CN107091535A - 一种家庭太阳能热水器智能控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种家庭太阳能热水器智能控制系统，包括采集模块，用于负责信息的采集；处理单元，用于将采集到的信息整合处理；传输模块，用于将处理完的数据发送到主控制器同时接受主控制器所发出的控制信号；电源模块，用于提供系统运行的供电基础；主控制器与从控制器之一的热水器端之间以Socket通信的方式进行数据传输，主控制器作为server端，热水器端单片机连接的串口WIFI模块，选择STA模式，接入到主控制器的网络中，主控制器连接的WiFi模块发射无线信号，利用QT的信号与槽机制，创建套接字，并监听相应端口；当节点的client连接后，服务器端与客户端开始进行信号收发，并从收发到的数据从提取关键参数。

Description

一种家庭太阳能热水器智能控制系统

技术领域

本发明涉及智能家居领域，具体涉及一种家庭太阳能热水器智能控制系统。

背景技术

科学的飞速发展下智能便捷逐渐成为日常需求，智能设备被更多的人选择接受，如今的智能设备早已囊括了生活中的吃穿住行。家庭是人类生活的港湾，智能家居则可以让这个港湾变得更加多元化。科技的发展带动着人们需求的不断提高，智能家居日新月异的发展也是人类生活水平提高的必然趋势。也正因为这样的发展趋势，使得我国在智能家居及相关衍生行业上不断地进行技术创新与改进，在各个方面取得了突出的成就。

智能家居是在物联网的影响下之物联化体现，目的是构建高效的住宅设施与家庭日程事务的管理系统，提升家居安全性、便利性、舒适性、艺术性，并实现环保节能的居住环境。热水器作为智能家居中生活中具有代表性的设备，在低碳生活的倡导下，太阳能热水器因其几近无污染耗能低的特性显得更加的环保，更加符合当前时代的需求，作为一种纯净能源与智能化便捷化的巧妙结合，使得其在智能家居这样的大体系中，扮演着一个不可或缺的角色。在当今时代物联网的背景下，生活中越来越多的产品被纳入物联网的范畴中，智能家居的概念和实施技术也有别于传统意义上的智能家居。早期的智能家居系统是通过控制技术，综合布线技术和通信技术从而实现对家庭内部的各种电子产品进行有效的连接与控制。这种技术使得其必须对原有设施进行很大的改动，耗时耗力且耗费巨大。伴随着无线传感网络技术和软件开发技术的飞速发展，各种新兴的智能设备不断的革新，人们基于无线传感的智能家居方式已经开始在以绝对优势逐渐替代传统的布线方式。

目前的智能家居控制系统，各个厂家之间并未形成统一标准，传感器设备的多样性，以及个人需求的不同，导致智能家居仍然存在着成本高，体验差等缺点，对功能的开发也不够完善。诸如大片住宅小区、宾馆等场所，室内设备的远程集中控制在物联网与智能设备如此发达的环境下，显得十分必要。太阳能热水器所具有的环保节能以及便捷性，与智能家居的主体理念不谋而合，而当前主流的智能家居系统中，虽添加了太阳能热水器这一设备，但契合度并不高，智能化体现不足。绝大部分太阳能热水器的操控以在室内安装遥控器通过连线方式操作为主，且在阴雨天气下光照不足时，对水箱内水的加热必须通过人工手动进行选择，水温控制方面也很难达到人们的预期值。除此之外，由恶劣天气所造成的影响也使得用户的体验下降。因此设计一种智能家居的控制系统，使得家庭内的常用电器设备连接起来，实现远程的操作控制，将相关信息提示给用户。同时在太阳能热水器上添加部分传感器以及无线收发设备，实现远程信息的传输以及控制，改进现有太阳能热水器的部分缺陷，更好的提升用户的体验。当这种智能家居的使用增多，大范围运用，如在非高层宾馆的全部房间，或者是整个小区采用这种方式进行设计时，远程服务器可以存储范围内所有的用户及其设备信息，形成一个有效的集中管理体系，既方便用户查看，同时也可以帮助物业公司或者设备厂家进行有效的管理。这样的设计不仅能带给人们更舒适的生活方式，也使得智能家居这一体系更进一步，显得很有意义。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种家庭太阳能热水器智能控制系统。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种家庭太阳能热水器智能控制系统，包括采集模块，用于负责信息的采集；处理单元，用于将采集到的信息整合处理；传输模块，用于将处理完的数据发送到主控制器同时接受主控制器所发出的控制信号；电源模块，用于提供系统运行的供电基础；主控制器与热水器之间以Socket通信的方式进行数据传输，主控制器作为server端，热水器端单片机连接的串口WIFI模块，选择STA模式，接入到主控制器的网络中，即作为Socket通信的client客户端；主控制器连接的WiFi模块发射无线信号，利用QT的信号与槽机制，创建套接字，并监听相应端口；当节点的client连接后，服务器端与客户端开始进行信号收发，并从收发到的数据从提取关键参数，显示给用户。

