智能家居中电热水器设计方案

      1. 应用前景  
        
       随着人们对生活品质的不断追求以及住宅智能化技术的不断发展，智能家居系统的配置越来越高，拥有了更加丰富的内容。

      智能家居的基本功能包括智能家电控制、智能照明、智能遥控电动窗帘、防盗报警、门禁对讲、消防报警、煤气泄露探测、远程抄表（水、电、气）系统、网络通讯、视频点播、智能空调、智能热水器等，越来越多的新鲜名词逐渐成为智能家居系统的重要组成部分。目前全球已经有数以千万计的家庭安装了家庭网络产品，据预测未来家庭网络产品需求仍将大幅度增长。随着我国经济的快速持续增长，对未来家庭网络的需求也呈现出强劲增长趋势，其中智能热水器作为智能家居不可以缺少的一个组成部分，有着广阔的市场前景。  
         
      热水器的使用范围涉及家庭、酒店等各种场合，具有非常广阔的市场。目前市场上热水器品种主要有电热水器、太阳能热水器、燃气热水器。就国内具体情况而言,现在很多热水器均采用人工手动调节或红外遥控调节方式，家用电器传统的遥控方式一般采用红外线遥控，但是红外线遥控要求遥控器和机体之间不能有障碍物，因此不能穿墙。随着科技的发展和人们要求的提高，这种功能越来越不能满足使用者的要求。为此我司研发出一种带有RF无线遥控和网络控制的热水器，使用户可以在家中和办公室其他地方随心所欲的控制热水器的开关，极大地方便了使用者，也是对传统方式的一个突破。 

      2. 产品特点  
         
      该热水器产品示意图如图1所示，特点如下：  
         
      ①该方案由网络控制器、遥控器、热水器控制器，网络服务器4部分组成，其中各个控制器又可以独立组成多个独立系统，对热水器进行控制，如图1所示，可以任意选择热水器的控制方式。  
         
      ②网络控制主芯片采用Microchip公司针对嵌入式系统的Internet接入应用，开发出的8位集成以太网控制芯片PIC18F66J60，内嵌了Microchip发布的基于此芯片的TCP/IP协议栈。  
         
      ③无线遥控芯片采用美国Intergration公司的IA4421，遥控距离可达100米以上，至少能穿透20CM的墙进行遥控。  
         
      ④网络控制器与热水器控制器采用无线方式控制，避免热水器安装带来布线烦恼。 

      3.网络服务器架构 
         
      网络服务器是实现家庭网络内部各设备与外部设备相互通信的设备，是家庭网络中最核心的构成部分。通过家庭网络内的设备，可以与电信网络进行信息交互，也可以进行内部设备之间的信息交互。网络服务器在家庭内部建立统一的数据处理中心，对家庭内部数据进行管理，对外连接运营商网络。它被定义为：一种简单的、智能的、标准的、灵活的整个家庭网络接口单元，可以从不同的外部网络接收通信信号，通过家庭网络传递信号给各个设备。基于电信网络的家庭网络服务器必须具备的两个主要特点是提供宽带接入能力和基于IP的数据处理能力。 
         
      我司开发的用于智能热水器的网络服务器是基于网络TCP/IP通信，通过C/S结构对热水器进行接入。集数据库服务﹑SMS服务与Web服务于一体，为用户提供对热器进行远程控制与监测功能。它的简单结构如图2：

图 2 网络服务器架构 
  

          4. 接收控制系统设计

图3 接收系统框架 [page]

      接收控制系统的硬件主要框图如图3所示，本文只对其中比较重要的网络接口电路和无线电路部分进行详细的介绍。 
      
       4.1 网络接口电路 
         
       主控器采用PIC18F66J60，是microchip公司新推出的一款以太网微控制器，具有出色的计算性能、丰富的功能集以及极具竞争力的价格，包括一系列串行通信外设，多至2个独立增强型USART 和2个主控SSP模块，能够进行SPI 和I2C? （主控和从动）模式操作，具有嵌入式以太网控制器模块。 
         
       本文的连接解决方案，完全实现介质访问控制和物理层收发器模块，只需使用两个脉冲变压器和一些无源器件即可将单片机直接与以太网相连。网络接口电路如图4所示，TPIN+/TPIN- 和TPOUT+/TPOUT- 引脚与用于以太网操作的1:1 中心抽头脉冲变压器相连。当使能以太网模块时，两个TPOUT 引脚会有持续的电流流入；当收发器模块在发送数据时，通过改变TPOUT+ 和TPOUT-的相对电流大小，将在以太网电缆上产生一个差分电压，发送和接收接口均需要另外使用两个电阻和一个电容正确与传输线相连，最大限度地减少信号反射，增加通信信号的稳定。

