本文设计了包括机智云在内的物联网水温控制系统物联网平台，DS18B20水温传感器、水温控制器和通信模块STC单片机、esp8266无线模块等。该系统采用当前水温状态和按钮控制状态PID算法获得控制值，将信息输出到加热驱动和直流电机模块，实现水温加热，并通过并口与通信模块连接，通信模块通过串口与ESP8266连接，ESP8266通过WiFi连接物联网平台，实现温度的远程监测和控制。
1.系统总设计
包括系统硬件STC单片机控制电路、通信电路、液晶显示电路、加热驱动电路、温度均匀搅拌装置和无线WiFi由模块组成的系统硬件装置。系统硬件模块连接如图1所示。系统软件主要用C语言编写，通过C语言和Keil以机智云物联网平台和硬件电路开发板为调试工具，构建软件编程环境，完成系统设计。
关键电路设计
系统控制模块和通信模块
在智能控制方案中，系统使用两个STC单片机搭建方案，一个STC单片机作为主控制器，负责信号处理、显示、输出控制等。另一个STC作为通信控制器和单片机ESP8266无线WiFi解决通信协议数据量大、控制器大的问题RAM小的问题。其中ESP8266无线WiFi该设备是连接智能云物联网平台的核心数据传输模块，通过通信链接传输数据，并在智能云物联网平台或终端上监控数据。硬件原理图如图2所示。
系统工作电源及最小系统工作原理图
直流稳压电源用于系统工作电源，220用变压器V通过桥式镇流、滤波、稳压器件，交流变直流LM7805和LM1117RS-3.3分别得到5V和3.3V工作电源。直流加热电源采用集成24V/200W的开关电源供电。5V和3.3V电源分别是STC单片机最小系统和ESP8266无线WiFi其中，模块供电STC单片机最小系统包括电源电路、复位电路、时钟电路和下载电路。硬件原理图如图3所示。
信号采集及电机搅拌原理图
采用温度采集DS18B20传感器采集水温，加热系统采用直流加热棒加热。在整个加热和水温采集过程中，发现采集的温度点不同，温度控制参数不一致。经过不断的实验和发现，加热过程中温度不均匀，温度区域不同。为了解决水温不均匀的现象，设计了温加热过程中定期搅拌加热区水的搅拌装置DS18B20在整定过程中，可以收集到更准确的水温值PID在这个过程中可以得到更准确的PID进而提高系统的稳定性和可靠性。硬件原理图如图4所示。
液晶显示电路和液晶显示电路原理图
系统采用24V/200W直流电加热加热棒，加热棒的温度直接影响水的温度，因此控制加热棒的温度可以控制水的温度。设计一种PWM(脉宽调制)信号控制直流加热棒的驱动电压加热时间，然后控制加热热能，PWM信号是实际温度与设定温度之间的差异PID计算得到的一个控制值，能够精确控制温度信号。制造控制器PWM输出可控制24V/200W使用驱动信号SSR输出驱动电路由单个固态继电器设计，经反复试验表明，该驱动电路能满足系统的要求。带中文字库的字符液晶显示部分ST12864显示温度数据和温度设置，7920控制，实现温度曲线的实时绘制和温度控制时间的显示。硬件原理图如图5所示。
软件流程架构及算法
随着通信技术的发展，STC单片机的功能越来越强大，有代表性的编译软件Keil、IAR、CodeWarrior等等。代码语言有汇编语言，C语言、Java语言等。C语言具有良好的逻辑性和功能性设计选择STC单片机作为主控制器，C语言用于编程语言，软件用于编译软件Keil。
系统软件设计总流程图
系统功能由系统中的不同功能模块集成。系统中包括PWM输出程序设计，PID温度控制程序、按键扫描程序、液晶显示驱动程序、WiFi模块通信程序、报警电路DS18B20温度传感驱动程序及电机驱动搅拌装置。根据软件框架图，设计程序流程图，为功能实现、算法编码、软硬件调试和后期维护提供条件。如图6所示。
图6 程序总流程图
系统核心控制和通信算法理论
PID温度控制是一种成熟技术，具有结构简单、易于理解和实现的特点。在工业控制中90%以上的控制系统回路都具有PID结构。PID调节将设定值W与实际值y进行比较构成偏差，并将其比例、积分、微分通过线性组合构成控制量。采用PID控制效果的好坏很大程度上取决于PID三个控制参数的确定。PID控制主要构成如如7所示。
图7 模拟PID控制
PID控制的动态方程为：
其中，Kp为调节器的比例放大系数；Ki为积分时间常数；Kd为微分时间常数。
水温系统的智能控制采用PID增量式算法，根据实验结果和数据，采用先比例再积分，最后微分的实验凑试法进行PID参数整定。比例系数的整定取消积分和微分的作用，采用纯比例控制，将比例系数从小到大调节，观察系统的响应，直到响应速度快且有一定范围的超调，得出比例系数。
积分部分的整定，如果系统的静态差达不到系统要求，这时需加入积分，整定时积分系数由大到小逐渐递减，观察输出，直至系统静态误差减小或消除，得出积分系数。微分系数的整定，如系统通过比例和积分调节都不能达到要求，需加入微分系数，同样，整定时使微分系数从小到大逐渐增加，观察超调量和稳定性，同时微调比例系数和微分系数，观察系统的输出响应、超调量和稳定性。通过不断实验和整定，电源为200W直流加热系统，加热0.5升的纯净水，在温度变化为20℃时，超调量不超过0.1℃，得出PID的比例系数为19，积分系数为0.036，微分系数为0.8，能够使PWM输出达到系统控制要求。
智能水温控制系统，通信部分主要是STC单片机之间的通信、STC单片机和ESP8266 WiFi的通信，以及ESP8266 WiFi和机智云之间的通信。由于STC单片机模拟了PWM的定时输出，如果利用串口进行通信，会出现不稳定现象，为避免这种现象，STC单片机之间的通信采用并行口，结合P15、P16实现并口通信协议，协议内容如表1所示。STC单片机通信控制从P0端口接收到温度控制器传输的数据后，用串口连接ESP8266 WiFi模块，ESP8266 WiFi模块连接当前环境的路由器热点，与机智云服务器建立TCP连接，进行数据传输。
同时，
手机终端或WEB终端发送控制命令，通过命令数据
→机智云服务器
→ESP8266 WiFi
→STC单片机通信控制
→STC单片机控制系统的通信流程，对温度进行远程监控。
实验数据结果
根据软硬件测试，系统自检正常，温度显示正常，通信正常。设定STC单片机控制水温在一定范围内，对整体水温控制系统进行测试，在20～60℃范围内实现多组设定，温度控制实验效果如图8所示。
图8 温度控制实验效果
通过实验结果分析，每个测试的目标温度反映实际和误差，在相同测试环境下，将温度计和温度采集模块所测得温度进行比对，将数值记录得到表2，从而得到标度误差。
结束语
设计以STC单片机结合增量式PID、PWM脉宽输出、机智云物联网平台，完成了系统软硬件设计，经过综合调试和测试，验证了该远程控制系统软硬件设计结构合理，性能可靠，操作方便。由于时间和实验条件限制，该系统设计仍有一些缺点和不足，没有采用更高性能的处理器来完成硬件和软件设计，未来有待进一步完善。