其中，所述处理单元采用51单片机系列中的STC89C52RC芯片。

其中，在热水器端，设置了串口WIFI模块进行无线传输，选用ESP8266串口WIFI模块。

其中，在主控器端选择RTL8189无线WIFI模块，该模块支持USB接口。

其中，所述采集模块包括室外温度采集模块、室内温湿度采集模块、水位采集模块和光照强度采集模块；室外温度采集模块包括室外温度采集模块和热水器水箱温度采集模块，选取DS18B20单线型数字温度传感器。

其中，所述水位采集模块采用分段式水位传感器，即将水箱水位分为5段，利用水的导电性，电阻串放到水箱中并在电阻间设置端点，从水底到水面按不同颜色的标记做标识，当水位到达该处时，立即引起该传感器的信号变化，最终数据经分析处理传输后，显示给用户的信息为水位的百分比或者分数形式。

其中，所述光照强度采集模块选取GY-30数字光模块；室内温湿度采集模采用AM2302数字温湿度传感器，与主控制器的IO口连接，直接传输数据到主控制器上。

其中，热水器的上水功能、分为智能模式与手动模式两种情况；在智能模式下，在系统开启后，水位传感器会检测水箱中水位信息并将数据传送至最近的处理单元，当处理单元判断出水位低于设定的最低值，同时室外气温高于零下4摄氏度以及不在上午2-6时间段时，发出上水指令，热水器端开始给水箱上水；水位传感器仍然持续不断的监测水位信息，当上水途中监测到水位满足设定的上水阈值时，处理单元发出停止上水信号，系统停止上水。在手动模式下，热水器端的处理单元持续不断的接收来自室内控制器的信号，当用户在人机交互界面上点击上水按钮时，控制器向热水器端发送上水信号，热水器接收到该信号后，开始上水。与此同时热水器端将水位信息的变化经无线方式传输回控制器界面上，用户发现水位满足使用要求后点击停止上水按钮或水位传感器检测到水位到达峰值后，控制器发送停止上水信号给热水器端的处理单元，待热水器端接收到该信号后，停止上水过程。

其中，热水器的电加热包括智能模式与手动模式两种类型的区分；当用户将热水器端切换为智能模式时，首先，热水器端的处理单元会对水温水位光照强度信息作出判断，确保水位不低于1/5，光照强度低于预设加热临界值以及水温不高于30摄氏度；热水器端的处理单元发出加热信号，电加热棒供电，开始对水箱内的水进行加热，当水温达到用户的预设值后，处理单元发出停止上水信号，电加热棒断电，系统停止加热；当处于手动模式下时，热水器端的处理单元持续不断地监听来自控制器发出的信号，当用户需要启动电加热功能时，在主控制器的界面上选择电加热按钮，控制器则立即向热水器端发送相应的加热信号，进而驱动硬件电路中的继电器与电磁阀开始工作，即表现为热水器端的处理单元控制电加热棒开始对水箱进行加热；与水位信息控制相同，水温信息会随着加热的不断进行定时地发送回主控制器并显示给用户；在显示的水温达到用户满意值时，用户选择停止加热，或者当水温持续升高至到达系统开始预设的水温峰值时，热水器端的处理单元发出停止加热信号，电加热棒断电，加热功能结束。

其中，在深夜时间段当用户入眠后，控制器设定休眠功能，当进入某一时间点后，主控制器向热水器发送休眠信号，使其进入休眠状态，即停止部分工作，仅保持其供电以进行正常运行；当用户需要使用该设备或者所设定的休眠时间段结束后，将其唤醒继续工作；

