燃气热水器上智能浴控器的研究与应用

郑相冰

（广东万和新电气股份有限公司 佛山 528305）

引言

我国燃气热水器国家标准规定，非平衡式燃气热水器不可安装于浴室中，调温难是用户的痛点之一，虽然现有燃气热水器与混水阀可实现混水调温的效果，但是混水阀调温较为不精确，并且只能使温度变低，无法将温度升高。另外随着零冷水燃气热水器的普及，带预热功能的热水器也更加受到消费者青睐，如何快速方便的启动预热循环也是消费者十分关注的功能点。

现有技术中也有线控技术或电力载波或手机APP 来解决控温难这一问题，但是线控需要提前埋设线路，很多家庭在装修时很少会将控制器的线路预设进去。后来出现了电力载波，电力载波是依靠家庭现有线路来实现同线路通讯，但电力载波不适合应用于浴室中，其一是220 V 电压在浴室潮湿环境中使用不太安全，其二成本较高。手机APP 也可实现远程控温的效果，但是目前的手机大部分都不是防水的结构，所以用来远程调温只适合在浴室中的干区，且大部分消费者没有洗浴前带手机进浴室的习惯。

则选用无线通信技术成为首选。无线通信技术如果选用天线增益过低，发射功率不够、接受灵敏度不足的无线设备，传输速率会骤减得厉害，无线信号衰弱很多，所以会出现通信的盲点。但现今无线通讯技术越来越成熟，随着无线通信的普遍应用，发射功率、接受灵敏度、天线增益等数据的计算越来越成熟。

1 理论分析

为实现智能浴控器与燃气热水器之间的空旷距离满足用户在不同家庭房屋结构中的使用，并且达到低功耗的效果。首先从热水器本体与智能浴控器本体减少对无线通信距离的干扰。分析影响无线通讯距离因素：

1）地理环境，通讯中间的障碍物越多，越影响通讯效果，特别是金属物体。

2）气候环境，当空气干燥时，通讯中间无阻隔较多的水蒸气，这样通讯距离也会较远，但当有雨、雪等大气中有较多的水分子和水固体时，通讯质量会削减很多，并且距离也会大打折扣。

3）收发天线增益、功耗、天线类型、收发功率。

4）高压线路。

2 理论计算

普通家庭住房面积100 m2左右，一般厨房到浴室或阳台到浴室的需要穿墙数应该在5 堵以内。根据这个通讯距离需求对产品展开全面分析。

理想的传播条件是在真空中传播，天线周围有无限大的传播空间，无障碍物干扰，也不会受到外界环境的削减。通信距离只和接收灵敏度、发射功率和工作频率有关系。

式中：

Lfs—传输损耗；

D—传输距离；

E—频率，单位以MHz 计算。

真空中电波传输只与工作频率f 和传播距离d 有关。

由公式（1）和（2）得出真空中理想状态的传输距离d[1]。但在现实生活中，我们用户家庭使用环境均较为复杂，有各种混凝土、高压线、钢筋、木板、大气、无线产品等均对无线通信有着较大的影响，从而影响通信距离。如何保证我们的无线通信应用到燃气热水器上不会影响用户的使用体验，使用户在浴室中均可畅通无阻的远程遥控装在其他地方的燃气热水器。虽然影响无线通信距离的因素有很多，但本文只针对无线天线的选型，布局来展开分析。

3 智能浴控器设计

3.1 天线选型

为解决用户调温难问题，通过设计一款可在浴室中调温的遥控器，从而远程控制热水器的温度。由于在浴室中的使用，则产品设计电压不可高于人体安全电压36 V；防水等级要求IPX5 或以上，产品结构需要求达到防水等级，即具有一定的密封效果，但电子产品需要为其提供一定的驱动能源，比如充电或更换干电池，机械结构频繁的拆卸容易影响产品的使用寿命。所以智能浴控器电源供应选用的是干电池。

SI4438 芯片符合本项目芯片需求，具有-124 dBm 灵敏度和+20 dBm 输出功率，具有低功耗，可使用干电池供电，又有超高的接受灵敏度与发射功率，并且价格比较亲民[2]。

根据选用的SI4438 芯片，工作频率选用干扰较小的470 MHz，发射功率根据芯片配置参数调整，把无线模块的发射功率用到极致，效率用到最好。本文省略发射功率与接受灵敏度如何选用，直接选定具体数值；发射功率+17 dBm，接受灵敏度-100 dBm。本文主要探讨天线在燃气热水器的布局，表现出的通讯距离差异。

3.2 智能浴控器上天线布局

在智能浴控器中装有电池、外壳等对通讯距离影响较大，如图1～3所示。

3.3 燃气热水器上的天线布局方案，如图1～3所示

图1 弹簧天线类型布局

图2 导线天线类型布局

图3 FPC 天线类型布局

图4 热水器通讯天线置于显示器示意图+侧面示意图

图5 热水器通讯天线置于热水器上方+侧面示意图

图6 热水器通讯天线置于热水器+侧面示意图下方

图7 热水器与遥控器通讯环境示意图

3.4 实验测试

表1 测试数据非空旷距离测试，厂内测试区有楼层、高压电、无线产品、金属等多种外在因素影响，但均保持以上变量为同一变量，分析天线的布局与结构对通讯距离的影响。

表1 热水器四面通讯距离

1）燃气热水器底壳、热交换器、燃烧器、面壳等均为金属件，对通讯距离损耗较大，由于将天线焊接在控制面板上，工艺与成本均有优势。但智能浴控器位于热水器不同方向位置距离不同，并且背面距离最短。所以热水器天线位置不可安装于热水器内部，只可外置天线。

2）智能浴控器上通信距离FPC ＞ 弹簧 ＞ 导线，导线穿墙效果较差，弹簧通讯距离适中，但由于智能浴控器结构限制，弹簧长度有限，并且距离干电池较近，极限距离最多做到10 m 穿4 堵墙。FPC 较为轻薄，可黏贴在智能浴控器外壳内部一圈，通讯距离可继续延长，最终选定FPC 作为智能浴控器天线。

3）由于无线通信距离与地理环境，障碍物越密集，影响就越大，特别是金属物体，对比天线置于热水器上方与热水器下方，实验室测试数据对其均无其他干扰，但是热水器下方也会受到进出水嘴等金属件的影响。实际到用户家测试时，天线置于热水器上方优于热水器下方，并且天线置于热水器的上方高度不可高于烟管。

4 结论

本文针对目前行业使用的无线智能浴控器进行了理论分析计算和实验对比，通过从热水器本身减少对无线信号的干扰，合理的设计热水器侧和浴控器侧的天线位置、结构，通讯距离可以满足穿5 堵墙的效果，基本能够覆盖大部分家庭建筑结构的复杂程度，提高了无线通讯的稳定性，实现用户在家中沐浴调温零跑动。

1）热水器天线最优选择为热水器上方，并且为外置天线。

2）智能浴控器采用FPC 天线最佳。