CN108800613A - 基于NB-IoT的太阳能-电能供水模式自动切换系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于NB‑IoT的太阳能‑电能供水模式自动切换系统，由室外太阳能水箱温度监测与数据上传装置、云端数据管理子系统和室内电路与水路控制子系统组成；具体包括太阳能水箱、密封堵头三通、出水管、外置水温传感器探头、NB‑IoT数据上传模块、电热水器、Wifi电控三通水阀、Wifi电源开关和室内主控单片机模块；本发明能实时监测太阳能水箱温度，了解异常情况，及时、自动切换供水模式和改变电热水器的工作状态，减少了不必要的电能消耗，方便使用。
Description
技术领域
本发明属于热水器技术领域，涉及一种基于NB-IoT的太阳能-电能供水模式自动切换系统。
背景技术
近年来，移动通信正在从人和人的连接，向人与物以及物与物的连接迈进，万物互联是必然趋势，对于电信运营商而言，车联网、智慧医疗、智能家居等物联网应用将产生海量连接，远远超过人与人之间的通信需求；NB-IoT技术具备四大特点：一是覆盖广，中国电信、移动、联通等运营商已在各大城市提供了NB-IoT商用服务；二是具备支撑海量连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；三是功耗低，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年；四是成本低，单个接连模块的硬件成本不超过50元，运营商接入服务费大约一年5-20元；目前NB-IoT技术比较典型的应用范例是部分已更新为NB-IoT技术的共享单车智能锁。
目前大量家庭热水供给方式采用的是室外太阳能热水器和室内电热水器的两路供水方案，在天气阴晴变化时，需要手动完成供水模式的切换，涉及到电热水器的开关和入户热水阀门的切换等动作，使得热水器使用变得繁琐、电耗增大。
发明内容
本发明提供一种基于NB-IoT的太阳能-电能供水模式自动切换系统，解决了现有技术中太阳能、电能供水模式需要人为监控、切换的问题，节约了用户时间，随时供应热水，方便了用户的使用。
本发明所采用的技术方案是，基于NB-IoT的太阳能-电能供水模式自动切换系统，具体包括：室外太阳能水箱温度监测与数据上传装置、云端数据管理子系统和室内电路与水路控制子系统；
室外太阳能水箱温度监测与数据上传装置，由太阳能水箱、密封堵头三通、出水管、外置水温传感器探头和NB-IoT数据上传模块组成，其中太阳能水箱、密封堵头三通和出水管依次连接，外置水温传感器探头置于太阳能水箱内，外置水温传感器探头上的导线穿过密封堵头三通和出水管，并与NB-IoT数据上传模块连接，NB-IoT数据上传模块固定在太阳能水箱外侧，出水管与室内电路与水路控制子系统的Wifi电控三通水阀管道连接；
云端数据管理子系统是能提供NB-IoT数据接收和管理服务的云服务商；
室内电路与水路控制子系统，由室内主控单片机模块、Wifi电源开关、电热水器和Wifi电控三通水阀组成，其中Wifi电源开关、Wifi电控三通水阀与室内主控单片机模块Wifi连接，电热水器与Wifi电源开关导线连接，电热水器的出水管与Wifi电控三通水阀管道连接。
进一步的，NB-IoT数据上传模块包括外壳和室外太阳能水箱温度监测与数据上传装置板卡，室外太阳能水箱温度监测与数据上传装置板卡包括NB-IoT芯片、低功耗单片机主控芯片、天线、物联网卡、数据存储芯片、传感器接口和电池；电池为NB-IoT数据上传模块供电，传感器接口与外置水温传感器探头连接，获取水温数据并传输至数据存储芯片储存，数据存储芯片通过物联网卡、NB-IoT芯片与低功耗单片机主控芯片实现信息互通，并通过天线将水温数据上传至云端数据管理子系统。
进一步的，Wifi电控三通水阀是脉冲控制电磁阀加装一个Wifi电控三通水阀控制电路板卡，Wifi电控三通水阀控制电路板卡包括Wifi芯片、单片机主控芯片、天线、USB接口和GPIO接口；脉冲控制电磁阀的信号线连接在GPIO接口上，单片机主控芯片通过天线接收指令，通过USB接口和GPIO接口向脉冲控制电磁阀输出指令。
进一步的，Wifi电源开关由Wifi电源开关控制电路板卡控制，Wifi电源开关控制电路板卡包括Wifi芯片、单片机主控芯片、天线、USB接口和继电器，单片机主控芯片通过天线接收指令，USB接口与电热水器连接，单片机主控芯片控制继电器改变电热水器开关电路的通断状态，并将执行结果反馈给室内主控单片机模块。
