智能開(kāi)關(guān)解決方案設計開(kāi)發(fā)

　　智能家居是高科技光速發(fā)展的現代社會(huì )最熱門(mén)的話(huà)題之一，最終目的是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )等信息化方法實(shí)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(jīng)有越來(lái)越多的企業(yè)和個(gè)人開(kāi)始了對智能家居的研究。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)的發(fā)展，特別是藍牙通信技術(shù)的發(fā)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(huà)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(fā)展已經(jīng)極大地優(yōu)化了人們的生活，基于單片機與移動(dòng)通信技術(shù)的藍牙無(wú)線(xiàn)家電開(kāi)關(guān)控制系統已經(jīng)逐步在高端住宅場(chǎng)合得到了推廣和應用并取得了一致的好評。
 

 

　　一、智能開(kāi)關(guān)方案的工作原理

　　單片機，亦稱(chēng)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(guò)藍牙通信技術(shù)，把傳感器實(shí)時(shí)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(guò)藍牙通信技術(shù)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(fā)生器等)發(fā)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(kāi)啟或關(guān)閉，從而實(shí)現家用電器的自動(dòng)控制。系統的遙控是利用藍牙模塊，用戶(hù)可通過(guò)手機APP實(shí)時(shí)查看家用電器的狀態(tài)，從而實(shí)現遠程控制。

　　二、智能開(kāi)關(guān)所需的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)

　　在現代通信技術(shù)中，居民住宅使用的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)大多以藍牙通信和WiFi通信為主。相比較兩種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，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(kāi)或關(guān)的使用過(guò)程中，運用WiFi的話(huà)會(huì )比較麻煩，手機要不定時(shí)的連接不同的WiFi網(wǎng)絡(luò )，才能夠對智能家用電器進(jìn)行遙控，但藍牙能很好地彌補這一問(wèn)題，手機可同時(shí)連接藍牙和WiFi，這就能使智能家用電器實(shí)現穩定的、可靠的多點(diǎn)控制。

　　本設計基于藍牙通信技術(shù)，以51單片機為核心。藍牙模塊采用工業(yè)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(guò)串口通信電路完成數據的傳輸。單片機控制單元通過(guò)解析所接收到的藍牙指令，然后對相應的家用電器開(kāi)關(guān)進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)閉的操作。

　　三、智能開(kāi)關(guān)系統設計

　　3.1硬件電路設計

　　(1)單片機系統電路：考慮到經(jīng)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(xiàn)外部存貯器，2個(gè)16bit的定時(shí)器/計數器、5個(gè)中斷源、2個(gè)中斷優(yōu)先級和全雙工串行口，完全滿(mǎn)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(jià)格適中，兼容性好。

　　(2)驅動(dòng)電路：驅動(dòng)電路作為整個(gè)智能家居控制系統的重要組成部分，通過(guò)接收單片機控制單元對藍牙指令解析之后而發(fā)出的命令，來(lái)實(shí)現智能家居的開(kāi)關(guān)控制。因此，它是不可或缺的一部分。對于驅動(dòng)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(kāi)關(guān)，擁有很大的驅動(dòng)能力，可用于交流無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)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(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，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(kāi)關(guān)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(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉的功能的“新型開(kāi)關(guān)”，并且擁有電氣隔離、轉換電路、安全保護、自動(dòng)調節等功能。

　　經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)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(guò)控制繼電器的斷開(kāi)和吸合來(lái)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(guò)藍牙模塊之間進(jìn)行信號交換，需要編寫(xiě)單片機程序和軟件程序，由單片機、藍牙模塊和繼電器來(lái)組成系統控制體系。

　　啟動(dòng)手機控制平臺(APP)并進(jìn)行初始化(復位)操作。啟動(dòng)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(jìn)行對接完成藍牙匹配，指示燈變?yōu)榫G色。使用手機智能控制平臺發(fā)送“開(kāi)”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(guò)串行通信把數據傳輸到單片機。單片機獲悉數據，產(chǎn)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(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能開(kāi)關(guān)設計方案

　　人類(lèi)自身對口常生活舒適化和智能化需求永無(wú)止境地追求，一次次地推動(dòng)著(zhù)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和革新。物聯(lián)網(wǎng)在智能家居領(lǐng)域的應用也正是伴隨著(zhù)新興技術(shù)的不斷涌現應運而生。智能家居將讓用戶(hù)有更方便的手段來(lái)管理家庭設備，比如，通過(guò)觸摸屏、無(wú)線(xiàn)遙控器、電話(huà)、互聯(lián)網(wǎng)或者語(yǔ)音識別控制家用設備，更可以執行場(chǎng)景操作，使多個(gè)設備形成聯(lián)動(dòng);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(hù)指揮也能根據不同的狀態(tài)互動(dòng)運行，從而給用戶(hù)帶來(lái)最大程度的高效、便利、舒適與安全。

　　(1)需求分析。場(chǎng)景1：晚上睡覺(jué)前，發(fā)現其他房間燈還亮著(zhù)，但躺在床上懶得動(dòng)。場(chǎng)景2：匆忙出門(mén)后隱隱感覺(jué)到家里的熱水器或是其他的用電器沒(méi)關(guān)。場(chǎng)景3：半夜起床，摸黑去打開(kāi)其他房間的燈。

