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摘要：结合太阳能热水器的具体应用，设计了基于互联网的智能化控制器。系统采用ARM单片机，利用W5500以太网模块获取网络天气数据，单片机通过分析用户设定需求和天气数据及太阳能热水器状态，从而控制太阳能水箱达到用户用水需求。
关键词：STM32；W5500；以太网控制器
中图分类号：TP312 文献标识码：A 文章编号：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
由于太阳能热水器的水温会随每天的天气和和所处的季节变化而变化，因而太阳能热水器需要辅助加热装置才能保证全天候使用到热水。目前市场上大多数太阳能热水器的控制系统安装复杂、功能单一、控制不方便等问题，许多热水器不能设定用户对热水需求，从而浪费电能。因此设计出一种能够实现控制器获取当天的天气情况与阳光照射情况结合用户每天平均用水量，在用户非用水时间段对热水器水箱内补充水量，同时能够在每天用户用水时间段的水温PID控制，达到用户设定的温度。
1 控制器的主要功能
控制系统具有以下功能：
1） 水温预置，当太阳能热水器水温高于预置温度的时候，会自动向水箱里补充水位（水箱未满的情况下）；当在用户用水时间段检测水温过低的时候，将启动电加热至设定的温度。
2） 智能水位，系统将会根据用户的每日平均最高热水需求量，在每日最后用水时间段厚，系统控制电磁阀向水箱补充该水量的水位。
3） 网络服务，连接因特网，获取气象数据，根据预测的天气情况，设定相应的水箱水位（但不低于用户平均最高用水量）；将水箱里水位和水位等数据发送到Yeelink服务器，用户可以在外通过手机就可以观察数据情况。
2 控制器硬件及其设计
本系统以单片机STM32F103C8T6为控制器，主要部件采用西子TMC水温水位探头和德力西电磁水阀。
2.1W5500以太网络控制器
W5500是WIZnet推出的高性能以太网接口芯片系列之一，内部集成全硬件TCP/IP协议栈 MAC PHY。全硬件协议栈技术采用硬件逻辑门电路实现复杂的TCP/IP协议簇，其应用具有简单快速、可靠性高、安全性好等显著优势；内部集成MAC和PHY工艺，使得单片机接入以太网方案的硬件设计更为简捷和高效。
2.2 水温水位检测原理
太阳能热水器的控制器通过“水位水温传感器”的电阻变化来检测水位和水温变化，从而自动控制进水、加热等功能。
水位检测原理：利用自来水能导电的性质，输出端有红蓝两端，当达到不同的水位输出端会呈现五种不同的阻值，通过放大电路放大信号之后由单片机AD转换从而分辨出不同的水位。
水温检测原理：温度传感器电路将测量到的温度信号转换成电压信号输出到信号放大电路，与温度值对应的电压信号经放大后输出至A/D换电路。最后采集到的水温水位把电压信号转换成数字量送给单片机系统，单片机系统根据显示需要对数字量进行处理，再送温度显示系统进行显示。
3 控制器软件设计
根据对太阳能热水器自动控制系统的功能要求， 设计了如图3所示的程序流程图。
本系统基于μC/OS-II而设计，μC/OS-II是一种结构精简而实用的实时操作系统由于其是开放性源码，μC/OS-II系统具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点。首先系统初始化化后，对所有传感器外设检测复位并初始化，若检测到某一传感器无法正常工作，系统立即做出警告提示。
3.1 水位水温检测控制功能设计
本系统设置了5个档水位即20%，40%，60%，80%，100%，模拟量接口的输入电压范围0～3.3V，经过滤波处理后，由单片机进行ADC电压采集。实际采集到的ADC数据经过换算得到实际电压，即
[V=Vadc4096*3.3V ]
根据计算后得到的电压值0.66V，1.32V，1.98V，2.64V，3.3V分别对应20%，40%，60%，80%，100%的水位。
溫度传感器符合阻温特性曲线，当单片机采集到ADC电压值，先计算回路热敏电阻的阻值，然后有温度计算公式计算出当前温度，其温度计算公式如下 [T1=BT2T2*lnRtR B]