本发明可实现用户通过不同智能终端进行浏览查看并控制室内设备的功能，同时具有客户端操作成本低、维护成本低等优点。太阳能热水器的智能控制经实验测试后，可满足用户智能化、便捷化、舒适化的要求，实现了太阳能热水器的智能控制，智能家居控制系统的设计达到了家电设备的物联网以及家电状态信息的记住控制和管理目的，具有一定的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例智能家居控制系统整体设计结构图。

图2为本发明实施例中太阳能热水器智能控制整体设计结构图。

图3为本发明实施例中WEB页面实现过程图。

图4为本发明实施例中串口WIFI电路图。

图5为本发明实施例中USB接口电路图。

图6为本发明实施例中温度传感器电路图。

图7为本发明实施例中水位传感器电路。

图8为本发明实施例中水位传感器接口电路图。

图9为本发明实施例中光照传感器电路图。

图10为本发明实施例中温湿度传感器电路图。

图11为本发明实施例中的智能家居Web服务器框架。

图12为本发明实施例中的系统软件主要模块结构图。

图13为本发明实施例中的用户登录模块程序实现。

图14为本发明实施例中的主控制器实现控制流程图。

图15为本发明实施例中的远程服务器实现控制流程图。

图16为本发明实施例中采集家居设备参数实现流图。

图17为本发明实施例中家居设备查询实现流程图。

图18为本发明实施例中家居设备注册实现流程图。

图19为本发明实施例中热水器上水流程图。

图20为本发明实施例中热水器加热流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例提供了一种智能家居控制系统，包括远程服务器、主控制器、各个控制终端以及多种传感器，各个传感器节点之间通过连接无线传输模块以集中式自组网的方式与主控制器连接起来，形成一个有效的家庭内部网络；传感器节点将采集到的数据经家庭内部网络以无线的方式传输至主控制器，主控制器作为家庭内部网络与处于互联网中远程服务器的连接枢纽，在经一定的分析处理后，将这些数据经互联网发送至远程服务器，并将部分采集到的有用信息显示到控制器的触摸屏界面上；主控制器在接收传感器终端节点发来信息的同时也接收来自于远程服务器以及人机交互界面的指令，经家庭网关的相关协议转换和处理后发送给各个传感器节点和控制模块，实现对家庭范围内环境参数的采集和设备状态的修改；远程服务器将接收到的来自不同家庭账号的数据存储到数据库中，形成一个缜密有序的控制链。

所述远程服务器包括应用服务器与数据库服务器；所述应用服务器可以为远程用户的操控提供运行环境；当用户需要远程与室内设备进行查看时，通过Web浏览器即可浏览到室内的所有家居设备状态；当用户根据不同情况欲修改家居的状态时，通过浏览器向服务器发送WEB请求，经服务器寻找页面后，将文档即结果传输回Web浏览器给用户，可以实时有效地实现这一操作；与此同时，操作的反馈结果也及时的返回至服务器，达到准确有效的控制目的；所述数据库服务器作为智能家居控制系统的数据库部署中心，存储一定区域范围内所有用户的相关信息，以及与用户密切相关的家庭中所有设备、传感器的运行状态和历史记录，图3为WEB页面实现过程。

所述远程服务器采用三层结模式B/S构架服务器。

所述主控制器选取ARM11内核做处理器并配有触摸屏的OK6410开发板，设有连接USB的WIFI模块，选用Linux作为其操作系统，移植Qt辅助函数库。

所述智能家居控制系统包括太阳能热水器智能控制系统，热水器端的智能控制包括采集模块，用于负责信息的采集；处理单元，用于将采集到的信息整合处理；采用51单片机系列中的STC89C52RC芯片；传输模块，用于将处理完的数据发送到室内控制器同时接受室内所发出的控制信号；电源模块，用于提供系统运行的供电基础。

在热水器端，设置了串口WIFI模块进行无线传输。最终选用ESP8266串口WIFI模块，该模块具有良好的接入性，有三种工作模式，分别为：STA模式、AP模式以及STA+AP模式。支持无线802.11b/g/n标准，支持丰富的Socket AT指令，且能耗低，采用3.3V供电，且IO口可与单片机串口相连接。模块封装小巧，连接十分容易，当用户对其进行控制时，仅发送AT指令即可实现相关功能。契合设计的串口WIFI功能。

