本文是一篇工程硕士论文，本文在网络通信技术、物联网技术等多种主流技术的辅助下，通过数据挖掘分析技术的科学应用，实现了新型控制系统的开发与设计。
1 绪论
1.1 研究背景和意义
1.1.1 太阳能热水器控制系统研究背景
我国是一个多煤少油少气的国家，如何高效合理利用多种能源，一直是我国能源利用领域的一个重要研究课题[1]。进入21世纪10年代以来，以“巴黎气候协定”为标志，国际社会一致认为推进更绿色环保、更节能降排的技术应用越来越迫切，而加大太阳能和风能等新能源的使用，恰恰是一条已被证明的正确的道路。随着我国“双碳”战略[2]发布，太阳能作为一种新能源[3]，在我国实现“双碳”目标的产业规划中占有重要一席。太阳能的应用主要分为太阳能热水器和太阳能发电，两者均已在我国大规模推广，其中太阳能热水器作为一种价格适中、使用寿命长、节能的产品，受到了广大人民群众的欢迎，各地政府也出台了政策鼓励太阳能热水器的推广。
太阳能热水器有使用成本低、运行稳定和加热水量大的优点，但也容易受到外部环境影响，比如气候、光照强度等，致使供热效果大打折扣，不仅无法保障供热的可靠性，还难以满足持续性要求，特别是在冬季连续阴天时，通常还要依靠辅助能源提高温度[4]。目前，使用最为广泛的辅助能源是电能，通常在太阳能热水器储水箱里面加入电辅热电极棒，但采用电辅热电极棒也存在升温速度慢、电能消耗高的缺点，而且加热时只能整箱加热，由于水箱保温有时间限制，如果不能一次性用掉，剩余热水在水箱中会慢慢地热量散失，就会造成资源和能源的浪费[5]。
随着我国人民收入的提高，近年来家用燃气热水器的应用也越来越多，尤其在城市居民区，很多家庭同时安装有太阳能热水器和燃气热水器。而燃气热水器采用天然气为能量来源，具有效率高、加热速度快、出水量大、温度稳定、即开即用等优点，但其能源为天然气，是一种化石能源，既价格相对较高，燃烧后又会产生二氧化碳等温室气体[6]。如想利用两种热水器的不同特性区间的优点[7]，则需要对两种热水器采用智能家居相关智能控制的方法实现联合控制，像汽车行业中“丰田汽车混动模式”类似，根据季节、天气、时间等因素，在阳光充足、气温较高时，以太阳能热水器为热源[8]；在连续两天以上无法采集到阳光或冬季气温较低，短时间内无法实现靠太阳能加热到适合温度时，就需要燃气热水器开启加热并供水[9-10]，这样就可以实现各种场景下能源最小消耗，既可以让太阳能热水器不论什么季节、天气，都可以全天候使用，又达到了节能的目的[11-13]。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 智能家居系统研究现状
智能家居由西方发达国家起源再传递到国内，西方国家也有着先发优势，在智能家居系统研发领域，长时间保持着领先地位。智能家居系统发展经历了多个阶段，雏形发展状态时主要的产品有微软研发的“未来之家”，以及IBM研发的“家庭主管”等。数十年以来，作为一个新兴的热门市场，一部分互联网公司和电信运营商为了争夺市场份额，已经陆续发布了各种各样的智能家居产品。在国外电信运营商的动作方面，有德国的电信运营商通过联合电子、家用电器和能源行业等多个跨行业的巨头，主要有EnBW能源、EQ-3电子、德国美诺Miele、三星集团等，共同建构起智能家居服务平台，为用户提供消费者云、宽带、家庭娱乐等全领域服务。在互联网公司方面，美国苹果公司依托 IOS 操作系统在全球范围内用户量巨大和系统封闭的优势，已具备了作为平台的能力，并与智能家居服务商进行广泛合作，不只是实现智能家居产品体验的提升，也降低了用户成本，使用苹果手机即可实现跨厂商的操作[19]。2014年6月，苹果公司更进一步，在全球开发者大会WWDC上发布了革命性的HomeKit平台，在该平台上用户可以通过苹果公司硬件设备实现多种控制功能，硬件主要有iPhone手机、Apple Watch智能手表和和HomePod智能音箱等，控制功能包括对家居环境中温湿度设备、窗帘控制设备、智能家用电器设备、烟雾烟感探测器和智能门锁等设备的控制管理，用户的智能生活体验得到了极大的提高。此外全球性跨国科技企业中三星公司也走在前列，开始逐步构建智能家居系统的雏形，该公司利用自身在家用电器和个人消费电子设备制造领域的优势，在2014年CES美国国际消费电子展上发布了Smart Home智能家居平台。与苹果公司HomeKit平台思路相近，都是基于自有终端类的产品作为接口，集全系智能家电、家庭综合智能安防、人居环境设备、智能家庭娱乐、综合远程集控、生活信息系统、家庭能源管控[20-21]等于一体，智能家居平台反过来对该公司家用电器、消费电子终端等业务增长也起到了较大的正面作用。
2 总体方案设计
2.1 双热源系统模型
