写一个锅炉温控系统

1.前言

我家在东北农村，冬天很冷，买了锅炉，需要循环泵。简单地说，锅炉水热后，循环泵自动打开，然后将热水输送到加热、热水、冷水进入锅炉，温度降低，循环泵关闭，等待下一次水加热。因为需要加热的房子离锅炉很远，所以需要循环泵。如果距离近，热水加热后，热水冷水回流的原理会自动完成循环。当然，市场上有这种设备，利用温度自动控制循环泵的开启和关闭：

原理是有一个热敏电阻探头（磁铁吸附，可吸附在锅炉壁上），然后由继电器控制。当温度达到设定值时，继电器打开，循环泵启动，锅炉壁温度下降，继电器关闭，循环泵关闭。

循环泵：

由于我家的循环泵功率较大，小继电器启动几次就烧坏了，所以中间又接入了一层交流接触器（我的老父亲加的）。

市场上的设备可以大致解决水循环问题，但也有一些细节无法解决。例如，当回流管的水温达到设定的温度值时，循环泵将始终打开。此时，需要手动调整旋钮温度（提高），使循环泵停止（大功率循环泵耗电量大）。又如 当炉内煤逐渐燃烧（东北称为涝）时，锅炉温度不能达到设定值。此时，需要减少旋钮，启动循环泵，以免浪费煤产生的余温。

由于上述缺点，有人需要每隔几个小时调整一次旋钮。我父亲正在做这部分工作，所以我想做一些自动的事情来减少我父亲的工作量。

2.项目结构

我最初的想法是通过手机远程调节温度，这样至少不需要手动调节旋钮。我可以在半夜起床，用手机在床上调整。基于最初的构思设计结构：

3.硬件搭建

esp01模块 继电器模块，220v转5v模块 插排 = 联网插座

esp8226 温度传感器 数码管 = 实时温度检测显示联网模块

我的控制系统都写在里面 esp8226中。

制作温度传感器探头：驱动ds18b20传感器需要在数据总线(DQ)与 VDD 在引脚之间加一个4.7k欧姆的电阻（拉电阻），这是必要的，用一个铁纽扣包裹，里面有两个小钕磁铁，最后用兄弟好胶水填充，形成一个温度传感器探头，可以吸附在锅炉壁上：

这一步我犯了一个错误，将军ds18b20传感器和上拉电阻都放入探头中。测温时发现温度升高后，温度传感器读取温度失败，因为温度升高导致电阻值增加。后来我把电阻放在尾部解决了这个问题。

包装探头：

esp8226 数码管模块：

壳子是我用3D打印机打印，放在里面esp8226模块。

4.软件编写

固件

esp8226 和 esp01 我都是烧录的micropython固件。

通信

从通信开始，我想的是用socket实现，简单拿个HTTP协议通信，但是手机上这样控制比较麻烦。没有好的软件，我必须做一个web界面，另外socket阻塞线程。

后来发现了MQTT该协议是一种针对物联网的硬件网络通信协议，可以处理高延迟的网络环境。简单介绍一下MQTT协议，首先需要一个服务器(也叫代理服务器，在电脑上运行，我在树莓派上运行)，然后你所有的物联网硬件设备(比如esp8226)都是客户端，物联网硬件设备(客户端)之间不会直接通信，都是直接与服务端通信。如果硬件设备之间需要通信，则需要发布或订阅主题。例如：如果硬件A 和硬件B 需要通信，所以首先需要连接 服务端，然后 A 发布一个名字topic如果硬件B想接受A的信息，则需要订阅主题 topic这个主题实现了 A ---> B 反向通信也是一个原则，B 发布主题，A来订阅。该协议还具有多个客户端订阅一个主题的优势，从而实现多端通信。mqtt在协议通信中，每个客户端都不知道其他客户端的存在，他们直接与服务端通信。

mqtt协议在micropython固件(不知道安信是否有默认固件)通信存在很大问题:LmacRxBlk:1举报错误。例如，如果你在一开始就订阅了一个主题，然后你使用非阻塞方法check_msg()回调函数处理 此时，如果您订阅的主题发布次数超过您的主题消息 check_msg()次数，然后就会在micropython在固件底层报错 LmacRxBlk:1，然后通信中断。简单来说，你订阅一个主题，然后进入事件循环。如果你没有时间处理订阅主题的信息，就会导致这个错误。官方解释是这个错误tcp buffer由于资源没有释放，esp8226可用资源非常有限，但在mqtt在通信中，我不能每次循环后都释放连接，然后每次都重新建立连接个错误的恶心是，try except 无法捕法捕获，则只能通过设计解决处理错误，即确保订阅主题发布的间隔远小于其循环间隔，确保订阅消息每次都能及时处理。我已经解决了这个问题很长时间了，因为try except 抓不到，不常出现，不能定位，不知道为什么通信会中断。