USB WIFI电路设计

在主控器端选择RTL8189无线WIFI模块，该模块支持USB接口；USB WIFI模块的具体参数见表1，其电路图如图5所示。

表1RTL8189参数

采集电路设计

室外的温度采集包括两个部分，一部分为室外的气温，另一部分则是热水器水箱中的水温；选取DS18B20单线型数字温度传感器。其一条数据线的设计使得可以更方便的与单片机传输数据，工作电源为5V直流供电，测量范围为-55℃-+125℃；在-10-+85℃范围内，精度为±0.5℃。对室外气温的采集而言，该传感器最低可采集-55摄氏度，满足用户需求，且在一年较为常见的温度范围内，有不错的精度表现。除此之外，该传感器有针对水温测量的专门的探头型传感器，最大可测量125摄氏度，涵盖了水箱内水温的变化范围，非常适合本次设计的选材；其电路及实物图如下：

水位采集采用分段式水位传感器，将水箱水位分为5段，利用水的导电性，电阻串放到水箱中并在电阻间设置端点，从水底到水面按不同颜色的标记做标识，当水位到达该处时，立即引起该传感器的信号变化，最终数据经分析处理传输后，显示给用户的信息为水位的百分比或者分数形式，如1/5，3/5等，这样既可以节约传感器耗材费，同时也达到了水位信息采集的目的。传感器电路如图7所示，其接口如图8所示。

水位传感器的处于上下两端的两个接口分别接到图7所示的接口电路中，电阻水位传感器分压后通过电压跟随器OP07经AD转换输出到后续电路做进一步的数据处理工作；由于电压跟随器OP07的输入电压等于输出电压，因此不同水位对应的不同水位传感器的阻值也会发生变化，阻值的不同影响输出电压，通过输出电压也就可以判断出水位的具体情况。

光照强度选取GY-30数字光模块，其可在-40-80℃的条件下正常工作，其范围远远大于室外的气温变化情况，供给电压为3-5V，对光源的依赖性不大，因此在绝大多数条件下均可以采集到具体的光照强度信息，光谱范围与人眼接近，采集的数据也更贴近人的认知。测量范围为1-65535Lux，I²C总线接口，可以直接接入到单片机端。具体电路图如图9所示：

对于室内的温湿度采集选用AM2302数字温湿度传感器，AM2302的湿度的测量范围为0-100％RH，精度为±2％RH；温度测量范围为-40-80℃，精度为±0.4℃。且其检测为室内的温湿度状况，因此将其与主控制器的IO口连接，直接传输数据到主控制器上。AM2302的电路及实物图如下：

本具体实施中智能家居系统软件部分框架如图11所示；系统软件主要模块如图12所示。

本具体实施在用户使用手机、平板或电脑上的浏览器访问服务器时，用户输入自己独有的账号与相应的密码后，向处于互联网中的应用服务器发送用户登录请求。应用服务器在接收到登录请求后查询数据服务器中的用户账号数据表，判断发出请求的用户账号在数据库中是否存在，以及与账号对应的密码是否与输入的密码一致。如果判断结果显示为合法用户则将页面跳转至相应的系统主界面，否则就拒绝本次登录，要求用户重新输入账号密码或选择退出。用户登录流程的工作原理如图13所示。

家居设备控制程序流程如图14所示，具体的控制为：

(1)当用户更改某家居设备的运行状态时，需点击人机交互界面上对应功能的按钮或修改设备的参数信息，并选择发送，出发主控制器中对应的程序。

(2)主控制器中控制模块程序立即接收到这一命令，将这些设备以及对应的设备参数信息传输给WIFI模块。

(3)WIFI模块将数据打包，按协议的形式通过室内自组网将这些数据发送给各个终端节点。

(4)端节点收到这些数据后，找出与自身数据段相对应的信息，与其连接的处理器上的设备控制响应程序会根据这些信息及时地修改自身状态，确保用户的修改操作得到立即处理，并将处理后的设备状态信息原路反馈回主控制器，显示于界面上供用户查看。

