曹聪，李曼，薛爽，奥布力喀斯木·麦提库尔班，海舰航

(大连理工大学 能源与动力学院,辽宁 大连116024)

公寓用微型交互式智能给水、温水系统开发

曹聪，李曼，薛爽，奥布力喀斯木·麦提库尔班，海舰航

(大连理工大学 能源与动力学院,辽宁 大连116024)

公寓用微型交互式智能给水、温水系统致力于客户通过手机客户端智能控制室内水箱定时、定量加水及自动加热功能的开发，当温度达到预定值时实时语音提醒用户。用"自动智能通断电路加热"取代传统"保温功效"实现低成本、小功耗、高智能、环保节能的功效。

智能通断电路；定时；过温报警；语音提醒；环保；节能

0 引 言

随着科学技术的进步与发展，人们对生活品质有了愈来愈高的要求，生活用品的质量也逐渐提高。目前大多数家用热水器或高校使用的热水器皆是将水加热至最高温度后再停止加热，过程中造成了电能的浪费。公寓用微型交互式智能给水、温水系统的开发将给予高校学生以及单身白领极大的便利，智能化也将面向更多的用户[1]。

市场传统控制器只具有温度和水位的显示功能,而不具备温度和水位的即时控制功能、部分由于不能控制加热时间及水位产生过烧,而浪费电能、甚至会引起火灾。因此设计一款微型交互式智能给水、温水系统十分有必要[2-3]。

公寓用微型交互式智能给水、温水系统以目前市场上的家用热水器控制系统功能单一、操作复杂、浪费电能、控制不便等问题为出发点，提出智能交互式给水、温水系统控制的设计思想：用手机APP界面的两项交互式定量、定时功能取代传统的单项输入、人工加水的方法。通过此方法能够方便用户在用水需求前将水加热，整套装置用“自动智能通断电路加热”取代传统“保温功效”，当温度达到预定值时实时语音提醒用户。水位、温度智能动态监控可避免造成能源的极大浪费的现象。同时手机客户端界面可对时间和水量进行调节，系统根据用户需要进行定时开机、设定温度，并具智能检测保护。个性化界面一次性置入长久性“我要洗脸”、“我要洗脚”功能并可对其进行特殊定制控制，具有传统加热系统无可比拟的优越性。

1 系统硬件设计

1.1 系统总图设计

图1 系统硬件总图

公寓用微型交互式智能给水、温水系统由一个核心四个基本模块的基本架构组成。以STC89C51单片机为核心，HC-SR04水位传感器采集数据对水量进行监控、DS18B20防水温度传感器对温度进行动态监控和显示、CC2540蓝牙模块把手机客户端与单片机联合实现全过程的智能化[4]，用手机APP预定使用时间和用水量实现对加水加热过程的智能简便控制，硬件设计模块如图1所示。

1.2 系统硬件选用

1)单片机

本方案采取STC89C51单片机作为主控制器。STC89C51RC是采用8051核的ISP在系统可编程芯片，具有在系统可编程(ISP)特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快[5-6]。

2) DS18B20防水温度传感器

DS18B20防水温度传感器具有微型化，低功耗，高性能，抗干扰能力强，易配微处理器等优点，相较热电偶传感器而言可实现高精度测温，可直接将温度转化成数字信号处理器处理。重要参数：测温范围：-55 ℃～125 ℃测温误差：0.5 ℃。

3) 蓝牙模块

本方案选择CC2540蓝牙模块作为通信媒介。CC2540低功耗蓝牙模块是一款高性能物联网无线收发器，具有功耗低、体积小、传输距离远、抗干扰能力强等特点。

4) 水位传感器

考虑到易用性和成本，选用超声波测距模块HC-SR04。该模块的工作原理是发出超声波，检测有无超声波返回，当有返回时，记录间隔时间，返回信号TTL电平时间正比于与被测物之间的距离，由声速计算出距离[7]。重要参数：射程范围：2 cm～4 m；测量角度：15度。

图2 单片机程序系统主架

1.3 程序与电路设计

主架构如图2所示，以单片机为控制核心，程序循环采集温度数据和水位数据，将其显示在显示屏上，并通过蓝牙模块发送到手机APP上，其中，3.3 V稳压电源模块电路如图3所示，超声波模块电路如图4所示，温度模块电路如图5所示。

图3 远程电路启停控制电路

图4 超声波模块电路 图5 温度模块电路

2 系统软件设计

系统总体软件设计流程图如图6所示，余下界面端内置程序、模块内置程序及各原理公式分别在小节中说明。

图6 软件设计流程图

2.1 界面端内置程序公式

“多久后用水”与“几点要用水”的平行控制

T1：用户设定用水时间点(0:00—23:59)

T2：当前时间点(0:00—23:59)

ΔT1：用户设定用水时间段(8 min以上)

ΔT1=T1-T2：时间差

2.2 交互式模块内置程序公式

“用户设定使用时间”与“智能加热时间”的对接

ΔT：实际加热时长

ΔT2：待命时长

ΔT=ΔT1-ΔT2

数据ΔT发送给智能控制模块。

2.3 时间段、点串联、水量、APP界面中枢公式推导定量、定时关系式

数学建模法建立V(容量)与ΔT(定时)的理论关系：

冬季：①自来水水温：T1=16 ℃～17℃

②常用洗漱水温：T2=40 ℃

系统：①系统假设实际加热时长上限：30 min=1 800 s

②热得快功率：500 W

水比热容公式：

取k=5.185×103Δt

则V=kΔt。

理论上下限确立：(用于APP界面进度条的系统设定)

“一盆水”：V=5 L

实际：①有效水量：V1=2.5 L(半盆)