以家中常用的复合热源热水系统为借鉴进行本系统设计与开发。整体来看，本系统以储热水箱中心，一侧连接燃气热水器及太阳能集热器，用于补水或补充热量；另一侧连接热水管路，保证热水供应的充足性与稳定性。整个系统可由控制系统控制电磁阀，通过电磁阀控制水位、水温[34]。
2.2 控制系统总体框架
系统总体框架如图2-5所示，由图可以进一步了解到，在太阳能热水器控制系统中，利用部署在的各处的多种传感器进行水量、水温等数据的实时性采集，对获取的环境数据，采用TCP/IP协议，由WIFI模块发送到串口WIFI模块上，然后由STM32系统根据配置的控制策略发出指令，实现对热水器开关、电磁阀、电源等的控制管理[35]。WIFI传输能够使得远程控制更加灵活，而在HTTP网络协调下，数据传输的实时性更高。系统依靠对步进电机的控制，能够实现对水开关的开闭进行控制，以及控制补充自来水、热水循环等。DS18B20温度传感器和水量传感器检测太阳能热水器水箱中温度和水量数据并将这些数据传送到云服务器。云平台以时间轴来记录数据，汇集一段时间数据后利用改进的对用户使用习惯进行预测分析，并使用数据挖掘算法深度挖掘用户使用习惯，将用户习惯对应转换为系统控制参数，并布置在控制系统上用以优化控制逻辑，运行一段时间后将运行效果与优化前对比，验证实验效果。
蜂窝网络从模拟通信开始一直到最新的5G技术，发展脉络很清晰，一直沿着高速率、高可靠性的方向演进。第一代蜂窝网络技术称为1G，他是模拟移动通信技术，只提供简单的模拟语音服务[38]。到第四代蜂窝网络技术，也称为4G，已经可以实现高速率和高移动性的要求，主要的技术标准有LTE-A和WiMax两种，全球大部分区域采用LTE-A制式。目前全国4G基站551万个[39]，城区覆盖率达到95%以上，模组价格也降至50元以内。该标准采用正交频分复用、调制与编码技术、智能天线技术、MIMO技术、软件无线电技术、多用户检测技术等核心的技术[40]。一般情况下，4G网络沿用了2G/3G时代数据包的计费方式，这种计费方式与传输文件的大小呈正相关，因此其计费更为灵活、准确，计量的名称为“流量”。
3 控制系统硬件设计 ............................. 18
3.1 最小系统设计 ..................................... 18
3.2 电源模块 ........................... 21
3.3 传感器模块 ........................ 22
4 控制系统软件设计 ................................... 29
4.1 本地端控制系统软件 ....................... 29
4.2 基于物联网智能家居云平台的方案 ..................... 38
4.3 手机APP设计 ................................ 42
5 系统智能运行和用户行为数据挖掘 ................... 45
5.1 智能运行模式设计 ......................... 45
5.2 行为挖掘算法 ................................... 47
5.3 系统测试 .................................... 50
5 系统智能运行和用户行为数据挖掘
5.1 智能运行模式设计
在传统的太阳能热水器控制系统中，存在着两种控制模式，一是手动模式，优点是具有较高的应变性，能够对各类用户适用，不足点是有着繁琐的操作流程，且需要重复设置，如果遗忘会在用水方面带来影响；二是自动模式，优点是操作简便，不足点是不具有应变性。哪怕是在用水需求较少的时间段内，仍旧会执行加热操作，尽管在用户需求方面能够带来有效满足，但是会较多浪费能源，无疑是与节能的目标截然相反的。为满足不同用户操作需求，智能切换运行模式就成为了有效解决方案。但是，两者的切换有着繁琐流程，甚至是比手动模式更复杂，且效果也不是非常好，反而会对用户体验带来妨害。如果要使得此问题得到彻底解决，需要进行新控制模式的设计，适应用户的多样化需求作实时调整，实现自动化管控。由于个体差异，每个用户的用水需求不同，加上时间、天气等限制，也就不免加大了智能控制方案的规划与实施难度。在本课题中，以经典成熟的算法为导向，对用户需求和行为习惯进行密切追踪、深化分析，以实现对用户使用习惯的精准掌握，再结合用户的使用习惯等，调整热水器参数。在此种设计思想中，关键是进行算法的科学选定，用以准确分析用户习惯，智能家居中常用的分析用户习惯算法有关联规则算法、分类聚类、决策树和深度学习等[65-66]，而 Apriori算法是最经典的关联规则算法[67]。Apriori算法易实现，而且对数据不存在较严苛限制，它能够借助逐层迭代