当用户以登录远程服务器的方式实现家居设备控制时，首先仍需需进行用户的验证，确认用户身份后，通过浏览器界面修改设备参数，服务器将这些参数进行转换后发送到室内控制器，最终通过室内控制器端的相关控制模块实现控制功能。实现流程图如图15所示，详细的控制过程为：

(1)用户通过浏览器输入相应地址后登录到服务器的前端程序，根据个人情况选择更改或查看对应的设备信息，向应用服务器发出包含设备参数信息的远程控制或查询请求。

(2)应用服务器中的设备查询程序接收到这一请求，在数据服务器上检索相关数据表，将检索到的设备信息，设备标识符以及用户发出的控制命令等，生成一个数据包经互联网发送给主控制器。

(3)主控制器中的协议收发程序接收到该数据包后，对其进行解析，提取出有效控制命令，经判断后设备位置后，将这些控制命令经WIFI模块发出到。

(4)终端节点的WIFI模块接收到该协议，同时该模块将这些控制命令传达给终端节点的处理单元，终端节点的设备控制程序做出响应，做出控制操作，同时将控制结果原路返回。

(5)反馈回的数据会写入数据服务器的数据库中，同时返回到用户查看所持的终端设备上，用户得到最终的控制结果。

设备的物理信息采集程序具体实现步骤如下：

(1)当家居设备状态发生改变以及参数变动至设定阈值外，或者到达预设的发送时间点时，终端节点的传感器会将采集到的数据传送至最近的处理单元，处理单元处理完毕后，传送到与该处理单元临近的WIFI模块。

(2)节点的WIFI模块收到这些数据后，将这些数据以规定好的协议格式发送至主控制器的WIFI模块。

(3)主控制器WIFI模块接收协议后，进行分析处理。如果参数超出设定阈值，则做出预警或其他处理。同时，主控制器上的处理单元将这些参数信息一边显示在与主控制器相连接的触摸屏以供用户查看，一边发送到远程服务器的数据库。

家居设备的状态信息查询可以通过两种方式进行。一种为智能终端用户通过浏览器发送给家庭网关应用服务器的查询请求，应用服务器根据设备查询请求信息查询数据服务器中的相关数据表，并将从数据库中查询到的家居设备的基本物理信息、当前状态和设备注册信息等返回给应用服务器的家居设备查询模块，最后返回给用户，具体实现程序如图17所示。另一种方式为用户通过主控制器上的人机交互界面直接查看当前设备状态，此种方式下，数据直观地显示给用户，无需进行多余的操作，只需切换不同界面寻找不同的设备即可。

设备注册程序是为了使家居设备注册成为家庭内部网络中节点的过程。具体实现的过程为：家居设备通过家庭内部网络向控制器发出设备注册请求信息，控制器对设备注册信息及附属信息进行解析、封装，通过互联网将信息发送至智能家居的远程服务器，服务器上的家居设备注册响应程序接受到设备注册请求和设备注册信息后，将设备注册信息写入对应的家庭内部网络的设备注册表中。当用户通过家居设备查询程序获取家居设备注册信息，经用户确认或拒绝后将相关注册结果信息反馈给服务器中的设备注册响应程序，并完成数据库相应数据表的数据修改、增加等。

热水器上水功能程序设计

热水器的上水功能的开启，分为智能模式与手动模式两种情况。在智能模式下，在系统开启后，水位传感器会检测水箱中水位信息并将数据传送至最近的处理单元，当处理单元判断出水位低于设定的最低值，同时室外气温高于零下4摄氏度以及不在上午2-6时间段时，发出上水指令，热水器端开始给水箱上水。水位传感器仍然持续不断的监测水位信息，当上水途中监测到水位满足设定的上水阈值时，处理单元发出停止上水信号，系统停止上水。在手动模式下，热水器端的处理单元持续不断的接收来自室内控制器的信号，当用户在人机交互界面上点击上水按钮时，控制器向热水器端发送上水信号，热水器接收到该信号后，开始上水。与此同时热水器端将水位信息的变化经无线方式传输回控制器界面上，用户发现水位满足使用要求后点击停止上水按钮或水位传感器检测到水位到达峰值后，控制器发送停止上水信号给热水器端的处理单元，待热水器端接收到该信号后，停止上水过程。

