基于机智云平台的互联网燃气热水器物联网控制模组的设计

占亚剑，李国兵，朱仕梁

（1.广东机电职业技术学院，广东 广州510515；2．广东顺德大派电气有限公司，广东 顺德528300）

0 引言

物联网技术的应用为智能家居提供更为人性化的用户体验提供了技术支持，推动了智能家居快速发展，智能家居领域最早的创新产品——互联网电视，被海尔、美的、小米等国内知名厂商的广泛关注。工信部数据显示，2017年全国互联网电视产量超过千万台，占彩电总产量63.4%，但用户互联网渗透率不足10%，即不足一成的互联网电视用户使用了互联网及相关应用服务，绝大部分用户并没有使用互联网电视的网络搜索、IP电视、视频通话和网络视频等信息终端功能。事实上，在移动互联对家居生活传统模式产生颠覆性影响的时代背景下，同时具备使用高频和生活刚需等特点的传统家居设备已为数不多。互联网热水器作为同时符合上述两个条件的家居设备，已逐渐成为物联网应用发展领域的新热点。本文提出了一种燃气热水器物联网控制模组的设计方案，能利用机智云平台，将普通燃气热水器改造升级为互联网热水器。

1 互联网燃气热水器的整体设计

燃气热水器与电热水器相比，具有空间占用小、费用低、供热持续性强以及免维护等显著优势，尤其在二胎政策开放家庭常住人口增长和国内居民消费水平升级的背景下，燃气热水器市场规模将进一步超越电热水器市场规模。国内燃气热水器经过多年迭代式创新，技术成熟度和性能指标在国际上处于先进水平，目前市场主流机型的标配功能有恒温供热、零秒出热水以及低水压点火等，能较好地满足绝大部分客户的使用需求。

本方案针对国内燃气热水器主流机型，采用嵌入式技术和物联网M2M技术对传统燃气热水器进行升级改造，增设用户与热水器、热水器与云端互联互通的物联网络系统。本设计的物联网系统的信息中枢是物联网云平台[1]。互联网燃气热水器作为智能家居设备，其物联网云平台必须是具备强大的物联网节点支撑能力、可扩展性强和运维成本低等特点的云计算平台，在国内较成熟的云平台有百度IoT、京东智能云、阿里云、腾讯云、中科智城云和机智云等。百度IoT提供基于地图服务的增值服务；京东智能云、阿里智能云的特点是可以提供自定义界面的通用APP，支持接入微信平台；中科智城云仅面向企业提供个性化定制服务；机智云是国内最早的智能硬件自助开发和云服务平台，是国内最大的物联网开发平台，拥有国内最大的物联网开发者社区，不仅能提供自主品牌的智能硬件模组，还支持其他硬件厂家的模组接入，能较好符合智能家居物联网云平台的设计要求。本文提出的整体设计方案是以机智云平台为系统控制枢纽，通过物联网控制模组与机智云平台利用手机APP进行数据通信，构建性能可靠、运行稳定的燃气热水器物联网控制系统，整体设计的结构框图见图1.

图1 互联网燃气热水器整体结构框图

本方案选择机智云作为物联网云端服务平台基于三个考虑。一是机智云为开发者提供了自助式智能硬件开发工具与开放的云端服务，能通过模块化的工具、不断增强的SDK与API服务能力最大限度降低了物联网硬件开发的技术门槛，降低研发成本，缩短产品开发投产周期；二是机智云能提供稳定的、丰富的SDK应用开发包可供免费开源的APP调用，控制运维成本；三是机智云打造的开发者社区是物联网产品开发应用生态系统的重要组成部分，能推动产品快速迭代提升用户体验，有利于物联网智能家居产品互联网渗透率。综上所述，本方案产品选用机智云平台作为物联网云端服务平台，利用技术成熟性价比高的stm32作为主控芯片，采用技术成熟的ESP8266作为WiFi通讯芯片，构建性能强大、运维便捷可靠和拓展功能丰富的燃气热水器物联网控制模组。

2 物联网控制模组的设计

本方案以STM32F407ZGT6为主控模块，结合水温信号、水流量信号、一氧化碳检测信号等信号数据，通过ESP8266 WIFI模块与机智云平台构成物联网系统，可使用手机APP设定热水器控制与设置参数，设计框图如图2所示。

