智能家居中電熱水器設(shè)計方案

標(biāo)簽：AI442X  PIC

1. 應(yīng)用前景

隨著人們對生活品質(zhì)的不斷追求以及住宅智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，智能家居系統(tǒng)的配置越來越高，擁有了更加豐富的內(nèi)容。

智能家居的基本功能包括智能家電控制、智能照明、智能遙控電動窗簾、防盜報警、門禁對講、消防報警、煤氣泄露探測、遠(yuǎn)程抄表(水、電、氣)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通訊、視頻點播、智能空調(diào)、智能熱水器等，越來越多的新鮮名詞逐漸成為智能家居系統(tǒng)的重要組成部分。目前全球已經(jīng)有數(shù)以千萬計的家庭安裝了家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，據(jù)預(yù)測未來家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品需求仍將大幅度增長。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速持續(xù)增長，對未來家庭網(wǎng)絡(luò)的需求也呈現(xiàn)出強勁增長趨勢，其中智能熱水器作為智能家居不可以缺少的一個組成部分，有著廣闊的市場前景。

熱水器的使用范圍涉及家庭、酒店等各種場合，具有非常廣闊的市場。目前市場上熱水器品種主要有電熱水器、太陽能熱水器、燃?xì)鉄崴?。就國?nèi)具體情況而言,現(xiàn)在很多熱水器均采用人工手動調(diào)節(jié)或紅外遙控調(diào)節(jié)方式，家用電器傳統(tǒng)的遙控方式一般采用紅外線遙控，但是紅外線遙控要求遙控器和機體之間不能有障礙物，因此不能穿墻。隨著科技的發(fā)展和人們要求的提高，這種功能越來越不能滿足使用者的要求。為此我司研發(fā)出一種帶有RF無線遙控和網(wǎng)絡(luò)控制的熱水器，使用戶可以在家中和辦公室其他地方隨心所欲的控制熱水器的開關(guān)，極大地方便了使用者，也是對傳統(tǒng)方式的一個突破。

2. 產(chǎn)品特點

該熱水器產(chǎn)品示意圖如圖1所示，特點如下：

①該方案由網(wǎng)絡(luò)控制器、遙控器、熱水器控制器，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器4部分組成，其中各個控制器又可以獨立組成多個獨立系統(tǒng)，對熱水器進(jìn)行控制，如圖1所示，可以任意選擇熱水器的控制方式。

②網(wǎng)絡(luò)控制主芯片采用Microchip公司針對嵌入式系統(tǒng)的Internet接入應(yīng)用，開發(fā)出的8位集成以太網(wǎng)控制芯片PIC18F66J60，內(nèi)嵌了Microchip發(fā)布的基于此芯片的TCP/IP協(xié)議棧。

③無線遙控芯片采用美國Intergration公司的IA4421，遙控距離可達(dá)100米以上，至少能穿透20CM的墻進(jìn)行遙控。

④網(wǎng)絡(luò)控制器與熱水器控制器采用無線方式控制，避免熱水器安裝帶來布線煩惱。

3.網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器架構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是實現(xiàn)家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部各設(shè)備與外部設(shè)備相互通信的設(shè)備，是家庭網(wǎng)絡(luò)中最核心的構(gòu)成部分。通過家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備，可以與電信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，也可以進(jìn)行內(nèi)部設(shè)備之間的信息交互。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器在家庭內(nèi)部建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理中心，對家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，對外連接運營商網(wǎng)絡(luò)。它被定義為：一種簡單的、智能的、標(biāo)準(zhǔn)的、靈活的整個家庭網(wǎng)絡(luò)接口單元，可以從不同的外部網(wǎng)絡(luò)接收通信信號，通過家庭網(wǎng)絡(luò)傳遞信號給各個設(shè)備。基于電信網(wǎng)絡(luò)的家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器必須具備的兩個主要特點是提供寬帶接入能力和基于IP的數(shù)據(jù)處理能力。

我司開發(fā)的用于智能熱水器的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是基于網(wǎng)絡(luò)TCP/IP通信，通過C/S結(jié)構(gòu)對熱水器進(jìn)行接入。集數(shù)據(jù)庫服務(wù)﹑SMS服務(wù)與Web服務(wù)于一體，為用戶提供對熱器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測功能。它的簡單結(jié)構(gòu)如圖2：

圖 2 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器架構(gòu)

4. 接收控制系統(tǒng)設(shè)計

圖3 接收系統(tǒng)框架

接收控制系統(tǒng)的硬件主要框圖如圖3所示，本文只對其中比較重要的網(wǎng)絡(luò)接口電路和無線電路部分進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

4.1 網(wǎng)絡(luò)接口電路

主控器采用PIC18F66J60，是microchip公司新推出的一款以太網(wǎng)微控制器，具有出色的計算性能、豐富的功能集以及極具競爭力的價格，包括一系列串行通信外設(shè)，多至2個獨立增強型USART 和2個主控SSP模塊，能夠進(jìn)行SPI 和I2C? (主控和從動)模式操作，具有嵌入式以太網(wǎng)控制器模塊。

本文的連接解決方案，完全實現(xiàn)介質(zhì)訪問控制和物理層收發(fā)器模塊，只需使用兩個脈沖變壓器和一些無源器件即可將單片機直接與以太網(wǎng)相連。網(wǎng)絡(luò)接口電路如圖4所示，TPIN+/TPIN- 和TPOUT+/TPOUT- 引腳與用于以太網(wǎng)操作的1:1 中心抽頭脈沖變壓器相連。當(dāng)使能以太網(wǎng)模塊時，兩個TPOUT 引腳會有持續(xù)的電流流入;當(dāng)收發(fā)器模塊在發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過改變TPOUT+ 和TPOUT-的相對電流大小，將在以太網(wǎng)電纜上產(chǎn)生一個差分電壓，發(fā)送和接收接口均需要另外使用兩個電阻和一個電容正確與傳輸線相連，最大限度地減少信號反射，增加通信信號的穩(wěn)定。