编写代码核心逻辑

我都写在核心控制逻辑上esp8226在模块中，循环收集温度，然后以温度为主题发布。手机可以订阅主题，实时查看锅炉温度。循环中有一个设定温度的变量 ，若采集温度高于 设定温度 然后发布一个 开关主题如果温度低于打开的主题 设定温度，那么就发布一个 开关主题关闭，每次订阅 为修改设置主题设定温度变量。

esp01 控制继电器，每次订阅 开关主题 就可以了，然后每次再把它拿走 当前开关状态 发布为主题。

这个代码逻辑最开始我是这样写的，手机上只需要发布设置温度主题就可以了，但是也是需要人一段时间用手机去调节一次，还是不能实现自动化，后来我又修改的 esp8226 中的代码逻辑，复杂了一些。

esp8226 核心逻辑与上述相同。每次检测温度高于设定温度后，开关将打开，但当检测温度低于设定温度时，开关不会立即关闭，而是等待检测温度低于设定温度，减去变量，然后发布开关关闭的主题。这是为了解决 检测温度在设定温度临界处反复跳转，导致开关在短时间内反复打开和关闭。这里引入了一个减去变量，我称之为温度步长 。这里有个问题。如果锅炉一直在加热，即使循环泵一直打开 ，锅炉温度不低于设定温度（回流管温度高于设定温度），循环泵将始终打开，因此我在这里介绍了第二个变量：最大启动时间，如果计时器的时间超过每次启动后的计时器 最大启动时间，那么无论此时的温度是否低于设定温度，循环泵将关闭并关闭设定温度提高温度，提高温度温度步长加上当前的温度，这里就实现了 自动调节 设定温度(上升方向)。还有一个问题:炉煤燃烧时，温度逐渐下降，检测到的温度肯定会远低于设定温度，循环泵永远不会打开。所以我在这里介绍了第三个变量（回调检测时间），当esp8226 上电启动时，如果计时，启动计时器 等于回调检测时间，那么将设定温度 调节到当前温度，用于调节当前温度设定温度 假设自动回调回调检测时间 为 即使是30分钟设定温度 高于 检测温度时，循环泵将在30分钟内启动，并与剩余逻辑实现闭环，从而实现 设定温度，自动上下调节。 在这里，我还添加了一个变量最低温度，若当前温度低于最低温度，那么就算 当前温度高于设定温度 循环泵不会用于燃烧煤炭燃煤时，以防止循环泵在任何时候启动30分钟，最低温度 设置高于环境温度。

