基于RL78微控制器的無(wú)線連接的智能恒溫器設(shè)計(jì)

本白皮書(shū)介紹了RL78微控制器系列以及GainSpan Wi-Fi模塊，作為設(shè)計(jì)提供無(wú)線連接的智能恒溫器的一種方法。它簡(jiǎn)要描述了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，智能Wi-Fi溫控器的功能以及瑞薩提供的參考解決方案。

每天都有數(shù)十種有用的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品圍繞著我們。他們無(wú)處不在。但是，如果要求您快速命名一個(gè)不僅有用，而且是“生活質(zhì)量”改進(jìn)劑的名字，它可以提高生活舒適度，節(jié)約能源，易于使用，靈活且相對(duì)便宜，那么候選人的范圍就會(huì)縮小相當(dāng)。智能恒溫器尤其值得一提。它們簡(jiǎn)化了我們的日常生活，使他們過(guò)得更加愉快。沃倫·約翰遜（Warren Johnson）于1883年發(fā)明了電恒溫器，從那時(shí)起，這些環(huán)境控制設(shè)備已經(jīng)從曾經(jīng)無(wú)處不在的圓形，手動(dòng)調(diào)節(jié)，基于汞的熱敏開(kāi)關(guān)類(lèi)型發(fā)展到如今流行的帶觸摸屏的全電子可編程版本。一些最新版本可以無(wú)線連接到PC，智能手機(jī)以及位于遠(yuǎn)程的控制器和傳感器。

介紹

控制加熱和冷卻系統(tǒng)的智能恒溫器具有多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。特別是，它們可通過(guò)根據(jù)一天中的時(shí)間以及家庭或企業(yè)的實(shí)際用戶資料等來(lái)調(diào)節(jié)室溫來(lái)節(jié)省能源?；谖⒖刂破鞯目删幊毯銣仄鬟€應(yīng)用了智能控制算法和壓縮機(jī)保護(hù)功能，以降低加熱和冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)成本。此外，它們消除了在環(huán)境狀況變化時(shí)手動(dòng)從加熱模式切換到冷卻模式的需求，反之亦然。

這樣獲得的功能被“物聯(lián)網(wǎng)”所涵蓋。這一重要的全球應(yīng)用趨勢(shì)表明，帶有傳感器的設(shè)備（恒溫器，安全系統(tǒng)等）的使用范圍將不斷擴(kuò)大，以進(jìn)行數(shù)字化通信以改善操作流程，提高整體系統(tǒng)性能，節(jié)省能源并降低成本。反過(guò)來(lái)，這種技術(shù)轉(zhuǎn)變正在為嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品打開(kāi)新的市場(chǎng)，并能夠創(chuàng)建令人興奮的新業(yè)務(wù)模型。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

智能無(wú)線恒溫器的設(shè)計(jì)者可以從幾種不同的流行無(wú)線協(xié)議中進(jìn)行選擇，以實(shí)現(xiàn)與其他無(wú)線設(shè)備的通信。本白皮書(shū)涵蓋了主要的藍(lán)牙，ZigBee和Wi-Fi協(xié)議，首先介紹了它們的技術(shù)，然后討論了它們?cè)贖VAC（供暖，通風(fēng)和空調(diào)）應(yīng)用中的適用性。

在用于無(wú)線應(yīng)用的這三種技術(shù)之間進(jìn)行選擇首先需要確定必須考慮的設(shè)計(jì)因素。工程分析必須確定這些因素有多重要，研究每個(gè)協(xié)議在所有關(guān)注領(lǐng)域中的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，然后進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇時(shí)要考慮到備選方案之間的折衷。

例如，以下是與智能無(wú)線恒溫器設(shè)計(jì)相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：

藍(lán)牙設(shè)備的設(shè)計(jì)可能比應(yīng)用ZigBee或Wi-Fi技術(shù)的設(shè)計(jì)更復(fù)雜。模塊化無(wú)線解決方案可以降低復(fù)雜性。但是，某些協(xié)議的更高層可能必須在MCU中實(shí)現(xiàn)，這可能會(huì)損害應(yīng)用程序的性能。當(dāng)藍(lán)牙用于直接連接附近的兩個(gè)設(shè)備時(shí)，藍(lán)牙最為有效，但在恒溫器應(yīng)用中并非如此。

當(dāng)使用ZigBee技術(shù)提供無(wú)線連接時(shí)，通常在主機(jī)MCU中實(shí)現(xiàn)ZigBee PRO協(xié)議和ZigBee Smart Energy配置文件。同樣，加載MCU可能會(huì)降低應(yīng)用程序性能。