其中[T2]=（273.15 25）Rt是热电阻在[T1]温度下的阻值，R是在[T2]常温下的阻值，B是热敏电阻的重要参数5800。
3.2W5500网络通信功能设计
采用STM32微控制器和W5500芯片搭建的网络系统，结构简单、易于实现。发挥了STM32芯片内核低成本低功耗的特性，同时W5500 内嵌了TCP/IP 协议栈，连接过程是不需要单片机干预的，所以我们只需要设计Socket接口。这样简化了设计流程，对系统有很大的提升。在μC/OS系统中进行以太网的通信还必须先创建一个以太网任务并且把任务添加到μC/OS系统中的任务列表中来。
当Socket作為客户机时，初始化端口需要设置运行模式（Sn_MR）和本机端口号（Sn_Port），然后端口命令寄存器打开（OPEN）端口，调用Socket_Connect（）程序连接服务器，并等待连接工作完成。端口交换数据需要通过Socket_send（）和Socket_recv（）实现数据包传输。接下来，只需要向服务器发送http数据包和处理返回数据包，就能完成状态数据上传及天气数据的获取。
4 结束语
利用单片机与网络的相结合，解决了目前太阳能热水器用户急待解决的智能化管理问题，减轻了使用者的现场操作精力，节约能源，具有很好的市场前景。同时，该控制器由于成本低廉，操作方便，容易为用户接受，有较好的推广和经济价值。
参考文献：
[1] 冯平.黄寿明.基于单片机的太阳能热水器控制系统的研究[J]. 湖南农机，2011（9）.54-56.
[2] 舒易茂.李斌.基于89C52单片机的太阳能热水器智能控制系统[J]. 科技信息，2010（7）.30-32.
[3] 李香宇.太阳能热水器采暖控制系统的设计[D]. 沈阳：东北大学，2009.
[4] 陶虎.基于GPRS的太阳能智能热水系统的研究[D]. 南宁：广西大学，2013：54.
[5] 宋莉.太阳能热水器出水恒温控制的方法设计研究[D].青岛：中国海洋大学，2011.
[6] 谭浩强.C语言程序设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008：11-87.
关键词：STM32；W5500；以太网控制器
中图分类号：TP312 文献标识码：A 文章编号：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
由于太阳能热水器的水温会随每天的天气和和所处的季节变化而变化，因而太阳能热水器需要辅助加热装置才能保证全天候使用到热水。目前市场上大多数太阳能热水器的控制系统安装复杂、功能单一、控制不方便等问题，许多热水器不能设定用户对热水需求，从而浪费电能。因此设计出一种能够实现控制器获取当天的天气情况与阳光照射情况结合用户每天平均用水量，在用户非用水时间段对热水器水箱内补充水量，同时能够在每天用户用水时间段的水温PID控制，达到用户设定的温度。
1 控制器的主要功能
控制系统具有以下功能：
1） 水温预置，当太阳能热水器水温高于预置温度的时候，会自动向水箱里补充水位（水箱未满的情况下）；当在用户用水时间段检测水温过低的时候，将启动电加热至设定的温度。
2） 智能水位，系统将会根据用户的每日平均最高热水需求量，在每日最后用水时间段厚，系统控制电磁阀向水箱补充该水量的水位。
3） 网络服务，连接因特网，获取气象数据，根据预测的天气情况，设定相应的水箱水位（但不低于用户平均最高用水量）；将水箱里水位和水位等数据发送到Yeelink服务器，用户可以在外通过手机就可以观察数据情况。
2 控制器硬件及其设计
本系统以单片机STM32F103C8T6为控制器，主要部件采用西子TMC水温水位探头和德力西电磁水阀。
2.1W5500以太网络控制器
W5500是WIZnet推出的高性能以太网接口芯片系列之一，内部集成全硬件TCP/IP协议栈 MAC PHY。全硬件协议栈技术采用硬件逻辑门电路实现复杂的TCP/IP协议簇，其应用具有简单快速、可靠性高、安全性好等显著优势；内部集成MAC和PHY工艺，使得单片机接入以太网方案的硬件设计更为简捷和高效。