热水器电加热功能程序设计

热水器的电加热与上水功能类似。同样有智能模式与手动模式两种类型的区分。当用户将热水器端切换为智能模式时，热水器端的一切操作均按系统预设程序进行，电加热功能也不例外。首先，热水器端的处理单元会对水温水位光照强度等信息作出判断，确保水位不低于1/5，光照强度低于预设加热临界值以及水温不高于30摄氏度。对水位信息的判断是为了确保加热后的水量能满足最低使用要求，光照强度的检测是为了最大限度的利用光照以及减少对需大量耗电的电加热棒的使用，对水温的检测是避免加热后水温过高。以上条件均满足后，热水器端的处理单元发出加热信号，电加热棒供电，开始对水箱内的水进行加热，当水温达到用户的预设值后，处理单元发出停止上水信号，电加热棒断电，系统停止加热。

当处于手动模式下时，热水器端的加热功能操作需来自于控制器的相应指令才可以进行。热水器端的处理单元持续不断地监听来自控制器发出的信号，当用户需要启动电加热功能时，在主控制器的界面上选择电加热按钮，控制器则立即向热水器端发送相应的加热信号，进而驱动硬件电路中的继电器与电磁阀开始工作，即表现为热水器端的处理单元控制电加热棒开始对水箱进行加热。与水位信息控制相同，水温信息会随着加热的不断进行定时地发送回主控制器并显示给用户。在显示的水温达到用户满意值时，用户选择停止加热，或者当水温持续升高至到达系统开始预设的水温峰值时，热水器端的处理单元发出停止加热信号，电加热棒断电，加热功能结束。热水器电加热功能的流程图如图20所示。

热水器采集休眠程序设计

在深夜时间段当用户入眠后，热水器设备的具体使用情况用户暂时无法查看，而这时如果一直让其持续不断地向控制器发送信息，容易造成资源的不必要浪费。因此控制器设定休眠功能，当进入某一时间点后，主控制器向部分设备如热水器发送休眠信号，使其进入休眠状态，即停止部分工作如参数的采集传输工作，仅保持其供电以进行正常运行。当用户需要使用该设备或者所设定的休眠时间段结束后，将其唤醒继续工作。

热水器智能模式程序设计

热水器端的智能模式，是区别于手动模式外的一种管理模式。切换的源头在控制器。控制器端人机交互界面上，可以选择当前对热水器的操控为智能或者是手动模式。手动模式下，所有的操作如上水，电加热等均需用户自行选择何时打开，而当选择智能模式时。控制器将这一命令发送给热水器端的单片机即处理单元，热水器端的上水和电加热则不需要人为的进行开启，处理单元会根据传感器节点采集到的数据进行分析判断，何时何种情况下开始何种功能，以及当哪些条件满足时关闭哪些功能。智能模式一旦开启，用户即可完全任由热水器自行处理，当不需要热水器在此模式下工作时，必须在控制器端将模式切换到手动模式。

网关服务器通信协议设计

在控制器与远程服务器通信时，良好的数据传输协议以及设计完整的数据帧可以使得整个系统运行的更加流畅。数据帧的设计是为了更好的体现室内设备的状态信息以及设备控制命令。因此，设计一个整合的数据帧，将室内所有设备可供显示的参数信息以及其相应的操作功能全部囊括其中，通过一个数据帧即可浏览到所有的设备信息。具体的设计通信协议帧结构表格如下：

表2通信帧格式

在帧格式表中，帧长度占用1字节，说明该通信帧的字节总长度。网关物理地址与设备网络地址分别占用8byte与12byte，信息段长度为50byte，包含具体信息内容。帧控制详细情况如表3所示：

表3帧控制描述

类型域与子类型域的组合可以实现对帧控制的具体描述，各类型帧的具体描述情况如表4所示：

表4各类型帧描述

类型域为00时，表明该帧是从家庭网关发送到服务器。在此前提下，子类型域0001表示返回地址，子类型域为0010表示请求组网，子类型域为0011表示为具体返回数据，子类型域0100表示该帧是按设定定时向服务器发送的通信帧。