图2 燃气热水器物联网控制模组设计框图

2.1 WIFI模块

WiFi模块采用低功耗、高集成度的ESP8266，该模块高度集成8M存储器、射频balun、天线开关、过滤器和功率放大器，时钟速度最高达160 MHz，具有超低功耗的16位RSIC[2]。ESP8266支持实时RTOS操作系统，WiFi协议栈只占用20%的MIPS，剩余的80%可用于开发与编程。烧写GAgent固件后，可以提供上层应用（手机APP等控制端、云端）与互联网燃气热水器进行双向数据通讯，其电路原理图3所示。ESP8266广泛应用于电气设备、移动通信终端等领域，通过串口与MCU连接，可实现多应用场景的超低功耗运行，能满足本方案对功耗控制的严格要求。本设计中，WiFi模块和STM32通过串口通信，在手机APP上可实现对燃气热水器的出水温度、出水量等参数进行预设，将数据上传至机智云平台，并能从机智云平台服务器获取相应的控制信息。WiFi模块进行数据收发所调用STM32函数的主要内容如下：

图3 ESP8266 WiFi模块电路原理图

2.2 机智云平台设置

机智云平台面向网页控制端及手机APP提供的应用程序编程接口API具备代码自动生成功能。云平台会根据本设计方案定义的数据节点生成对应的设备端代码，降低了开发者的开发门槛和开发资源调用，缩短开发周期。设备端代码实现了机智云通信协议的解析与封包、传感器数据与通信数据的转换逻辑，并封装成了简单的API。当互联网燃气热水器WIFI模块收到云端或APP端的数据后，程序会将数据转换成对应的事件并通知到应用层，开发者只需要在对应的事件处理逻辑中添加对应设备的控制函数，就可以完成产品的开发。机智云官网的开发者中心为本设计方案提供虚拟的互联网燃气热水器物联网控制模组，可模拟设备上报数据和快速校验接口功能开发情况。同时，利用机智云平台提供的手机APP扫描该虚拟设备自动生成的二维码后，可在手机上对虚拟设备进行控制仿真，检查虚拟设备与云平台数据通信可靠性，本设计方案开发过程中的控制仿真界面如图4所示。

图4 互联网燃气热水器控制仿真界面

2.3 主控模块的设计

本设计方案主控模块采用的是STM32F407ZGT6微控制器的内核为ARMCortex-M4F，与燃气热水器主控板驱动模块的通讯方式为串口，负责与燃气热水器主控板驱动模块通讯，实现燃气热水器各项功能。STM32F407ZGT6微控制器是当前智能家居设备的主流微控制器，兼容性好，具有较高的性价比且维护成本低。在本设计中仅用到了微控制器部分子模块，包括串口看门狗ADC定时器和IO口等模块[3]。在确定通过采集出水温度和水流压力等传感器传回的信号，并与预设的温度和进水量进行对比，经串口发送执行命令给燃气热水器主控板驱动模块，通过控制燃气气阀、水阀开度，形成闭环控制，实现水温的快速调节。机智云与STM32数据传输函数的部分核心代码如下：

3 手机APP测试

利用机智云平台提供的SDK开发包，完成Active修改后即可对手机APP进行多次开发，添加或修正互联网燃气热水器远程控制功能项目。本设计方案给出的第一个版本的手机APP应用包含远程启动、沐浴模式选择、目标水温预设和浴缸放水时间设定等功能，用户界面如图5所示。在后续的手机APP版本中，还将添加沐浴时间回报、燃气耗能统计和CO浓度监测报警推送等功能，进一步提升用户体验和与其他智能家居设备的兼容性。

4 结束语

本文基于普通的燃气热水器，利用wifi模块、stm32控制模块和机智云平台组成物联网控制模组，构建互联网燃气热水器物联网控制系统，实现了通过互联网对燃气热水器的远程控制和监测。本文设计方案提出的物联网控制模组二次开发成本低，开源开发环境兼容性强，能通过家庭网络与其他智能家居设备连接起来，并遵循特定的控制策略协调各设备的工作状态，实现智能家居设备互通互联，具有广泛的应用前景。