②有效时间：30 min

由上式V=k得上下限：

①实际加热时间：8.04 min≤Δt≤30 min

②水量： 0.5盆≤V≤1.87盆(2.5L～9.35L)

由此构建Δt-V一次函数进行拟合实验。结合实验数据：修正后系数：k=4.92×10-3，

V=4.92×10-3Δt；

实际上下限：

①实际加热时间：9.01 min≤Δt≤35 min

②水量：0.5/盆≤V≤1.66/盆

2.4 人性化设计单位定位

刻度盘的界面转化单位L换 “盆”,“一盆水”：V=5 L；

水位传感器高度换体积：

V=S(H-h)

H：水箱底部到传感器的距离

h：水平面到传感器的距离

S：水箱截面面积(水箱均匀)。

“我要洗脸”“我要洗脚”等模式“数据库”的建立，实现“一次性置入，长期性套用”，APP界面效果如图7所示。

图7 APP界面效果

3 实物模型测试

作品采用“函数拟合法”实现理论到实物的转化，从试验中得出Δt-V(实际加热时长—容量)的相关性曲线，得出实验值V=kΔt的系数k,结合水量比热容公式修正k、结合修正后的k完善手机客户端APP；由2.3节中时间、水量、APP界面中枢公式推导得V-Δt(容量-定时)的理论关系：

V=5.185×103Δt

将2.3节中构建的Δt-V一次函数进行拟合实验，求得实际上下限：

①实际加热时间：

8.04 min≤Δt≤30 min

②水量：0.5/盆≤V≤1.87/盆。

由实验数据，求解相关系数r，求得拟合程度，对最终产品的相关精度等进行科学性评估。

4 行业前景分析

4.1 创新点

1) 迎合市场需求：

覆盖小中型单位、功率限定单位的热水器市场，如学生宿舍、白领住宅等；更好地满足了当前市场的智能需求：用手机APP界面的两项交互式定量、定时功能取代传统的单项输入、人工加水。

2)更具人性化：

将水量单位“L”换做“盆”，APP界面自动点击“我要洗脸”、“我要洗脚”模式，系统自动给入水量、设定时间可实现“一次设置、长久套用”的功效。

3)更节能、安全：

用“智能计算通断加热电路”取代“保温”、“定量控制加热水量”到“整体加热、部分使用”更节能；系统依据水量、温度自动通断电路，防止产生过烧，甚至引起火灾。

4.2 后期规划

1)无线控制

将蓝牙模块改进无线网WIFI模块，实现远距离的智能控制。从根本解决传统大功率家居的几大问题，实现加热系统的全面革命[7]。

2)大数据库使加热系统更人性化

将“洗漱最合适水量、时间—健康指数”等统计数据传输到总服务器构建大数据库， 自动为用户提供更科学合理的制定方

法，生成固定的用户模式，用户可“一键式”操作。数据库可为部分医学研究提供实验数据。

5 结束语

该系统通过对温度的检测、分析和处理，实现了对当前温度的显示及对加热系统的控制。通过对水位的监测，实现了被测系统水位超标的报警提示及对送水系统的控制,具有较大的市场前景。

[1] 倪德良，俞善庆，杜云庆.家用热水器的能效、应用及发展对策[J].能源技术，2004，25(4)：171-173.

[2] 傅教智.我国热水器市场分析[J].现代家电，2000，12(5)：23-26.

[3] 冯凯，童世华．智能家居的由来及其发展趋势[J]．中国新技术新产品，2010,8(6)：7-9.

[4] 孟伟，方世巍，宋杰，等.基于单片机的智能家用热水器控制系统设计[J].微型机与应用，2011，30(21)：33-36.

[5] 王翠香，邵星.基于无线传感器网络的智能家居系统设计[J].工业控制计算机，2015,28(12):58-59.

[6] 余发山，王福忠.单片机原理及应用技术[M].矿业大学出版社，2008.

[7] 车玮.智能热水器温度及水位测量系统[J].信息通信，2015，156(12)：62-63.

Development of Mini Interactive Smart System for Water and Warm Water Supply Applied to Apartments

Cao Cong, Li Man, Xue Shuang, Aobulikasimu·Maitikuerban, Hai Jianhang

(College of Energy and Power, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China)

The mini interactive smart system for water and warm water supply applied to apartments is devoted to the development of the functions for timing and quantitative filling of the water and automatic heating of the indoor water tank and the functions could be controlled intelligently by the client mobile phone. When the temperature reaches a predetermined value, the user will be reminded by the voice alert in real-time. When the traditional "Thermal insulation function" is replaced by "Automatic and intelligent on-off heating circuit "it is able to reach the targets of low cost, low power consumption, high intelligence, environmental protection and energy saving.

smart on-off circuit；timing；over-temperature alarm；voice reminding；environmental protection；energy saving

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.031

TP21/27

A

1000-3886(2016)05-0099-04

曹聪(1993-),男，山西应县人。本科生,参与豆斌林教授国家级科研项目《化学链重整制氢载氧体的应用》，科技作品曾多次获得校、省“挑战杯”、“节能减排大赛”国家级等奖项。 李曼(1995-),女，内蒙古霍林郭勒人。本科生,“lightcube智能灯具”国家级创业团队成员，“甲烷水合物饱和度和轴向载荷对沉积层渗透率影响的实验研究”科技创新团队负责人。 薛爽(1995-),女，辽宁海城人。本科生。现担任学院团委副书记兼组织部长等学生工作，曾参加“大学生数学竞赛”并获市、省二等奖，获“中国船级社”等奖学金。 奥布力喀斯木·麦提库尔班(1992-),男，新疆维吾尔自治区于田县人。本科生。 海舰航(1995-),男，河南南阳人。本科。

定稿日期: 2016-05-07