类型域为10时，表明该帧是从服务器发送到家庭网关。在此前提下，子类型域为0001表示请求地址，子类型域为0010表示发送确认信号，子类型域为0011表示发送查询信号，子类型域为0100发送取消信号。未作出说明的其他格式均表示在当前帧内容下未进行具体定义。

家庭内网通信协议设计

家庭内部各终端节点与主控制器之间形成了星型拓扑结构的自组网，以WIFI模块进行无线通信。帧结构的设计也相应的以贴合实际用途为主，并预留出部分字段以备将来系统功能的进一步扩展。内部通信协议帧长度为12个字节，分为前5字节的帧格式于后6字节的帧格式。

前5byte的帧格式如表5所示：

表5家庭内部通信帧前5byte帧格式

后6byte的帧格式如表6所示：

表6家庭内部通信帧后6byte帧格式

在家庭内部通信帧的前5byte中，开始编码表明一帧的起始位置，采用固定的0X99表示。当各个终端节点接收到数据包后，首先对起始编码进行验证，确认是否符合设备要求以及起始编码是否完全正确。在确认起始编码无误后，则根据控制指令对相应的包含控制命令的数据进行解析，进而调整设备状态，达到有效控制的目的。否则，该数据无效，不做任何处理操作。设备号表明该设备在整个智能家居体系中的具体编码，如：0x01代表灯，0x02代表电视，0x03代表空调，0x04代表热水器等等。子设备号是为同一类型设备多次出现时描述的另一编码，如室内多次的多个灯的设备号相同，使用不同的子设备号即可进行区分。消息类型和产品状态各占四位，共占一个比特，消息类型为0001表明为查询命令，消息类型为0010表明为控制命令。产品状态为0001时代表该设备状态异常，0010代表设备正常运转。

内部通信帧的后6byte是对设备功能的具体描述。产品功能是对某一设备功能的分解，如空调具有加热、制冷不同功能。功能档位对诸如空调吹风时具有不同等级的风力的具体划分，当产品的功能不具备该内容时，默认为1。功能参数是对具有预设功能的设备所准备的帧内容，包含具体设备数值。定时时间功能参数类似，当某设备具有定时关闭或定时改变当前状态的功能时，该部分传输具体的定时时，单位为分钟。预留部分长度为1byte，为系统将来其他功能的扩展做一定预留，同时对帧整体长度无太大影响。结束编码与开始编码对应，标志着当前通信帧的结束，以固定0xFF进行表示。

通信程序设计

主控制器与各节点之间以Socket通信的方式进行数据传输，主控制器作为server端，各节点连接单片机以及无线传输模块即WiFi模块作为client端。主控制器连接的WiFi模块发射无线信号，利用QT的信号与槽机制，创建套接字，并监听相应端口。热水器端单片机连接的串口WIFI模块，选择STA模式，接入到主控制器的网络中，即作为Socket通信的client客户端。当节点的client连接后，服务器端与客户端开始进行信号收发，并从收发到的数据从提取关键参数，显示给用户。

本具体实施中传感器在整个体系中作为动作单元，负责数据的采集工作；各电器设备为从控制器，与传感器相连接在体系中作为节点共同存在；室内主控制器与从控制器之间以WIFI方式形成室内自组局域网，并实现控制功能；远程服务器经互联网与室内主控制器进行数据传输；小区管理终端或用户智能终端设备通过浏览器登入服务器后查看或更改室内设备状态。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种家庭太阳能热水器智能控制系统，其特征在于，包括：

采集模块，用于负责信息的采集；

处理单元，用于将采集到的信息整合处理；

传输模块，用于将处理完的数据发送到主控制器同时接受主控制器所发出的控制信号；

电源模块，用于提供系统运行的供电基础；

主控制器与热水器之间以Socket通信的方式进行数据传输，主控制器作为server端，热水器端单片机连接的串口WIFI模块，选择STA模式，接入到主控制器的网络中，即作为Socket通信的client客户端；主控制器连接的WiFi模块发射无线信号，利用QT的信号与槽机制，创建套接字，并监听相应端口；当节点的client连接后，服务器端与客户端开始进行信号收发，并从收发到的数据从提取关键参数，显示给用户。