图4  网络接口电路

      4.2无线接口电路 
          
        无线模块采用美国INTEGRATION公司的无线收发单芯片IA4421。该芯片是一个完整的无线收发机，包括内在的多边带PLL合成器、PA、LNA、混频器、基带滤波器、中频放大器、信号强度指示RSSI、数据质量侦测DQD、电池电压侦测、AFC和微控制器，外围元件很少，性能稳定可靠。模块为一小巧的、低功耗FSK调制收发器，具有很高的接收灵敏度，可工作在433MHz、868MHz和915MHz频段，每个频段均有16个频道可供选择。 
        
        IA4421只需使用5个I/O口即可工作，采用SPI兼容控制接口作为数据通讯接口。各个接口功能如下：SCK：SPI串口时钟输入；SDI：SPI串口数据输入；NSEL：SPI片选输入(低电平有效)；SDO：SPI串口数据输出；NIRQ：中断请求输出(低电平有效)；芯片具有体积小、功耗低等优点，非常适合于无线设备。电路连接如图5所示。

图5 无线模块接口

      5.遥控系统硬件框架 
         
       该遥控采用PIC微控器、IA4421无线传输芯片,基于IA4421的无线模块工作频率为433MHz、通讯速率为9.6KB、数据传输空旷距离不小于110米、至少能够穿透2堵墙,可以满足大部分用户要求。该无线摇控器具有功能如下：设定水温温度、显示水温温度、设定即时加热模式、设定主机电源开关、设定智能控制、功率档位设定、时间显示、具备运行模式和睡眠模式、无线学习，当学习键按下时，进入学习状态，学习指示灯LED亮，当学习成功后，立即返回，LED灯灭，平时为透明数据传送状态。遥控系统硬件结构如图6所示。

 图6  遥控系统硬件框图

         电源部分使用2颗1.5V的AAA电池供电。系统待机的状态下，IA4421和PIC16F689都处于睡眠状态，LCD关闭，降低系统的功耗。 
       
           IA4421模块电路连接与接收系统的模块部分基本一样，如图4所示，都是使用SPI方式与无线模块通信。 [page]

         6. 接收控制系统软件框图 

图7 接收控制系统软件结构

        本方案软件设计结构如图7所示，由于该流程比较复杂，受篇幅有限，本文只对其比较重要的部分作一个大概的介绍。

       6.1   IA4421驱动流程 
         
       RF驱动主要是对IA4421寄存器进行初始化设置，如通讯速率、通信频率、电源管理、输出功率等进行设置。IA4421的初始化流程如图8所示，流程简单，方便用户更加容易理解和使用。  

图8 IA4421驱动  

 

       6.2以太网驱动流程 
         
       以太网驱动有3种通讯模式，分别为TCP SERVER模式、TCP CLIENT模式、UDP模式 ，本文使用UDP模式，UDP模式比TCP模式具有更高的效率和更快的速度。在此模式下无需建立连接的请求和应答，数据直接进行双向数据传输。具体流程简图如图9所示。  

图9  以太网驱动流程

         其中，各状态说明如下：
         ①SM_APP_INIT： 起始状态，进行初始化，并根据参数设置进入相关状态。
         ②SM_APP_ARP_ASK:  向远端主机发出地址解析包，根据IP 地址请求对应的网络地址。
         ③SM_APP_ARP_RESOLVE:  接受远端主机发出地址解析包，设置远端主机的网络地址。
         ④SM_APP_UDP_SOCKET:  建立UPD 连接。
         ⑤SM_APP_UDP:  进行UPD连接模式下的数据接收和发送。
         ⑥SM_APP_ERROR:  空状态，用于程序的调试。

     7. RF遥控系统软件框架

图10 RF遥控软件结构

         RF遥控软件流程如图10所示，包括MCU的初始化、变量初始化、IA4421初始化、LCD初始化、主程序的循环检测。
       
         主循环包括按键输入检测、无线数据发送、无线信号的接收和反馈数据的处理、LCD数据显示，即能正确地发送用户输入的信息以及把热水器的各个状态及时反馈回手持设备的LCD上，让用户一目了然。 
  
        8. 小结 
         
        本文对我司研发的智能热水器方案的功能、硬件和软件作了一个简单的介绍。该方案主要是以IAI442X系列芯片和PIC系列微控制器研发的智能家居控制方案，可以方便地推广应用到各种智能家居系统中。