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(duì)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(lái)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(dòng)窗簾、防盜報(bào)警、門禁對(duì)講、消防報(bào)警、煤氣泄露探測(cè)、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(lái)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(wàn)計(jì)的家庭安裝了家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，據(jù)預(yù)測(cè)未來(lái)家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品需求仍將大幅度增長(zhǎng)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)未來(lái)家庭網(wǎng)絡(luò)的需求也呈現(xiàn)出強(qiáng)勁增長(zhǎng)趨勢(shì)，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(chǎng)前景。

熱水器的使用范圍涉及家庭、酒店等各種場(chǎng)合，具有非常廣闊的市場(chǎng)。目前市場(chǎng)上熱水器品種主要有電熱水器、太陽(yáng)能熱水器、燃?xì)鉄崴?。就?guó)內(nèi)具體情況而言,現(xiàn)在很多熱水器均采用人工手動(dòng)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(lái)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(wú)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(kāi)關(guān)，極大地方便了使用者，也是對(duì)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(duì)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(duì)嵌入式系統(tǒng)的Internet接入應(yīng)用，開(kāi)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(wú)線遙控芯片采用美國(guó)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(wú)線方式控制，避免熱水器安裝帶來(lái)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(guò)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(duì)家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，對(duì)外連接運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)。它被定義為：一種簡(jiǎn)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(hào)，通過(guò)家庭網(wǎng)絡(luò)傳遞信號(hào)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(kāi)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(guò)C/S結(jié)構(gòu)對(duì)熱水器進(jìn)行接入。集數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)pSMS服務(wù)與Web服務(wù)于一體，為用戶提供對(duì)熱器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與監(jiān)測(cè)功能。它的簡(jiǎn)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(duì)其中比較重要的網(wǎng)絡(luò)接口電路和無(wú)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(jìng)爭(zhēng)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(dòng))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(wèn)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(wú)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(huì)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(guò)改變TPOUT+ 和TPOUT-的相對(duì)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(hào)反射，增加通信信號(hào)的穩(wěn)定。

圖4 網(wǎng)絡(luò)接口電路

4.2無(wú)線接口電路

無(wú)線模塊采用美國(guó)INTEGRATION公司的無(wú)線收發(fā)單芯片IA4421。該芯片是一個(gè)完整的無(wú)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(hào)強(qiáng)度指示RSSI、數(shù)據(jù)質(zhì)量偵測(cè)DQD、電池電壓偵測(cè)、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(qǐng)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(wú)線設(shè)備。電路連接如圖5所示。

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