智能开关解决方案设计开发

　　智能家居是高科技光速发展的现代社会最热门的话题之一，最终目的是通过网络等信息化方法实现对家用电器等的智能化控制，使其能够按照人们的设想去工作运行，但却不考虑距离的远近。智能化和远程控制是智能家居的两大特色。目前，已经有越来越多的企业和个人开始了对智能家居的研究。随着网络通信技术的发展，特别是蓝牙通信技术的发展，智能家居系统可提供遥控、家电控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制及计算机控制等多种功能，使生活更加舒适、便利和安全。电子科技的发展已经极大地优化了人们的生活，基于单片机与移动通信技术的蓝牙无线家电开关控制系统已经逐步在高端住宅场合得到了推广和应用并取得了一致的好评。
 

 

　　一、智能开关方案的工作原理

　　单片机，亦称单片微电脑或单片微型计算机。它是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口(I/O)等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。此智能家居控制系统以51单片机为核心，通过蓝牙通信技术，把传感器实时采集到的数据反馈给智能手机终端控制平台。智能手机控制平台分析、处理收到的反馈数据，通过蓝牙通信技术返回给51单片机相应的指令信息。51单片机接收和解析指令，利用电路和各元器件(计数器、信号发生器等)发出相应的电平信号。电磁继电器接收给定的电平信号，并做出响应，控制智能家用电器的开启或关闭，从而实现家用电器的自动控制。系统的遥控是利用蓝牙模块，用户可通过手机APP实时查看家用电器的状态，从而实现远程控制。

　　二、智能开关所需的无线通信技术

　　在现代通信技术中，居民住宅使用的无线通信技术大多以蓝牙通信和WiFi通信为主。相比较两种无线通信技术，WiFi的信号更稳定、传输距离更远、适用范围更广，但在智能家用电器开或关的使用过程中，运用WiFi的话会比较麻烦，手机要不定时的连接不同的WiFi网络，才能够对智能家用电器进行遥控，但蓝牙能很好地弥补这一问题，手机可同时连接蓝牙和WiFi，这就能使智能家用电器实现稳定的、可靠的多点控制。

　　本设计基于蓝牙通信技术，以51单片机为核心。蓝牙模块采用工业级HC-05蓝牙模块完成手机蓝牙指令的接收和通信，然后和单片机控制电路之间通过串口通信电路完成数据的传输。单片机控制单元通过解析所接收到的蓝牙指令，然后对相应的家用电器开关进行开启和关闭的操作。

　　三、智能开关系统设计

　　3.1硬件电路设计

　　(1)单片机系统电路：考虑到经济性和控制精度需求，系统的硬件设计使用51单片机。该单片机拥有4KB的Flash存储器、32根I/O线外部存贮器，2个16bit的定时器/计数器、5个中断源、2个中断优先级和全双工串行口，完全满足本设计的控制需求。另外，51单片机在电子设计中有大量的应用途径，稳定性较好，价格适中，兼容性好。

　　(2)驱动电路：驱动电路作为整个智能家居控制系统的重要组成部分，通过接收单片机控制单元对蓝牙指令解析之后而发出的命令，来实现智能家居的开关控制。因此，它是不可或缺的一部分。对于驱动机制的选择，有三种不同的方法，双向可控硅、三极管、电磁继电器。

　　(a)双向可控硅：双向可控硅是一种性能较好的功率开关，拥有很大的驱动能力，可用于交流无触点开关使用。虽然双向可控硅反向导通，但容易击穿，故必须使双向可控硅能承受这种反向电压。

　　(b)三极管：三极管可作为无触点开关，具有电流放大的作用，可以用于功率放大。但大多数情况是使用其直流开关的功能，而且其反应灵敏可以达到100KHz，拥有很好的灵敏度。

　　(c)电磁继电器：电磁继电器是用小电流、低电压控制大电流、高电压的拥有自动开启或关闭的功能的“新型开关”，并且拥有电气隔离、转换电路、安全保护、自动调节等功能。

　　经过比较分析，三种方法都是利用小电压控制大电压。三极管适合于做直流开关使用。双向可控硅可反向导通，但容易击穿。从而，我们选择使用电磁继电器。电磁继电器控制电路采用弱电控制强电的控制原理，单片机通过控制继电器的断开和吸合来控制外接家用电器的通断。

　　3.2软件设计

　　单片机和手机都是通过蓝牙模块之间进行信号交换，需要编写单片机程序和软件程序，由单片机、蓝牙模块和继电器来组成系统控制体系。

　　启动手机控制平台(APP)并进行初始化(复位)操作。启动家电终端蓝牙模块，指示灯为红色(未匹配蓝牙)。手机蓝牙与家电终端蓝牙模块进行对接完成蓝牙匹配，指示灯变为绿色。使用手机智能控制平台发送“开”指令给家用电器(如空调、窗帘、热水器等)，家电终端蓝牙模块接受并解析指令，通过串行通信把数据传输到单片机。单片机获悉数据，产生相应的电平信号控制继电器，使得家用电器通电工作。

　　四、基于物联网技术的智能开关设计方案

　　人类自身对口常生活舒适化和智能化需求永无止境地追求，一次次地推动着信息产业的发展和革新。物联网在智能家居领域的应用也正是伴随着新兴技术的不断涌现应运而生。智能家居将让用户有更方便的手段来管理家庭设备，比如，通过触摸屏、无线遥控器、电话、互联网或者语音识别控制家用设备，更可以执行场景操作，使多个设备形成联动;另一方面，智能家居内的各种设备相互间可以通讯，不需要用户指挥也能根据不同的状态互动运行，从而给用户带来最大程度的高效、便利、舒适与安全。

