智能家居中電熱水器設(shè)計(jì)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(bào)警、門禁對講、消防報(bào)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(diǎn)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(jì)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(qiáng)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(gè)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(jī)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(gè)突破。

2. 產(chǎn)品特點(diǎn)

該熱水器產(chǎn)品示意圖如圖1所示，特點(diǎn)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(gè)控制器又可以獨(dú)立組成多個(gè)獨(dú)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(shí)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(yùn)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(gè)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(gè)設(shè)備?；陔娦啪W(wǎng)絡(luò)的家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器必須具備的兩個(gè)主要特點(diǎn)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(jì)

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(jì)算性能、豐富的功能集以及極具競爭力的價(jià)格，包括一系列串行通信外設(shè)，多至2個(gè)獨(dú)立增強(qiáng)型USART 和2個(gè)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(shí)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(gè)脈沖變壓器和一些無源器件即可將單片機(jī)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(shí)，兩個(gè)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(shí)，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(gè)差分電壓，發(fā)送和接收接口均需要另外使用兩個(gè)電阻和一個(gè)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(gè)完整的無線收發(fā)機(jī)，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(qiáng)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(gè)頻段均有16個(gè)頻道可供選擇。

IA4421只需使用5個(gè)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(gè)接口功能如下：SCK：SPI串口時(shí)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(diǎn)，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(shí)加熱模式、設(shè)定主機(jī)電源開關(guān)、設(shè)定智能控制、功率檔位設(shè)定、時(shí)間顯示、具備運(yùn)行模式和睡眠模式、無線學(xué)習(xí)，當(dāng)學(xué)習(xí)鍵按下時(shí)，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(shí)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(jī)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(jì)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(gè)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(jī)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(jī)發(fā)出地址解析包，設(shè)置遠(yuǎn)端主機(jī)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(gè)狀態(tài)及時(shí)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。