　　(2)設計思路。上述場(chǎng)景在日常生活中時(shí)時(shí)存在，但目前家電市場(chǎng)的產(chǎn)品大都價(jià)格昂貴，不適合大面積的推廣使用，尤其對普通家庭來(lái)說(shuō)，更是一筆不小開(kāi)銷(xiāo)，所以一般家庭會(huì )選用普通機械開(kāi)關(guān)節約資本，但在追求高品質(zhì)生活的今天，機械開(kāi)關(guān)的使用明顯是和品質(zhì)生活相違背的。是否可以開(kāi)發(fā)一種低價(jià)而又穩定的智能開(kāi)關(guān)，把家里的用電器連起來(lái)，在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )或者蜂窩移動(dòng)數據下，通過(guò)Pad或者智能手機來(lái)控制這個(gè)智能開(kāi)關(guān)，從而控制所用用電設備的開(kāi)通與關(guān)斷。

　　(3)器件選擇。在實(shí)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(zhuān)門(mén)的串口通信接口，可以通過(guò)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(guò)W iFi接收器直接與手機相連，二是與家里的無(wú)線(xiàn)路由器相連，并把數據上傳到服務(wù)器，手機通過(guò)APP軟件連接到服務(wù)器。這兩種方式用戶(hù)就可以通過(guò)點(diǎn)擊手機的按鍵來(lái)實(shí)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(hù)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(gè)用戶(hù)在同一個(gè)服務(wù)器下面，用戶(hù)只能控制自己家的用電器。在開(kāi)關(guān)方面需要做繼電器模塊，即用單片機發(fā)送控制信號給繼電器，以實(shí)現相應的開(kāi)關(guān)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(gè)繼電器和LE D燈組成各個(gè)用電設備的物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)關(guān)，同時(shí)用到n個(gè)常規開(kāi)關(guān)以便直接控制某一或某幾個(gè)用電器。

　　軟件部分：程序均以C語(yǔ)言編寫(xiě)，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(gè)按鍵分別對應控制n個(gè)繼電器。全過(guò)程在無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)范圍內實(shí)現。

　　在模擬實(shí)驗中，成本是非常低價(jià)的，由此我們便可以看出，若想實(shí)現智能化，使生活更加舒適便捷是非常廉價(jià)和容易的。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能開(kāi)關(guān)具有一定的可行性、安全性和普及的可靠性。

　　(5)服務(wù)器端。作為物聯(lián)網(wǎng)的遠程控制，需要做一個(gè)類(lèi)似的服務(wù)端，這個(gè)服務(wù)端可以借助任何聊天軟件，在聊天軟件中預留一個(gè)端口，專(zhuān)門(mén)負責傳遞和接收遠程控制信號。當然也可以做一個(gè)專(zhuān)門(mén)的收發(fā)指令信號的軟件。即用戶(hù)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(shí)現的。

　　(6)安全性。安全問(wèn)題是任何科學(xué)研究都必須考慮的問(wèn)題，所以在此也需要做出分析。在傳遞信號時(shí)，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(gè)用戶(hù)在同一個(gè)服務(wù)器下面，用戶(hù)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(shí)現有效通信，否則通信無(wú)法完成。

　　相比以往物聯(lián)網(wǎng)作品的高度安全性，這也是智能開(kāi)關(guān)的創(chuàng )新性與優(yōu)越性。通常的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品都只是簡(jiǎn)單地實(shí)現了控制，姑且實(shí)現了遠程使用4G網(wǎng)絡(luò )控制，但如果使用者的手機丟失會(huì )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?；谶@樣的考慮，現針對不同的用戶(hù)，不同的部門(mén)，不同的場(chǎng)合想出了幾種解決方案：

　　a.設置用戶(hù)名和密碼，打開(kāi)智能家居手機控制軟件時(shí)需輸入用戶(hù)名與密碼，用戶(hù)名與密碼不匹配的無(wú)法登錄進(jìn)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(wù)器才能控制軟件的鎖定。b.與指紋識別結合，打開(kāi)控制軟件時(shí)，需輸入指紋，匹配后方能打開(kāi)。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(dòng)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(chǎn)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(shí)手機控制軟件處于打開(kāi)狀態(tài)，可以告知主服務(wù)器端，鎖定軟件。

　　隨著(zhù)智慧城市的深入人心，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，也隨著(zhù)人們對更高生活質(zhì)量的追求，家居的智能化將來(lái)一定會(huì )得到普及。每個(gè)城市基于智能家居系統的主服務(wù)端將來(lái)也一定能夠陸續的建設起來(lái)。所以，在這里給出一個(gè)思路，一套方案和一套體系。前期的實(shí)驗已經(jīng)證明了其低成本的可行性?？v觀(guān)物聯(lián)網(wǎng)世界，它將人類(lèi)數字化管理的范圍從虛擬信息世界延伸至實(shí)物世界，強化了實(shí)時(shí)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(gè)新型低成本智能開(kāi)關(guān)，并且考慮到將這個(gè)產(chǎn)品延伸至遠程終端，借助現有的無(wú)線(xiàn)傳感、互聯(lián)網(wǎng)等眾多IT技術(shù)，實(shí)現遠程控制，更進(jìn)一步的提升了自動(dòng)化管理的處理性能和智能水平。它的維護簡(jiǎn)單，安裝簡(jiǎn)易，有很高的性?xún)r(jià)比，51單片機和繼電器結合足以實(shí)現的功能中，這可以說(shuō)是具有一定創(chuàng )意，也具有很強的研究與思考性。