　　(1)需求分析。场景1：晚上睡觉前，发现其他房间灯还亮着，但躺在床上懒得动。场景2：匆忙出门后隐隐感觉到家里的热水器或是其他的用电器没关。场景3：半夜起床，摸黑去打开其他房间的灯。

　　(2)设计思路。上述场景在日常生活中时时存在，但目前家电市场的产品大都价格昂贵，不适合大面积的推广使用，尤其对普通家庭来说，更是一笔不小开销，所以一般家庭会选用普通机械开关节约资本，但在追求高品质生活的今天，机械开关的使用明显是和品质生活相违背的。是否可以开发一种低价而又稳定的智能开关，把家里的用电器连起来，在无线网络或者蜂窝移动数据下，通过Pad或者智能手机来控制这个智能开关，从而控制所用用电设备的开通与关断。

　　(3)器件选择。在实验阶段考虑器件的成本与稳定性，选择51单片机作为主控，它有4路G PIO接口，有专门的串口通信接口，可以通过串口与W iFi接收器相连，这样就是有了两种可行性，一是通过W iFi接收器直接与手机相连，二是与家里的无线路由器相连，并把数据上传到服务器，手机通过APP软件连接到服务器。这两种方式用户就可以通过点击手机的按键来实现对家里用电器的控制，家里用电器在收到控制指令后，将数据返回，手机A PP上的指示灯亮，用户就可以知道电器是否供电了。在这一方面由于考虑数据的安全性，在数据格式上设立了编号与密码，即各个用户在同一个服务器下面，用户只能控制自己家的用电器。在开关方面需要做继电器模块，即用单片机发送控制信号给继电器，以实现相应的开关控制。

　　(4)软硬件设计。硬件部分：用一稳压器以保证输出电压稳定，51单片机作控制器，用n个继电器和LE D灯组成各个用电设备的物联网开关，同时用到n个常规开关以便直接控制某一或某几个用电器。

　　软件部分：程序均以C语言编写，终端控制以手机为主，可以在手机上做控制继电器的A PP，共设n个按键分别对应控制n个继电器。全过程在无线局域网范围内实现。

　　在模拟实验中，成本是非常低价的，由此我们便可以看出，若想实现智能化，使生活更加舒适便捷是非常廉价和容易的。因此，基于物联网技术的智能开关具有一定的可行性、安全性和普及的可靠性。

　　(5)服务器端。作为物联网的远程控制，需要做一个类似的服务端，这个服务端可以借助任何聊天软件，在聊天软件中预留一个端口，专门负责传递和接收远程控制信号。当然也可以做一个专门的收发指令信号的软件。即用户先把指令传递给软件平台，再由软件平台传递给家中用电器，这是不难实现的。

　　(6)安全性。安全问题是任何科学研究都必须考虑的问题，所以在此也需要做出分析。在传递信号时，使用串口通信，并且在数据格式上设立了编号与密码，即各个用户在同一个服务器下面，用户只能控制自己家的用电器。密码包括报头、校验码和报尾，三项内容必须完全匹配才能实现有效通信，否则通信无法完成。

　　相比以往物联网作品的高度安全性，这也是智能开关的创新性与优越性。通常的物联网产品都只是简单地实现了控制，姑且实现了远程使用4G网络控制，但如果使用者的手机丢失会存在很多隐患，纵使手机有密码锁，但刷机解锁也如探囊取物一般容易。基于这样的考虑，现针对不同的用户，不同的部门，不同的场合想出了几种解决方案：

　　a.设置用户名和密码，打开智能家居手机控制软件时需输入用户名与密码，用户名与密码不匹配的无法登录进入，如果密码输入错误三次，将锁定软件。这些需要依托主服务器才能控制软件的锁定。b.与指纹识别结合，打开控制软件时，需输入指纹，匹配后方能打开。c.设置自毁系统操作，控制整套家居的不只是一部手机，一旦一部手机失窃，使用家庭其他成员的手机仍可启动自毁，使控制程序乱码，用电器不再受手机控制，以保证用电器或财产安全。d.绑定手机号，像登录Q Q或微信一样，一旦丢失手机时手机控制软件处于打开状态，可以告知主服务器端，锁定软件。

　　随着智慧城市的深入人心，科学技术的不断进步，也随着人们对更高生活质量的追求，家居的智能化将来一定会得到普及。每个城市基于智能家居系统的主服务端将来也一定能够陆续的建设起来。所以，在这里给出一个思路，一套方案和一套体系。前期的实验已经证明了其低成本的可行性。纵观物联网世界，它将人类数字化管理的范围从虚拟信息世界延伸至实物世界，强化了实时处理和远程控制能力，极大地扩展和丰富了现有的信息系统。本文设计的不仅是一个新型低成本智能开关，并且考虑到将这个产品延伸至远程终端，借助现有的无线传感、互联网等众多IT技术，实现远程控制，更进一步的提升了自动化管理的处理性能和智能水平。它的维护简单，安装简易，有很高的性价比，51单片机和继电器结合足以实现的功能中，这可以说是具有一定创意，也具有很强的研究与思考性。