2.2 水温水位检测原理
太阳能热水器的控制器通过“水位水温传感器”的电阻变化来检测水位和水温变化，从而自动控制进水、加热等功能。
水位检测原理：利用自来水能导电的性质，输出端有红蓝两端，当达到不同的水位输出端会呈现五种不同的阻值，通过放大电路放大信号之后由单片机AD转换从而分辨出不同的水位。
水温检测原理：温度传感器电路将测量到的温度信号转换成电压信号输出到信号放大电路，与温度值对应的电压信号经放大后输出至A/D换电路。最后采集到的水温水位把电压信号转换成数字量送给单片机系统，单片机系统根据显示需要对数字量进行处理，再送温度显示系统进行显示。
3 控制器软件设计
根据对太阳能热水器自动控制系统的功能要求， 设计了如图3所示的程序流程图。
本系统基于μC/OS-II而设计，μC/OS-II是一种结构精简而实用的实时操作系统由于其是开放性源码，μC/OS-II系统具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点。首先系统初始化化后，对所有传感器外设检测复位并初始化，若检测到某一传感器无法正常工作，系统立即做出警告提示。
3.1 水位水温检测控制功能设计
本系统设置了5个档水位即20%，40%，60%，80%，100%，模拟量接口的输入电压范围0～3.3V，经过滤波处理后，由单片机进行ADC电压采集。实际采集到的ADC数据经过换算得到实际电压，即
[V=Vadc4096*3.3V ]
根据计算后得到的电压值0.66V，1.32V，1.98V，2.64V，3.3V分别对应20%，40%，60%，80%，100%的水位。
溫度传感器符合阻温特性曲线，当单片机采集到ADC电压值，先计算回路热敏电阻的阻值，然后有温度计算公式计算出当前温度，其温度计算公式如下 [T1=BT2T2*lnRtR B]
其中[T2]=（273.15 25）Rt是热电阻在[T1]温度下的阻值，R是在[T2]常温下的阻值，B是热敏电阻的重要参数5800。
3.2W5500网络通信功能设计
采用STM32微控制器和W5500芯片搭建的网络系统，结构简单、易于实现。发挥了STM32芯片内核低成本低功耗的特性，同时W5500 内嵌了TCP/IP 协议栈，连接过程是不需要单片机干预的，所以我们只需要设计Socket接口。这样简化了设计流程，对系统有很大的提升。在μC/OS系统中进行以太网的通信还必须先创建一个以太网任务并且把任务添加到μC/OS系统中的任务列表中来。
当Socket作為客户机时，初始化端口需要设置运行模式（Sn_MR）和本机端口号（Sn_Port），然后端口命令寄存器打开（OPEN）端口，调用Socket_Connect（）程序连接服务器，并等待连接工作完成。端口交换数据需要通过Socket_send（）和Socket_recv（）实现数据包传输。接下来，只需要向服务器发送http数据包和处理返回数据包，就能完成状态数据上传及天气数据的获取。
4 结束语
利用单片机与网络的相结合，解决了目前太阳能热水器用户急待解决的智能化管理问题，减轻了使用者的现场操作精力，节约能源，具有很好的市场前景。同时，该控制器由于成本低廉，操作方便，容易为用户接受，有较好的推广和经济价值。
参考文献：
[1] 冯平.黄寿明.基于单片机的太阳能热水器控制系统的研究[J]. 湖南农机，2011（9）.54-56.
[2] 舒易茂.李斌.基于89C52单片机的太阳能热水器智能控制系统[J]. 科技信息，2010（7）.30-32.
[3] 李香宇.太阳能热水器采暖控制系统的设计[D]. 沈阳：东北大学，2009.
[4] 陶虎.基于GPRS的太阳能智能热水系统的研究[D]. 南宁：广西大学，2013：54.
[5] 宋莉.太阳能热水器出水恒温控制的方法设计研究[D].青岛：中国海洋大学，2011.
[6] 谭浩强.C语言程序设计[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008：11-87.