基于RL78微控制器的无线连接的智能恒温器设计

电子设计 2021-04-13 2457

描述

本白皮书介绍了RL78微控制器系列以及GainSpan Wi-Fi模块，作为设计提供无线连接的智能恒温器的一种方法。它简要描述了无线网络，智能Wi-Fi温控器的功能以及瑞萨提供的参考解决方案。

每天都有数十种有用的嵌入式系统产品围绕着我们。他们无处不在。但是，如果要求您快速命名一个不仅有用，而且是“生活质量”改进剂的名字，它可以提高生活舒适度，节约能源，易于使用，灵活且相对便宜，那么候选人的范围就会缩小相当。智能恒温器尤其值得一提。它们简化了我们的日常生活，使他们过得更加愉快。沃伦·约翰逊（Warren Johnson）于1883年发明了电恒温器，从那时起，这些环境控制设备已经从曾经无处不在的圆形，手动调节，基于汞的热敏开关类型发展到如今流行的带触摸屏的全电子可编程版本。一些最新版本可以无线连接到PC，智能手机以及位于远程的控制器和传感器。

介绍

控制加热和冷却系统的智能恒温器具有多个优点。特别是，它们可通过根据一天中的时间以及家庭或企业的实际用户资料等来调节室温来节省能源。基于微控制器的可编程恒温器还应用了智能控制算法和压缩机保护功能，以降低加热和冷却系统的运行和维护成本。此外，它们消除了在环境状况变化时手动从加热模式切换到冷却模式的需求，反之亦然。

这样获得的功能被“物联网”所涵盖。这一重要的全球应用趋势表明，带有传感器的设备（恒温器，安全系统等）的使用范围将不断扩大，以进行数字化通信以改善操作流程，提高整体系统性能，节省能源并降低成本。反过来，这种技术转变正在为嵌入式系统产品打开新的市场，并能够创建令人兴奋的新业务模型。

无线网络

智能无线恒温器的设计者可以从几种不同的流行无线协议中进行选择，以实现与其他无线设备的通信。本白皮书涵盖了主要的蓝牙，ZigBee和Wi-Fi协议，首先介绍了它们的技术，然后讨论了它们在HVAC（供暖，通风和空调）应用中的适用性。

在用于无线应用的这三种技术之间进行选择首先需要确定必须考虑的设计因素。工程分析必须确定这些因素有多重要，研究每个协议在所有关注领域中的优点和缺点，然后进行设计选择时要考虑到备选方案之间的折衷。

例如，以下是与智能无线恒温器设计相关的关键技术问题：

蓝牙设备的设计可能比应用ZigBee或Wi-Fi技术的设计更复杂。模块化无线解决方案可以降低复杂性。但是，某些协议的更高层可能必须在MCU中实现，这可能会损害应用程序的性能。当蓝牙用于直接连接附近的两个设备时，蓝牙最为有效，但在恒温器应用中并非如此。

当使用ZigBee技术提供无线连接时，通常在主机MCU中实现ZigBee PRO协议和ZigBee Smart Energy配置文件。同样，加载MCU可能会降低应用程序性能。

Wi-Fi技术需要更多的功率，但比蓝牙和ZigBee可获得更高的数据速率，同时还可以在更大的距离上提供可靠的通信。如果产品必须使用户能够通过Internet监视和控制系统操作，这是显而易见的选择。当然，无线智能恒温器就是这种情况。具有Wi-Fi功能的智能手机也可以用于远程控制，这是一个巨大的优势。相比之下，蓝牙和ZigBee实施需要以太网网关来提供这些功能，从而使产品更加复杂和昂贵。

智能Wi-Fi温控器的功能

为了成为国内市场上的畅销产品，智能Wi-Fi温控器必须具有非常简单的设置程序。当然，手动操作必须直观，并且远程控制和监视功能也必须易于使用，最好是通过Internet可以访问的Wen界面。此外，身份验证和安全功能对于使人相信在远程控制恒温器时可以正常运行是至关重要的。

考虑到这些事实，研究如何初步设置和使用智能Wi-Fi温控器具有启发性。首次打开恒温器电源时，设备可能会扮演有限的Wi-Fi接入点角色，以允许最终用户连接到该设备并使其正常运行。例如，设备可以使用其媒体访问控制（MAC）地址来标识自己。（例如，此过程基本上类似于通常用于设置较新的无线路由器的过程。）

瑞萨的参考解决方案

为了使系统工程师能够开始设计智能Wi-Fi温控器，瑞萨应用程序工程师已经为该应用程序提供了有价值的参考设计。该解决方案结合了RL78 MCU（微控制器）和GainSpan®Wi-Fi模块（参见框图，图1）。

ZigBee

智能Wi-Fi温控器参考解决方案的框图。

该参考解决方案是功能强大的研发工具，可用于分析和测试经过验证的智能无线恒温器设计。它还可以缩短新产品的开发周期，成为进一步完善和增强功能的坚实起点。它带有完整的示意图；布局文件，一块装有电路板的电路板，并包括在RL78芯片上运行的基本应用软件。还提供了基于Android和IOS的智能手机代码。有关这些开发辅助工具的更多信息，请联系您的瑞萨电子销售代表。

图2显示了驱动定制LCD的参考解决方案。显示屏的红色环境颜色表示HVAC系统正在其制热模式下运行。当系统处于冷却模式时，屏幕将变为蓝色环境色。在这张照片中，下午2:00时受控区域的温度为70⁰F，湿度为52％。

热模式显示，显示模式，时间，温度和湿度。

参考解决方案的填充印刷电路板如图3所示。左侧的五个继电器控制风扇，空调或火炉的电源。PCB左边缘上的四个按钮选择不同的菜单项，供用户在本地编程和运行恒温器。RL78 / L13 MCU具有许多GPIO端口，用于控制离散逻辑或机械设备。

智能无线恒温器参考解决方案的PCB。

右侧的GainSpan GS1011MEP Wi-Fi模块通过串行外围设备接口（SPI）连接到MCU（中心）。该模块支持IEEE 802.11b较低层协议以及高层网络堆栈，包括TCP / IP，HTTP，DHCP和SSL。它已经过Wi-Fi联盟的测试和认证，这是减少系统开发时间和成本的优势。

编辑：hfy

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