智能开关解決方案设计开发

2020-06-01 11:17:03分類:智能家居方案2052

  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並取得了一致的好評。
 

智能开发解決方案设计开发
 

  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單片機爲核心,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台。智能手機控制平台分析、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,並做出響應,控制智能家用電器的開啓或關閉,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通信爲主。相比較兩種無線通信技術,WiFi的信號更穩定、傳輸距離更遠、適用範圍更廣,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單片機爲核心。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,然後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,然後對相應的家用電器開關進行開啓和關閉的操作。

  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:驅動電路作爲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後而發出的命令,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,雙向可控矽、三極管、電磁繼電器。

  (a)雙向可控矽:雙向可控矽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。雖然雙向可控矽反向導通,但容易擊穿,故必須使雙向可控矽能承受這種反向電壓。

  (b)三極管:三極管可作爲無觸點開關,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啓或關閉的功能的“新型開關”,並且擁有電氣隔離、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。雙向可控矽可反向導通,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。

  啓動手機控制平台(APP)並進行初始化(複位)操作。啓動家電終端藍牙模塊,指示燈爲紅色(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,指示燈變爲綠色。使用手機智能控制平台發送“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並解析指令,通過串行通信把數據傳輸到單片機。單片機獲悉數據,産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産業的發展和革新。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湧現應運而生。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:匆忙出門後隱隱感覺到家裏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,但目前家電市場的産品大都價格昂貴,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,把家裏的用電器連起來,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。作爲物聯網的遠程控制,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台,再由軟件平台傳遞給家中用電器,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,並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決方案:

  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。

  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,在這裏給出一個思路,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範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,並且考慮到將這個産品延伸至遠程終端,借助現有的無線傳感、互聯網等衆多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。

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