Wi-Fi技術(shù)需要更多的功率，但比藍(lán)牙和ZigBee可獲得更高的數(shù)據(jù)速率，同時(shí)還可以在更大的距離上提供可靠的通信。如果產(chǎn)品必須使用戶能夠通過(guò)Internet監(jiān)視和控制系統(tǒng)操作，這是顯而易見(jiàn)的選擇。當(dāng)然，無(wú)線智能恒溫器就是這種情況。具有Wi-Fi功能的智能手機(jī)也可以用于遠(yuǎn)程控制，這是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。相比之下，藍(lán)牙和ZigBee實(shí)施需要以太網(wǎng)網(wǎng)關(guān)來(lái)提供這些功能，從而使產(chǎn)品更加復(fù)雜和昂貴。

智能Wi-Fi溫控器的功能

為了成為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的暢銷(xiāo)產(chǎn)品，智能Wi-Fi溫控器必須具有非常簡(jiǎn)單的設(shè)置程序。當(dāng)然，手動(dòng)操作必須直觀，并且遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視功能也必須易于使用，最好是通過(guò)Internet可以訪問(wèn)的Wen界面。此外，身份驗(yàn)證和安全功能對(duì)于使人相信在遠(yuǎn)程控制恒溫器時(shí)可以正常運(yùn)行是至關(guān)重要的。

考慮到這些事實(shí)，研究如何初步設(shè)置和使用智能Wi-Fi溫控器具有啟發(fā)性。首次打開(kāi)恒溫器電源時(shí)，設(shè)備可能會(huì)扮演有限的Wi-Fi接入點(diǎn)角色，以允許最終用戶連接到該設(shè)備并使其正常運(yùn)行。例如，設(shè)備可以使用其媒體訪問(wèn)控制（MAC）地址來(lái)標(biāo)識(shí)自己。（例如，此過(guò)程基本上類(lèi)似于通常用于設(shè)置較新的無(wú)線路由器的過(guò)程。）

瑞薩的參考解決方案

為了使系統(tǒng)工程師能夠開(kāi)始設(shè)計(jì)智能Wi-Fi溫控器，瑞薩應(yīng)用程序工程師已經(jīng)為該應(yīng)用程序提供了有價(jià)值的參考設(shè)計(jì)。該解決方案結(jié)合了RL78 MCU（微控制器）和GainSpan?Wi-Fi模塊（參見(jiàn)框圖，圖1）。

智能Wi-Fi溫控器參考解決方案的框圖。

該參考解決方案是功能強(qiáng)大的研發(fā)工具，可用于分析和測(cè)試經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的智能無(wú)線恒溫器設(shè)計(jì)。它還可以縮短新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，成為進(jìn)一步完善和增強(qiáng)功能的堅(jiān)實(shí)起點(diǎn)。它帶有完整的示意圖；布局文件，一塊裝有電路板的電路板，并包括在RL78芯片上運(yùn)行的基本應(yīng)用軟件。還提供了基于Android和IOS的智能手機(jī)代碼。有關(guān)這些開(kāi)發(fā)輔助工具的更多信息，請(qǐng)聯(lián)系您的瑞薩電子銷(xiāo)售代表。

圖2顯示了驅(qū)動(dòng)定制LCD的參考解決方案。顯示屏的紅色環(huán)境顏色表示HVAC系統(tǒng)正在其制熱模式下運(yùn)行。當(dāng)系統(tǒng)處于冷卻模式時(shí)，屏幕將變?yōu)樗{(lán)色環(huán)境色。在這張照片中，下午2:00時(shí)受控區(qū)域的溫度為70?F，濕度為52％。

熱模式顯示，顯示模式，時(shí)間，溫度和濕度。

參考解決方案的填充印刷電路板如圖3所示。左側(cè)的五個(gè)繼電器控制風(fēng)扇，空調(diào)或火爐的電源。PCB左邊緣上的四個(gè)按鈕選擇不同的菜單項(xiàng)，供用戶在本地編程和運(yùn)行恒溫器。RL78 / L13 MCU具有許多GPIO端口，用于控制離散邏輯或機(jī)械設(shè)備。

智能無(wú)線恒溫器參考解決方案的PCB。

右側(cè)的GainSpan GS1011MEP Wi-Fi模塊通過(guò)串行外圍設(shè)備接口（SPI）連接到MCU（中心）。該模塊支持IEEE 802.11b較低層協(xié)議以及高層網(wǎng)絡(luò)堆棧，包括TCP / IP，HTTP，DHCP和SSL。它已經(jīng)過(guò)Wi-Fi聯(lián)盟的測(cè)試和認(rèn)證，這是減少系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本的優(yōu)勢(shì)。

編輯：hfy