2.如权利要求1所述的一种家庭太阳能热水器智能控制，其特征在于，所述处理单元采用51单片机系列中的STC89C52RC芯片。

3.如权利要求1所述的一种家庭太阳能热水器智能控制系统，其特征在于，在热水器端，设置了串口WIFI模块进行无线传输，选用ESP8266串口WIFI模块。

4.如权利要求1所述的一种家庭太阳能热水器智能控制系统，其特征在于，在主控器端选择RTL8189无线WIFI模块，该模块支持USB接口。

5.如权利要求1所述的一种家庭太阳能热水器智能控制系统，其特征在于，所述采集模块包括室外温度采集模块、室内温湿度采集模块、水位采集模块和光照强度采集模块；室外温度采集模块包括室外温度采集模块和热水器水箱温度采集模块，选取DS18B20单线型数字温度传感器。

6.如权利要求5所述的一种家庭太阳能热水器智能控制系统，其特征在于，所述水位采集模块采用分段式水位传感器，即将水箱水位分为4段，利用水的导电性，将一串4等分的电阻串放到水箱中，从水底到水面按不同颜色的标记标识出来，当水位到达该处时，立即引起该传感器的信号变化，最终数据经分析处理传输后，显示给用户的信息为水位的百分比或者分数形式。

7.如权利要求5所述的一种家庭太阳能热水器智能控制系统，其特征在于，所述光照强度采集模块选取GY-30数字光模块；室内温湿度采集模采用AM2302数字温湿度传感器，与主控制器的IO口连接，直接传输数据到主控制器上。

8.如权利要求1所述的一种家庭太阳能热水器智能控制系统，其特征在于，热水器的上水功能、分为智能模式与手动模式两种情况；在智能模式下，在系统开启后，水位传感器会检测水箱中水位信息并将数据传送至最近的处理单元，当处理单元判断出水位低于设定的最低值，同时室外气温高于零下4摄氏度以及不在上午2-6时间段时，发出上水指令，热水器端开始给水箱上水；水位传感器仍然持续不断的监测水位信息，当上水途中监测到水位满足设定的上水阈值时，处理单元发出停止上水信号，系统停止上水，在手动模式下，热水器端的处理单元持续不断的接收来自室内控制器的信号，当用户在人机交互界面上点击上水按钮时，控制器向热水器端发送上水信号，热水器接收到该信号后，开始上水，与此同时热水器端将水位信息的变化经无线方式传输回控制器界面上，用户发现水位满足使用要求后点击停止上水按钮或水位传感器检测到水位到达峰值后，控制器发送停止上水信号给热水器端的处理单元，待热水器端接收到该信号后，停止上水过程。

9.如权利要求1所述的一种家庭太阳能热水器智能控制系统，其特征在于，热水器的电加热包括智能模式与手动模式两种类型的区分；当用户将热水器端切换为智能模式时，首先，热水器端的处理单元会对水温水位光照强度信息作出判断，确保水位不低于1/5，光照强度低于预设加热临界值以及水温不高于30摄氏度；热水器端的处理单元发出加热信号，电加热棒供电，开始对水箱内的水进行加热，当水温达到用户的预设值后，处理单元发出停止上水信号，电加热棒断电，系统停止加热；当处于手动模式下时，热水器端的处理单元持续不断地监听来自控制器发出的信号，当用户需要启动电加热功能时，在主控制器的界面上选择电加热按钮，控制器则立即向热水器端发送相应的加热信号，进而驱动硬件电路中的继电器与电磁阀开始工作，即表现为热水器端的处理单元控制电加热棒开始对水箱进行加热；与水位信息控制相同，水温信息会随着加热的不断进行定时地发送回主控制器并显示给用户；在显示的水温达到用户满意值时，用户选择停止加热，或者当水温持续升高至到达系统开始预设的水温峰值时，热水器端的处理单元发出停止加热信号，电加热棒断电，加热功能结束。

10.如权利要求1所述的一种家庭太阳能热水器智能控制系统，其特征在于，在深夜时间段当用户入眠后，控制器设定休眠功能，当进入某一时间点后，主控制器向热水器发送休眠信号，使其进入休眠状态，即停止部分工作，仅保持其供电以进行正常运行；当用户需要使用该设备或者所设定的休眠时间段结束后，将其唤醒继续工作。