基于nRF24L01的无线承压式太阳能热水器控制系统设计
郭灿彬 吴迪 罗岚
【摘 要】文章基于nRF24L01无线射频芯片设计了一款无线承压式太阳能热水器自动控制系统，包括系统整体方案设计、硬件设计和软件设计。系统能够自动检测和显示水泵工作状态、电加热等信息;具有传感器短路（开路）报警、水泵卡滞报警、防冻功能、防高温功能等多种安全防护，系统预留支持通过App实现远程控制功能。测试结果表明：系统运行安全、稳定、可靠，遥控器操作简单、便捷。
【关键词】承压式;太阳能热水器;控制系统;远程控制
【中图分类号】TD679 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）12-0019-03
0 引言
太阳能热水器是将太阳光能转化为热能的加热装置，将水从低温加热到高温，以满足人们在生活、生产中的热水使用需求。目前，市面上的太阳能热水器按照结构划分主要分为两种：真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器。目前，真空管式太阳能热水器占据国内95%的市场份额。承压式太阳能热水器属于真空管式太阳能热水器的一种，具有出水压力大、升温快、耐低温性好、热效率高等诸多优点，在我国不同地域得到广泛使用。承压式太阳能热水器控制器种类繁多，产品通用性差，产品质量参差不全，并且大多数为非无线普通控制器类型，不能满足应用场合多样化的需要。因此，有必要按照项目合作企业标准化的要求，结合企业的实际情况设计和开发一款无线式、通用型承压式太阳能热水器控制器（控制系统）;要求控制系统既能通过主控制操作面板控制系统工作，又能通过无线遥控器实施工作状态控制，并且成本低廉、操作简单、工作安全可靠，具有较好的市场推广前景[1-2]。
1 系统方案设计
无线承压式太阳能控制系统由主控制器和无线遥控器组成，主控制器可以独立控制系统完成太阳能热水器的各种功能操作，一般固定安装在浴室附近或方便用户操作的位置;无线控制器可为用户提供另外一种更加灵活的控制方式，方便用户在客厅或房间实现对太阳能热水器工作模式的设定。主控制器以PIC18Fxxx系列单片机为控制核心，控制系统硬件的电路全部采用模块式设计，可极大地缩短开发周期，提高各功能模块的重复利用率，也易于实现产品的系列化，主控制器主要包括电源管理模块、LED屏显示模块、入水电磁阀控制继电器模块、水温水位传感器检测电路模块、增压水泵继电器模块、键盘操作电路模块、电加热继电器模块、无线网络接入功能模块。其中，无线网络功能使用Wi-Fi芯片ESP8266，接入无线网络后，用户就可以通过手机App实现对主控制系统工作状态查询、系统参数设置、系统功能控制等操作。ESP8266芯片模组是面向物联网应用的高性价比、高度集成的无线解决方案，具有性能稳定、高集成度、低功耗、二次开放简单等特点，是本控制系统理想的无线通信解决方案。无线接入模块为本系统扩展功能模块，当需要考虑控制系统开发成本时，可选择不配置该模块。控制系统软件编程部分全部采用模块化、功能化的设计方法，将各个功能模块单独编写成独立子程序，通过调用子程序实现热水器控制系统的各种功能。系统总体控制框架如图1所示。
在实际家庭应用中，用户除通过主控制器的操作按钮实现对热水器的控制外，在客厅或房间等场合，系统还配备了无线遥控器，同样可对系统进行操控。图1的无线射频通信遥控器模块中，遥控器通过无线射频芯片nRF24L01实现与主控制器的通信，其控制功能与主控制功能一致。nRF24L01无线模块采用2.4 G无线收发，内置PCB天线设计，具有高性价比、高性能、低功耗、收发稳定可靠等特点。在1 M的数据高速传输情况下，通信距离可达70 m左右，是本系统理想的射频无线收发解决方案。表1为控制系统设计参数，主要包括电加热功能设计参数、水泵工作模式设计参数、电磁阀功能设计参数，系统使用的溫度传感器有集热器温度传感器、水箱下部温度传感器、水箱上部温度传感器[3]。
主控制器用户界面允许用户设置水泵工作模式、电加热工作模式、系统时间、电加热定时时间、水泵手动模式下启动和停止控制。电加热模式有启动、定时、关闭、防冻4种工作模式。循环泵模式有启动、手动2种运行模式。温度显示能显示当前水箱上部的水温。时间显示能显示当前时间。在系统默认设置中，电加热模式设置为“启动”状态，循环泵模式设置为“自动”状态，电加热设置为“定时”模式。控制系统设置功能键、调节键和循环键3个按键。
2 无线控制功能设计
