智能開關解決方案設計開發

　　智能家居是高科技光速發展的現代社會最熱門的話題之一，最終目的是通過網絡等信息化方法實現對家用電器等的智能化控制，使其能夠按照人們的設想去工作運行，但卻不考慮距離的遠近。智能化和遠程控制是智能家居的兩大特色。目前，已經有越來越多的企業和個人開始了對智能家居的研究。隨著網絡通信技術的發展，特別是藍牙通信技術的發展，智能家居系統可提供遙控、家電控制、照明控制、室內外遙控、窗簾自控、防盜報警、電話遠程控制及計算機控制等多種功能，使生活更加舒適、便利和安全。電子科技的發展已經極大地優化了人們的生活，基于單片機與移動通信技術的藍牙無線家電開關控制系統已經逐步在高端住宅場合得到了推廣和應用并取得了一致的好評。
 

 

　　一、智能開關方案的工作原理

　　單片機，亦稱單片微電腦或單片微型計算機。它是把中央處理器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、輸入/輸出端口(I/O)等主要計算機功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。此智能家居控制系統以51單片機為核心，通過藍牙通信技術，把傳感器實時采集到的數據反饋給智能手機終端控制平臺。智能手機控制平臺分析、處理收到的反饋數據，通過藍牙通信技術返回給51單片機相應的指令信息。51單片機接收和解析指令，利用電路和各元器件(計數器、信號發生器等)發出相應的電平信號。電磁繼電器接收給定的電平信號，并做出響應，控制智能家用電器的開啟或關閉，從而實現家用電器的自動控制。系統的遙控是利用藍牙模塊，用戶可通過手機APP實時查看家用電器的狀態，從而實現遠程控制。

　　二、智能開關所需的無線通信技術

　　在現代通信技術中，居民住宅使用的無線通信技術大多以藍牙通信和WiFi通信為主。相比較兩種無線通信技術，WiFi的信號更穩定、傳輸距離更遠、適用范圍更廣，但在智能家用電器開或關的使用過程中，運用WiFi的話會比較麻煩，手機要不定時的連接不同的WiFi網絡，才能夠對智能家用電器進行遙控，但藍牙能很好地彌補這一問題，手機可同時連接藍牙和WiFi，這就能使智能家用電器實現穩定的、可靠的多點控制。

　　本設計基于藍牙通信技術，以51單片機為核心。藍牙模塊采用工業級HC-05藍牙模塊完成手機藍牙指令的接收和通信，然后和單片機控制電路之間通過串口通信電路完成數據的傳輸。單片機控制單元通過解析所接收到的藍牙指令，然后對相應的家用電器開關進行開啟和關閉的操作。

　　三、智能開關系統設計

　　3.1硬件電路設計

　　(1)單片機系統電路：考慮到經濟性和控制精度需求，系統的硬件設計使用51單片機。該單片機擁有4KB的Flash存儲器、32根I/O線外部存貯器，2個16bit的定時器/計數器、5個中斷源、2個中斷優先級和全雙工串行口，完全滿足本設計的控制需求。另外，51單片機在電子設計中有大量的應用途徑，穩定性較好，價格適中，兼容性好。

　　(2)驅動電路：驅動電路作為整個智能家居控制系統的重要組成部分，通過接收單片機控制單元對藍牙指令解析之后而發出的命令，來實現智能家居的開關控制。因此，它是不可或缺的一部分。對于驅動機制的選擇，有三種不同的方法，雙向可控硅、三極管、電磁繼電器。

　　(a)雙向可控硅：雙向可控硅是一種性能較好的功率開關，擁有很大的驅動能力，可用于交流無觸點開關使用。雖然雙向可控硅反向導通，但容易擊穿，故必須使雙向可控硅能承受這種反向電壓。

　　(b)三極管：三極管可作為無觸點開關，具有電流放大的作用，可以用于功率放大。但大多數情況是使用其直流開關的功能，而且其反應靈敏可以達到100KHz，擁有很好的靈敏度。

　　(c)電磁繼電器：電磁繼電器是用小電流、低電壓控制大電流、高電壓的擁有自動開啟或關閉的功能的“新型開關”，并且擁有電氣隔離、轉換電路、安全保護、自動調節等功能。

　　經過比較分析，三種方法都是利用小電壓控制大電壓。三極管適合于做直流開關使用。雙向可控硅可反向導通，但容易擊穿。從而，我們選擇使用電磁繼電器。電磁繼電器控制電路采用弱電控制強電的控制原理，單片機通過控制繼電器的斷開和吸合來控制外接家用電器的通斷。

　　3.2軟件設計

　　單片機和手機都是通過藍牙模塊之間進行信號交換，需要編寫單片機程序和軟件程序，由單片機、藍牙模塊和繼電器來組成系統控制體系。

　　啟動手機控制平臺(APP)并進行初始化(復位)操作。啟動家電終端藍牙模塊，指示燈為紅色(未匹配藍牙)。手機藍牙與家電終端藍牙模塊進行對接完成藍牙匹配，指示燈變為綠色。使用手機智能控制平臺發送“開”指令給家用電器(如空調、窗簾、熱水器等)，家電終端藍牙模塊接受并解析指令，通過串行通信把數據傳輸到單片機。單片機獲悉數據，產生相應的電平信號控制繼電器，使得家用電器通電工作。

　　四、基于物聯網技術的智能開關設計方案

　　人類自身對口常生活舒適化和智能化需求永無止境地追求，一次次地推動著信息產業的發展和革新。物聯網在智能家居領域的應用也正是伴隨著新興技術的不斷涌現應運而生。智能家居將讓用戶有更方便的手段來管理家庭設備，比如，通過觸摸屏、無線遙控器、電話、互聯網或者語音識別控制家用設備，更可以執行場景操作，使多個設備形成聯動;另一方面，智能家居內的各種設備相互間可以通訊，不需要用戶指揮也能根據不同的狀態互動運行，從而給用戶帶來最大程度的高效、便利、舒適與安全。