进一步的，继电器的控制电路由电阻R1、电阻R2、电容C1、三极管Q1、二极管D1、继电器KA组成，电阻R1输入端与单片机主控芯片的输出引脚相连，电阻R1的输出端直接与三极管Q1的基极连接，电阻R1的输出端还通过并联电阻R2、电容C1与三极管Q1的发射极连接，三极管Q1的发射极接地，继电器KA的线圈和二极管D1并联，并与三极管Q1的集电极串联，继电器KA的常开触点、常闭触点与电热水器的开关电路连接。
本发明的有益效果是：⑴能够自动监测室外太阳能热水器的水箱温度变化，及时发现异常情况；⑵可以根据室外太阳能热水器的水箱温度切换供水模式，方便快捷，无需手动操作，随时供应热水；⑶及时、自动切换供水模式，减少不必要的电能消耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是基于NB-IoT的太阳能-电能供水模式自动切换系统整体示意图；
图2是基于NB-IoT的太阳能-电能供水模式自动切换系统的装置图；
图3是室外太阳能水箱温度监测与数据上传装置板卡示意图；
图4是Wifi电控三通水阀控制电路板卡示意图；
图5是Wifi电源开关控制电路板卡示意图；
图6是继电器的控制电路图。
图中，1.室外太阳能水箱温度监测与数据上传装置，2.云端数据管理子系统，3.室内电路与水路控制子系统，4.太阳能水箱，5.密封堵头三通，6.出水管，7.外置水温传感器探头，8.NB-IoT数据上传模块，9.电热水器，10.Wifi电控三通水阀，11.Wifi电源开关，12.室内主控单片机模块，13.室外太阳能水箱温度监测与数据上传装置板卡，14.NB-IoT芯片，15.低功耗单片机主控芯片，16.天线，17.物联网卡，18.数据存储芯片，19.传感器接口，20.电池，21.Wifi电控三通水阀控制电路板卡，22.Wifi芯片，23.单片机主控芯片，24.USB接口，25.GPIO接口，26.继电器，27.Wifi电源开关控制电路板卡。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
基于NB-IoT的太阳能-电能供水模式自动切换系统如图1所示，包括：室外太阳能水箱温度监测与数据上传装置1、云端数据管理子系统2和室内电路与水路控制子系统3。
如图2所示，室外太阳能水箱温度监测与数据上传装置1由太阳能水箱4、密封堵头三通5、出水管6、外置水温传感器探头7和NB-IoT数据上传模块8组成，其中太阳能水箱4、密封堵头三通5和出水管6依次连接，外置水温传感器探头7置于太阳能水箱4内，外置水温传感器探头7上的导线穿过密封堵头三通5和出水管6，并与NB-IoT数据上传模块8连接，NB-IoT数据上传模块8固定在太阳能水箱4外侧，出水管6与室内电路与水路控制子系统3的Wifi电控三通水阀10管道连接进行供水。
NB-IoT数据上传模块8包括外壳和室外太阳能水箱温度监测与数据上传装置板卡13，室外太阳能水箱温度监测与数据上传装置板卡13如图3，包括NB-IoT芯片14、低功耗单片机主控芯片15、天线16、物联网卡17、数据存储芯片18、传感器接口19和电池20；电池20为NB-IoT数据上传模块8供电，免去了电源布线的施工，传感器接口19与外置水温传感器探头7连接，获取水温数据并传输至数据存储芯片18储存，数据存储芯片18通过物联网卡17、NB-IoT芯片14与低功耗单片机主控芯片15实现信息互通，并通过天线16将水温数据上传至云端数据管理子系统2进行存储，低功耗单片机主控芯片15能设置参数物联网服务商网关地址、物联网卡绑定地址、数据通信协议、数据通信频段、数据上报频率。
云端数据管理子系统2是能提供NB-IoT数据接收和管理服务的云服务商，手机APP是客户端应用，有两部分功能：一是通过数据访问接口从云端数据管理子系统2中获取并显示室外太阳能水箱水温数据，二是在室内Wifi网络中，用于查看和管理室内主控单片机模块、水路和电路开关状态。
如图2所示，室内电路与水路控制子系统3由室内主控单片机模块12、Wifi电源开关11、电热水器9和Wifi电控三通水阀10组成，其中Wifi电源开关11、Wifi电控三通水阀10与室内主控单片机模块12Wifi连接，电热水器9与Wifi电源开关11导线连接，电热水器9的出水管与Wifi电控三通水阀10管道连接；室内主控单片机模块12定期访问云端数据管理子系统2存储的室外太阳能水箱水温数据，并根据设定的参数控制Wifi电源开关11和Wifi电控三通水阀10的工作状态；室内主控单片机模块12能设定：从云平台获取数据的时间间隔、访问云平台的key、云平台的接口参数、室内电路和水路开关的控制指令和触发指令的策略，室内主控单片机模块12通过IP轮询搜索到Wifi电控三通水阀10和Wifi电源开关11的地址，并将地址记录下来作为发送指令时的目标地址。
