其流程图如图3所示。
在主循环程序中，首先对传感器模块子程序进行调用，读取所检测的温度、水位等数据；然后根据这些数据判断系统是否事情在非常状态，其标准是判断水温是否过高，高于设定值和水位是否过低，低于设定值。若有非常，则掌握报警装置发出报警信息，同时发送指令给实行器子程序掌握上水装置或加热装置停滞事情，若无非常，则连续实行下面的程序；
第二次判断有无吸收得手机终端所发出的掌握指令，若吸收到掌握指令则相应当指令，未吸收到掌握指令则根据韶光、系统数据和事情模式调用实行器子程序，对系统的运行状态进行掌握。之后调用定时器子程序完成定时操作，末了调用数据传输子程序，将系统数据和运行状态发送至手机终端，进入下一轮循环。
加热流程图
3.2 实行器子程序
实行器子程序包含着完成上水和加热两种动作的全体过程。系统的加热操作过程与上水操作过程基本相同，下面就以加热操作为例，详细讲解实行器子程序的运行流程。加热流程图如图4所示。
当系统温度高于设定值时，掌握器会掌握继电器断开加热棒的电源，使加热棒处于停滞加热状态；当系统温度低于设定值时，判断系统是否处于可加热状态，判断的依据是水位是否过低会导致加热棒干烧。如果处于可加热状态，掌握加热棒加热，当水温达到设定水位后，加热棒停滞加热。如果未处于可加热状态，则向用户发送低水位信息，提醒用户水位过低，无法加热。
4，机警云物联网平台的设置
4.1 数据点的设置
设计中的通信部分选用了机警云Aiot开拓平台[7]，首先须要通过机警云平台来完成其通信部分的代码，在机警云平台中天生项目后下载平台供应的部分代码。在天生的项目中，须要向个中添加数据点，数据点的读写类型可区分为只读、可写、报警、故障4种：只读型数据点，即只能够读取数据点的返回数值，而不能对数据点写入数值；而可写型数据点既可以对数据点写入数值也可以读取数据点返回数值；
报警和故障类型的数据点一样平常用于监测系统故障时的非常变量。本设计中仅利用了前两种，而每种类型数据点又有不同的数据类型。掌握开关部分采取了可写类型数据点，布尔量类型数据，即0为关闭，1为开启；变量的设置部分也采取了可写类型数据点，数据类型为数值型；而温度和水位返回值部分采取只读类型数据点，数据类型为数值型[8]，用于显示当前太阳能水箱中程度和水位信息。在设计中，数据点是很主要的一部分，以是需先将数据点设置好再进行之后的开拓。
采取STM32 Cube MX来创建工程，它能够初始化芯片所有的外设配置，而KeilμVision5作为开拓环境。
本设计中选用了10个数据点对应不同的功能，通过对系统需求的剖析，该系统须要5个布尔型的数据点来分别实现模式切换、加热状态切换、上水状态切换、加热定时状态切换、上水定时状态切换，同时须要5个数值型的数据点来分别实现温度显示、水位显示、温度设置、水位设置、温度定时设置、水位定时设置。数据点详细情形如表1所示。
4.2 机警云自天生APP的二次开拓
机警云AIoT开拓平台能够根据开拓者创建的项目，天生对应的手机APP框架，在天生的APP框架中已经封装了手机（包括PAD等设备）与机警云智能硬件的通讯过程，以及手机与云真个通讯过程。这些过程包括配置入网、创造、连接、掌握、心跳、状态上报、报警关照等。以是在Anddrio Studio的开拓环境下对机警云做事平台天生的APP框架进行二次开拓时，只须要调用相应的API函数对APP的UI界面进行修正即可。通过对APP的界面的背景，页面进行布局，数据的显示等方面的修正得到了如图5所示的手机APP界面。
5系统测试
为了方便测试，在系统中加了一块LCD显示屏，用于显示系统的参数，方便与手机APP进行比拟。所设计的硬件平台在接入12V直流电源后，打开手机APP查看设备是否连接，确认手机APP与主掌握器持续通讯后。机警云平台会每隔固定时间会向主掌握器发送查询指令，主掌握器吸收到查询指令后会将所采集的水温水位等数据发送给机警云平台，从而在APP上显示出来。在APP界面中有按钮可对系统的参数和运行状态进行变动，当点击上水按钮后，APP会向主掌握器发送掌握指令，主掌握器吸收到指令后会发出旗子暗记掌握上水继电器吸合，同时在APP界面上会有相应的显示变革。
当主掌握器对APP发出的掌握指令进行相应后，继电器指示灯会变亮，同时在用于测试LCD屏中开关状态也会有相应变革，S1表示上水开关，S2表示加热开关。图6中Temp代表所水温，Depth代表的是水位，Mode代表的是当前系统事情模式，本文中Auto表示智能模式，T1表示自动上水韶光，A1表示上水量，T2表示加热韶光，A2表示加热温度。
由图6和图7可以看出，APP显示的数据与用于测试的LCD显示屏参数保图5手机APP终端掌握界面图持同等，且在APP界面中进行操作可以完成掌握指令的下发。测试表明，所设计的手机APP既能显示热水器的状态和参数，又能达到掌握上水和加热的效果。
用于测试的LCD显示屏界面图
远程手机APP显示界面图
本文设计了一种基于机警云物联网平台的太阳能掌握系统，以STM32F103ZET6芯片为主掌握器，以ATK-ESP8266 Wi-Fi芯片作为物联网通讯模块与机警云物联网平台互联，再合营各个功能模块的电路设计，实现了用户可以通过手机终真个APP在任意韶光、任意地点对太阳能进行实时监控。实验表明该系统能够准确和稳定地对太阳能系统进行实时监控。