　　(1)需求分析。場景1：晚上睡覺前，發現其他房間燈還亮著，但躺在床上懶得動。場景2：匆忙出門后隱隱感覺到家里的熱水器或是其他的用電器沒關。場景3：半夜起床，摸黑去打開其他房間的燈。

　　(2)設計思路。上述場景在日常生活中時時存在，但目前家電市場的產品大都價格昂貴，不適合大面積的推廣使用，尤其對普通家庭來說，更是一筆不小開銷，所以一般家庭會選用普通機械開關節約資本，但在追求高品質生活的今天，機械開關的使用明顯是和品質生活相違背的。是否可以開發一種低價而又穩定的智能開關，把家里的用電器連起來，在無線網絡或者蜂窩移動數據下，通過Pad或者智能手機來控制這個智能開關，從而控制所用用電設備的開通與關斷。

　　(3)器件選擇。在實驗階段考慮器件的成本與穩定性，選擇51單片機作為主控，它有4路G PIO接口，有專門的串口通信接口，可以通過串口與W iFi接收器相連，這樣就是有了兩種可行性，一是通過W iFi接收器直接與手機相連，二是與家里的無線路由器相連，并把數據上傳到服務器，手機通過APP軟件連接到服務器。這兩種方式用戶就可以通過點擊手機的按鍵來實現對家里用電器的控制，家里用電器在收到控制指令后，將數據返回，手機A PP上的指示燈亮，用戶就可以知道電器是否供電了。在這一方面由于考慮數據的安全性，在數據格式上設立了編號與密碼，即各個用戶在同一個服務器下面，用戶只能控制自己家的用電器。在開關方面需要做繼電器模塊，即用單片機發送控制信號給繼電器，以實現相應的開關控制。

　　(4)軟硬件設計。硬件部分：用一穩壓器以保證輸出電壓穩定，51單片機作控制器，用n個繼電器和LE D燈組成各個用電設備的物聯網開關，同時用到n個常規開關以便直接控制某一或某幾個用電器。

　　軟件部分：程序均以C語言編寫，終端控制以手機為主，可以在手機上做控制繼電器的A PP，共設n個按鍵分別對應控制n個繼電器。全過程在無線局域網范圍內實現。

　　在模擬實驗中，成本是非常低價的，由此我們便可以看出，若想實現智能化，使生活更加舒適便捷是非常廉價和容易的。因此，基于物聯網技術的智能開關具有一定的可行性、安全性和普及的可靠性。

　　(5)服務器端。作為物聯網的遠程控制，需要做一個類似的服務端，這個服務端可以借助任何聊天軟件，在聊天軟件中預留一個端口，專門負責傳遞和接收遠程控制信號。當然也可以做一個專門的收發指令信號的軟件。即用戶先把指令傳遞給軟件平臺，再由軟件平臺傳遞給家中用電器，這是不難實現的。

　　(6)安全性。安全問題是任何科學研究都必須考慮的問題，所以在此也需要做出分析。在傳遞信號時，使用串口通信，并且在數據格式上設立了編號與密碼，即各個用戶在同一個服務器下面，用戶只能控制自己家的用電器。密碼包括報頭、校驗碼和報尾，三項內容必須完全匹配才能實現有效通信，否則通信無法完成。

　　相比以往物聯網作品的高度安全性，這也是智能開關的創新性與優越性。通常的物聯網產品都只是簡單地實現了控制，姑且實現了遠程使用4G網絡控制，但如果使用者的手機丟失會存在很多隱患，縱使手機有密碼鎖，但刷機解鎖也如探囊取物一般容易。基于這樣的考慮，現針對不同的用戶，不同的部門，不同的場合想出了幾種解決方案：

　　a.設置用戶名和密碼，打開智能家居手機控制軟件時需輸入用戶名與密碼，用戶名與密碼不匹配的無法登錄進入，如果密碼輸入錯誤三次，將鎖定軟件。這些需要依托主服務器才能控制軟件的鎖定。b.與指紋識別結合，打開控制軟件時，需輸入指紋，匹配后方能打開。c.設置自毀系統操作，控制整套家居的不只是一部手機，一旦一部手機失竊，使用家庭其他成員的手機仍可啟動自毀，使控制程序亂碼，用電器不再受手機控制，以保證用電器或財產安全。d.綁定手機號，像登錄Q Q或微信一樣，一旦丟失手機時手機控制軟件處于打開狀態，可以告知主服務器端，鎖定軟件。

　　隨著智慧城市的深入人心，科學技術的不斷進步，也隨著人們對更高生活質量的追求，家居的智能化將來一定會得到普及。每個城市基于智能家居系統的主服務端將來也一定能夠陸續的建設起來。所以，在這里給出一個思路，一套方案和一套體系。前期的實驗已經證明了其低成本的可行性。縱觀物聯網世界，它將人類數字化管理的范圍從虛擬信息世界延伸至實物世界，強化了實時處理和遠程控制能力，極大地擴展和豐富了現有的信息系統。本文設計的不僅是一個新型低成本智能開關，并且考慮到將這個產品延伸至遠程終端，借助現有的無線傳感、互聯網等眾多IT技術，實現遠程控制，更進一步的提升了自動化管理的處理性能和智能水平。它的維護簡單，安裝簡易，有很高的性價比，51單片機和繼電器結合足以實現的功能中，這可以說是具有一定創意，也具有很強的研究與思考性。