Wifi电控三通水阀10是脉冲控制电磁阀加装一个Wifi电控三通水阀控制电路板卡21，Wifi电控三通水阀控制电路板卡21如图4所示，包括Wifi芯片22、单片机主控芯片23、天线16、USB接口24和GPIO接口25；脉冲控制电磁阀的信号线连接在GPIO接口25上，单片机主控芯片23通过天线16接收到指令后，通过USB接口24和GPIO接口25向脉冲控制电磁阀输出一个电脉冲来把阀门切换到工作状态a，再次输入电脉冲后，切换到工作状态b，其中工作状态a和工作状态b指的是太阳能供水或电热水器供水。
Wifi电源开关11由Wifi电源开关控制电路板卡27控制，Wifi电源开关控制电路板卡27如图5所示，包括Wifi芯片22、单片机主控芯片23、天线16、USB接口24和继电器26，单片机主控芯片23通过天线16接收指令，USB接口24与电热水器9连接，单片机主控芯片23控制继电器26改变电热水器9开关电路的通断状态，并将执行结果反馈给室内主控单片机模块12；室内主控单片机模块12、Wifi电控三通水阀10和Wifi电源开关11之间借助Wifi芯片建立TCP/IP连接实现通讯。
继电器26的控制电路如图6所示，由电阻R1、电阻R2、电容C1、三极管Q1、二极管D1、继电器KA组成，电阻R1输入端与单片机主控芯片的输出引脚相连，电阻R1的输出端直接与三极管Q1的基极连接，电阻R1的输出端还通过并联电阻R2、电容C1与三极管Q1的发射极连接，三极管Q1的发射极接地，继电器KA的线圈和二极管D1并联，并与三极管Q1的集电极串联，继电器KA的常开触点、常闭触点与电热水器的开关电路连接。；单片机主控芯片23执行指令输出高电平时，继电器KA的常开触点闭合，开关电路导通，Wifi电源开关11打开；单片机主控芯片23执行指令输出低电平时，继电器KA的常开触点断开，开关电路截止，Wifi电源开关11关闭。
用一个字节来表示室内主控单片机模块12向Wifi电控三通水阀10和Wifi电源开关11发送的指令，发送指令的过程是通过应用层协议完成的：
0x01表示要将Wifi电源开关11设置为On，Wifi电控三通水阀10设置为电热水器供水；
0x02表示要将Wifi电源开关11设置为Off，Wifi电控三通水阀10设置为太阳能热水器供水；
0xFF表示查询Wifi电控三通水阀10、Wifi电源开关11的工作状态。
Wifi电控三通水阀10和Wifi电源开关11收到指令后，执行对应的动作后用一个字节反馈执行结果，执行结果的反馈过程通过应用层协议完成：
0x03表示当前Wifi电源开关11和电热水器供水已为On；
0x04表示当前Wifi电源开关11和电热水器供水已为Off。
实施例
在初次使用前进行初始化配置：①打开室内主控单片机模块12、Wifi电控三通水阀10和Wifi电源开关11的微动开关，让其Wifi临时切换到AP模式；②通过Wifi SSID和密码与手机APP建立连接，连接成功后，通过手机APP把当前家庭Wifi网络的SSID和密码传递给室内主控单片机模块12、Wifi电控三通水阀10和Wifi电源开关11记录；③将室内主控单片机模块12、Wifi电控三通水阀10和Wifi电源开关11的Wifi工作模式恢复到STA模式，并加入家庭Wifi网络，获得相应的IP地址。
室内主控单片机模块12每间隔半小时访问一次云端数据管理子系统2，查看太阳能水箱4的水温数据，当太阳能水箱水温小于50℃时，室内主控单片机模块12发送指令0x01，Wifi电源开关11开启，对室内电热水器9加温，Wifi电控三通水阀10将供水模式调节为电能供水，并向室内主控单片机模块12发送执行结果0x03；当太阳能水箱水温大于50℃时，室内主控单片机模块12发送指令0x02，Wifi电源开关11关闭，室内电热水器9停止加温，Wifi电控三通水阀10将供水模式调节为太阳能供水，并向室内主控单片机模块12发送执行结果0x04；同时，用户可以通过手机APP访问云端数据管理子系统2，对太阳能水箱的水温数据进行实时查看，还可以根据自身的需求操作Wifi电源开关11和Wifi电控三通水阀10的工作装态。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.基于NB-IoT的太阳能-电能供水模式自动切换系统，其特征在于，具体包括：室外太阳能水箱温度监测与数据上传装置(1)、云端数据管理子系统(2)和室内电路与水路控制子系统(3)；