无线遥控器主控芯片采用Microchip公司的PIC16Fxx系列单片机，该系列单片机外围接口有多种模式，工作稳定性好，开发工具简单、易用。无线射频通信采用nRF24L01模组，图2是本控制系统自带的无线遥控器用户界面，分为5个区域显示，上部区域显示太阳能热水器目前的工作状态，包括是否处于防冻模式、循环水泵是否在运行状态、高温保护是否启动、温度传感器是否异常、电加热是否启动;左边区域显示水箱水位状态信息;中部区域显示水箱上部温度值和当前时间;右边区域显示遥控器目前剩余电量值;下部区域显示电加热工作模式。遥控器设计了9个按键，分别是“启动键”“定时键”“关闭键”“定时设置键”“时间设置键”“上调键”“下调键”“确定键”和“取消键”。在运行模式下，按下“启动键”后，系统进入电加热定时模式（只有在用户已设置好的定时时间的对应时刻，系统才会自动查询是否满足需要电加热的温度条件，满足时就会启动电加热功能，否则不启动电加热功能;在其他时段内，不管系统是否满足需要电加热的温度条件，系统也不会启动电加热的功能，防冻功能除外）。在其他模式时该键无效。
承压式太阳能热水器控制系统包括普通型和无线型两种，普通型不带有无线射频遥控功能的控制器，本设计系统属于无线型，带有无线射频遥控功能的控制器，同时比普通型控制器多了水压检测功能。无线型遥控器带自学习功能，主要通过主控制器主板上的两个拨码开关JP2、JP3实现，当JP2、JP3均为“OFF”时，主控制器处于自学习模式（遥控器必须处于该模式），在这个模式下，遥控器能与控制器重新学习，互相绑定收发地址。当遥控器与控制器绑定后，在正常工作模式下遥控器就能控制控制器的设置及反馈控制器的状态信息。无线控制系统工作模式见表2。
3 软件流程设计
控制系统软件设计全部采用模式化设计方式完成，所有软件子模块都封装成子程序，在图3所示的主流程中调用，如系统故障显示、处理处理子程序、电加热工作模式子程序等。系统主控制器软件设计主要包括以下软件模块：水温、水位A/D检测件模块、循环水泵工作软件模块、电加热功能软件模块、LED显示驱动软件模块、参数设置软件模块、按键扫描与处理软件模块、无线射频通信软件模块等。控制系统软件功能模功函数列表见表3。此外，系统在软件层面设置了多种安全保护功能，例如温度传感器短路功能、开路报警功能、水泵卡滞报警功能、防冻功能、防干烧保护功能、防高温保护功能、压力欠压提示保护功能、遥控器自动启动复座提示功能等。图3为控制系统的程序工作主流程。图4为控制系统电加热工作模式流程[4]。
4 功能测试
在实际应用中，控制系统可通过以下两种方式进行操作。一是通过主控制器的控制面板操作，控制面板通常安装在用户浴室或厨房等位置，通过有线方式与承压式太阳能热水器本体相连。二是用户可通过手机端App进行工作状态查看、参数设置、控制操作[4]。
（1）通过主控制器面板操作。在工作模式下，接通电源，系统全屏显示。2 s后，系统进入运行模式，显示屏显示当前工作状态，即电加热模式、循环泵模式、水箱上部水温、当前时间。在工作模式下，若5 s没有按键输入，在任何设置模式下系统都会自动返回运行模式。在自学习模式下（拨码开关设置为JP3=OFF，JP2=OFF），显示“F1”。
功能键：执行各设置项目之间的循环转换;运行状态→电加热工作模式设置→水泵工作模式设置→系统时间分钟设置→系统时间小时设置→运行状态;或者持续按下3 s后进入电加热定时时间设置，再持续按下3 s后退出电加热定时时间设置。调节键：执行各设置项目的参数调整，包括电加热工作模式设置、水泵工作模式设置、系统时间设置、电加热定时时间设置。循环键：在手动模式下，控制水泵的启动或停止。
（2）通过手机App端远程控制。手机App端远程控制功能是系统的定制模块，控制系统通过无线网络接口专用模块（ESP8266）接入无线局域网后，即可通过手机端App程序查看承压式太阳能热水器的工作状态，设置电加热温度、设置系统参数等远程控制功能。
5 结语
本研究完成了无线承压式太阳能热水器系统方案设计、硬件设计、软件设计，并对系统功能进行了测试，测试结果表明：系统设计方案符合预期要求，可满足家庭使用要求，解决了市面上无线承压式太阳能热水器系统可选择性少或通用性差等问题，但控制系统也存在不足，部分功能还在开发或测试中，例如无线网络接入功能模块还需进一步完善和测试。
参 考 文 献
[1]苏赐民，李春杏，曾君，等.太阳能热水器自动控制系统的研究与设计[J].计算机测量与控制，2019，27（12）：106-110.
[2]叶凡鹏.太阳能热水器控制系统设计[J].轻工科技，2020，36（7）：103-104，106.
[3]黄旭东，郑颖.基于单片机的太阳能热水器控制系统设计[J].时代农机，2020，47（4）：88，93.
[4]郭灿彬，罗岚.通用型太阳能热水器控制系統的研究与设计[J].现代制造技术与装备，2021，57（7）：194-197.
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