这里 设定温度，温度步长，最大启动时间，回调检测时间，最低温度，可以通过手机设置，我让esp这些主题用于设置这些变量。

esp8226代码：

```python from machine import Pin,reset import onewire from ds18x20 import DS18X20 import time import tm1637 from umqtt.simple import MQTTClient

def main(): client_id = "esp_temperature" mserver = '192.168.0.99' #mserver = '192.168.3.200' #mserver = 'mq.tongxinmao.com'

tm = tm1637.TM1637(clk=Pi(14), dio=Pin(12))
ow=onewire.OneWire(Pin(4))
d = DS18X20(ow)
rom = d.scan()

def sub_callback(topic, msg):
    # print((topic, msg))
    nonlocal setTemperature
    nonlocal lowTemperature
    nonlocal startTime
    nonlocal scanTime
    nonlocal step

    nonlocal startTimeTemp
    nonlocal scanTimeTemp
    nonlocal switchStatus

    data = int(msg.decode())
    if topic == b'setTemperature':
        setTemperature = data
    elif topic == b"setLowTemperature":
        lowTemperature = data
    elif topic == b"setStartTime":
        startTime = data
        startTimeTemp = startTime

    elif topic == b"setScanTime":
        scanTime = data*60
        scanTimeTemp = scanTime

    elif topic == b"setStep":
        step = data
    elif topic == b"switchWell":
        switchStatus = data
    else:
        print("错误")

def publishInfo():
    nonlocal client
    client.publish("setTemperatureR",str(setTemperature),retain=True)
    client.publish("setLowTemperatureR",str(lowTemperature),retain=True)
    client.publish("setStartTimeR",str(startTime),retain=True)
    client.publish("setScanTimeR",str(int(scanTime/60)),retain=True)
    client.publish("setStepR",str(step),retain=True)

client = MQTTClient(client_id, mserver, 0)
client.set_callback(sub_callback)
client.connect()
client.subscribe(b'setTemperature')
client.subscribe(b'setLowTemperature')
client.subscribe(b'setStartTime')
client.subscribe(b'setScanTime')
client.subscribe(b"setStep")
client.subscribe(b"switchWell")

showSet = True
setTemperature = 40
lowTemperature = 40
startTime = 120 #启动时间
scanTime = 1800 #30分钟
step = 7

switchStatus = 0 # 0表示关闭，1表示开启

startTimeTemp = startTime
scanTimeTemp = scanTime

while True:
    try:
        d.convert_temp()
        # 显示温度和设定温度
        nowTemperature = d.read_temp(rom[0])
        if showSet:
            tm.temperature(int(setTemperature))
        else:
            tm.number(int(nowTemperature*10))

        if int(nowTemperature) >= setTemperature and (not switchStatus) and int(nowTemperature) > lowTemperature:#高于设定温度启动
            client.publish("switch",'1',retain=True)
            startTimeTemp = startTime

        if (int(nowTemperature) <= setTemperature - step) and switchStatus:
            client.publish("switch",'0',retain=True)

        if startTimeTemp <= 0: #如果时间超过3分钟，自动停止，并提高设定温度
            client.publish("switch",'0',retain=True)
            setTemperature = int(nowTemperature + step)
            startTimeTemp = startTime

        if switchStatus:
            startTimeTemp -= 1

        client.check_msg()
        client.publish("temperature",str(round(nowTemperature,2)),retain=True)
        publishInfo()

        if scanTimeTemp <= 0:
            setTemperature = int(nowTemperature - step) #回调降温
            scanTimeTemp = scanTime
        scanTimeTemp -= 1

    except Exception as e:
        reset()

    time.sleep(1)
    showSet = not showSet

```

esp01中代码：

```python from machine import Pin from umqtt.simple import MQTTClient import time

def main(): def sub_callback(topic, msg): nonlocal client nonlocal pin """ 收到订阅消息回调 """ if msg == b'0': pin.off() else: pin.on() client.publish("switchWell",str(pin.value()),retain=True)

client_id = "switch_id"
mserver = '192.168.0.99'
#mserver = 'mq.tongxinmao.com'        
pin = Pin(0,Pin.OUT)

client = MQTTClient(client_id, mserver, 0)
client.set_callback(sub_callback)
client.connect()
client.subscribe(b'switch')
while True:
    client.check_msg()
    client.publish("switchStatus",str(pin.value()),retain=True)

```

5.客户端监控调节软件

1.手机端：

MQTT Dash:

IoTMQTTPanel:

手机上我还是推荐IoTMQTTPanel，因为将一套面板的配置发布到另一台手机很方便，只需要发布一个主题，然后接收端订阅一个同名主题就可以把整个面板发布过去。MQTT Dash 也具有这个功能，但是发布过去后会卡死，不知道为什么。

2.电脑端：

电脑端我还不知道有什么好用的软件，所以我用 PyQt5 简单写了一个监控的软件，没有调节功能，因为当时设备还不是很稳定，所以我一直在监控运行状态。

6.后记

目前，整个东西已经稳定运行二周了，再也不需要人进行调节了。我反反复复弄了挺长时间，才把所有问题都解决，特别是那个LmacRxBlk:1报错，花费了我很长时间。从零开始做一个能实际有用的东西还是挺困难的，因为有些问题只能通过实际的环境才能暴露出来，例如上拉电阻升温后导致阻值变化。还有很多细节我没提及，例如烧录固件，3d建模外壳，mosquitto服务在树莓派上部署，端口转发，内容太多不便赘述，只能把主要内容和逻辑进行简单叙述。