所述室外太阳能水箱温度监测与数据上传装置(1)，由太阳能水箱(4)、密封堵头三通(5)、出水管(6)、外置水温传感器探头(7)和NB-IoT数据上传模块(8)组成，其中太阳能水箱(4)、密封堵头三通(5)和出水管(6)依次连接，外置水温传感器探头(7)置于太阳能水箱(4)内，外置水温传感器探头(7)上的导线穿过密封堵头三通(5)和出水管(6)，并与NB-IoT数据上传模块(8)连接，NB-IoT数据上传模块(8)固定在太阳能水箱(4)外侧，出水管(6)与室内电路与水路控制子系统(3)的Wifi电控三通水阀(10)管道连接；
所述云端数据管理子系统(2)是能提供NB-IoT数据接收和管理服务的云服务商；
所述室内电路与水路控制子系统(3)，由室内主控单片机模块(12)、Wifi电源开关(11)、电热水器(9)和Wifi电控三通水阀(10)组成，其中Wifi电源开关(11)、Wifi电控三通水阀(10)与室内主控单片机模块(12)Wifi连接，电热水器(9)与Wifi电源开关(11)导线连接，电热水器(9)的出水管与Wifi电控三通水阀(10)管道连接。
2.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的太阳能-电能供水模式自动切换系统，其特征在于，所述NB-IoT数据上传模块(8)包括外壳和室外太阳能水箱温度监测与数据上传装置板卡(13)，室外太阳能水箱温度监测与数据上传装置板卡(13)包括NB-IoT芯片(14)、低功耗单片机主控芯片(15)、天线(16)、物联网卡(17)、数据存储芯片(18)、传感器接口(19)和电池(20)；电池(20)为NB-IoT数据上传模块(8)供电，传感器接口(19)与外置水温传感器探头(7)连接，获取水温数据并传输至数据存储芯片(18)储存，数据存储芯片(18)通过物联网卡(17)、NB-IoT芯片(14)与低功耗单片机主控芯片(15)实现信息互通，并通过天线(16)将水温数据上传至云端数据管理子系统(2)。
3.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的太阳能-电能供水模式自动切换系统，其特征在于，所述Wifi电控三通水阀(10)是脉冲控制电磁阀加装一个Wifi电控三通水阀控制电路板卡(21)，Wifi电控三通水阀控制电路板卡(21)包括Wifi芯片(22)、单片机主控芯片(23)、天线(16)、USB接口(24)和GPIO接口(25)；脉冲控制电磁阀的信号线连接在GPIO接口(25)上，单片机主控芯片(23)通过天线(16)接收指令，通过USB接口(24)和GPIO接口(25)向脉冲控制电磁阀输出指令。
4.根据权利要求1所述的基于NB-IoT的太阳能-电能供水模式自动切换系统，其特征在于，所述Wifi电源开关(11)由Wifi电源开关控制电路板卡(27)控制，Wifi电源开关控制电路板卡(27)包括Wifi芯片(22)、单片机主控芯片(23)、天线(16)、USB接口(24)和继电器(26)，单片机主控芯片(23)通过天线(16)接收指令，USB接口(24)与电热水器(9)连接，单片机主控芯片(23)控制继电器(26)改变电热水器(9)开关电路的通断状态，并将执行结果反馈给室内主控单片机模块(12)。
5.根据权利要求4所述的基于NB-IoT的太阳能-电能供水模式自动切换系统，其特征在于，所述继电器(26)的控制电路由电阻R1、电阻R2、电容C1、三极管Q1、二极管D1、继电器KA组成，电阻R1输入端与单片机主控芯片(23)的输出引脚相连，电阻R1的输出端直接与三极管Q1的基极连接，电阻R1的输出端还通过并联的电阻R2、电容C1与三极管Q1的发射极连接，三极管Q1的发射极接地，继电器KA的线圈和二极管D1并联，并与三极管Q1的集电极串联，继电器KA的常开触点、常闭触点与电热水器(9)的开关电路连接。
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