圖4 網(wǎng)絡(luò)接口電路

4.2無線接口電路

無線模塊采用美國INTEGRATION公司的無線收發(fā)單芯片IA4421。該芯片是一個完整的無線收發(fā)機，包括內(nèi)在的多邊帶PLL合成器、PA、LNA、混頻器、基帶濾波器、中頻放大器、信號強度指示RSSI、數(shù)據(jù)質(zhì)量偵測DQD、電池電壓偵測、AFC和微控制器，外圍元件很少，性能穩(wěn)定可靠。模塊為一小巧的、低功耗FSK調(diào)制收發(fā)器，具有很高的接收靈敏度，可工作在433MHz、868MHz和915MHz頻段，每個頻段均有16個頻道可供選擇。

IA4421只需使用5個I/O口即可工作，采用SPI兼容控制接口作為數(shù)據(jù)通訊接口。各個接口功能如下：SCK：SPI串口時鐘輸入;SDI：SPI串口數(shù)據(jù)輸入;NSEL：SPI片選輸入(低電平有效);SDO：SPI串口數(shù)據(jù)輸出;NIRQ：中斷請求輸出(低電平有效);芯片具有體積小、功耗低等優(yōu)點，非常適合于無線設(shè)備。電路連接如圖5所示。

圖5 無線模塊接口

5.遙控系統(tǒng)硬件框架

該遙控采用PIC微控器、IA4421無線傳輸芯片,基于IA4421的無線模塊工作頻率為433MHz、通訊速率為9.6KB、數(shù)據(jù)傳輸空曠距離不小于110米、至少能夠穿透2堵墻,可以滿足大部分用戶要求。該無線搖控器具有功能如下：設(shè)定水溫溫度、顯示水溫溫度、設(shè)定即時加熱模式、設(shè)定主機電源開關(guān)、設(shè)定智能控制、功率檔位設(shè)定、時間顯示、具備運行模式和睡眠模式、無線學(xué)習(xí)，當(dāng)學(xué)習(xí)鍵按下時，進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)，學(xué)習(xí)指示燈LED亮，當(dāng)學(xué)習(xí)成功后，立即返回，LED燈滅，平時為透明數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)。遙控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 遙控系統(tǒng)硬件框圖

電源部分使用2顆1.5V的AAA電池供電。系統(tǒng)待機的狀態(tài)下，IA4421和PIC16F689都處于睡眠狀態(tài)，LCD關(guān)閉，降低系統(tǒng)的功耗。

IA4421模塊電路連接與接收系統(tǒng)的模塊部分基本一樣，如圖4所示，都是使用SPI方式與無線模塊通信。

6. 接收控制系統(tǒng)軟件框圖

圖7 接收控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

本方案軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖7所示，由于該流程比較復(fù)雜，受篇幅有限，本文只對其比較重要的部分作一個大概的介紹。

6.1 IA4421驅(qū)動流程

RF驅(qū)動主要是對IA4421寄存器進(jìn)行初始化設(shè)置，如通訊速率、通信頻率、電源管理、輸出功率等進(jìn)行設(shè)置。IA4421的初始化流程如圖8所示，流程簡單，方便用戶更加容易理解和使用。

圖8 IA4421驅(qū)動

6.2以太網(wǎng)驅(qū)動流程

以太網(wǎng)驅(qū)動有3種通訊模式，分別為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。在此模式下無需建立連接的請求和應(yīng)答，數(shù)據(jù)直接進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。具體流程簡圖如圖9所示。

圖9 以太網(wǎng)驅(qū)動流程

其中，各狀態(tài)說明如下：

①SM_APP_INIT： 起始狀態(tài)，進(jìn)行初始化，并根據(jù)參數(shù)設(shè)置進(jìn)入相關(guān)狀態(tài)。

②SM_APP_ARP_ASK: 向遠(yuǎn)端主機發(fā)出地址解析包，根據(jù)IP 地址請求對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)地址。

③SM_APP_ARP_RESOLVE: 接受遠(yuǎn)端主機發(fā)出地址解析包，設(shè)置遠(yuǎn)端主機的網(wǎng)絡(luò)地址。

④SM_APP_UDP_SOCKET: 建立UPD 連接。

⑤SM_APP_UDP: 進(jìn)行UPD連接模式下的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。

⑥SM_APP_ERROR: 空狀態(tài)，用于程序的調(diào)試。

7. RF遙控系統(tǒng)軟件框架

圖10 RF遙控軟件結(jié)構(gòu)

RF遙控軟件流程如圖10所示，包括MCU的初始化、變量初始化、IA4421初始化、LCD初始化、主程序的循環(huán)檢測。

主循環(huán)包括按鍵輸入檢測、無線數(shù)據(jù)發(fā)送、無線信號的接收和反饋數(shù)據(jù)的處理、LCD數(shù)據(jù)顯示，即能正確地發(fā)送用戶輸入的信息以及把熱水器的各個狀態(tài)及時反饋回手持設(shè)備的LCD上，讓用戶一目了然。

8. 小結(jié)

該方案主要是以IAI442X系列芯片和PIC系列微控制器研發(fā)的智能家居控制方案，可以方便地推廣應(yīng)用到各種智能家居系統(tǒng)中。