李永新 鄧鄒超 柴健強 吳登鵬 朱耀東

(嘉興學(xué)院 機電工程學(xué)院，浙江 嘉興314000)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人們越來越追求生活的智能化，于是智能家居、智慧照明等新的概念在國內(nèi)外被廣泛提出，各種技術(shù)在智能家居中不斷得到應(yīng)用。本文介紹一種基于Wi-Fi技術(shù)的智慧家居控制系統(tǒng)，無線通訊采用Wi-Fi技術(shù)，充分利用家庭的Wi-Fi網(wǎng)關(guān)，方便將家居無線網(wǎng)絡(luò)和外部廣域網(wǎng)連接起來,通過智能手機直接控制室內(nèi)電器，通過傳感器收集數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)傳輸信息，可以實時控制和監(jiān)測室內(nèi)照明等電器情況。

1 系統(tǒng)總體方案

系統(tǒng)主要由中央控制系統(tǒng)、LED照明燈、智能手機客戶端三個系統(tǒng)組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。控制系統(tǒng)采用了PIC24單片機，PIC24是Microchip公司推出的一種16位單片機，其性能優(yōu)越，運行速度快。利用PIC24我們可以實現(xiàn)系統(tǒng)在終端自動的控制照明系統(tǒng)。LED照明燈包括驅(qū)動和控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)又分主體照明和輔助照明。主體照明具有調(diào)光、調(diào)色功能及有多種燈光模式組合，使環(huán)境光線更為舒適，同時亦可通過多種傳感器的檢測，以適應(yīng)不同的情況實現(xiàn)多種不同的情調(diào)模式調(diào)節(jié)。輔助照明是在白天使自然光照明和LED照明自動融合達(dá)到最佳照明效果，使節(jié)能效率維持在最佳水平。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

無線通訊采用3G+Wi-Fi模式，相比其他搭建方式來說，Wi-Fi具有傳輸速度快，更適合于家居無線控制的特點。上位機采用智能手機移動終端，通過Wi-Fi搭建的物聯(lián)網(wǎng)，我們可以將獲取的數(shù)據(jù)顯示在手機上，也可以利用手機發(fā)送數(shù)據(jù)對照明系統(tǒng)進(jìn)行控制。

系統(tǒng)還包括一些輔助功能，包括時鐘功能、溫度功能以及MP3功能，其中時鐘模塊通過數(shù)碼管顯示，具有定時鬧鐘的功能，時鐘功能采用的是DALLAS公司的具有低功耗的實時時鐘芯片DS1302，它可以對年、月、日、時、分、秒進(jìn)行計時，且具有閏年補償?shù)榷喾N功能。溫度功能使用美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器，DS18B20是一款一線式數(shù)字溫度傳感器，溫度測量范圍廣,測溫分辨率可達(dá)0.0625℃。MP3功能采用VS1003B MP3解碼模塊，通過手機客戶端控制，可以隨時調(diào)節(jié)MP3模式，以及播放歌曲，同時在鬧鐘響起時，MP3同時播放。

2 硬件電路

系統(tǒng)的CPU采用了Microchip公司新推出的PIC24單片機，PIC24是一種16位單片機，其性能優(yōu)越，運行速度快。利用PIC24我們可以實現(xiàn)系統(tǒng)在終端自動的控制照明系統(tǒng)。PIC24采用改進(jìn)型的哈佛結(jié)構(gòu),高達(dá)16MIPS的指令持行速率。數(shù)據(jù)存儲器線性地址擴展可達(dá)64KB，程序存儲器線性地址擴展可達(dá)12MB。

通信模塊包括主體通信和輔助通信兩部分。主體通信部分采用Wi-Fi無線模塊，輔助通信部分采用藍(lán)牙和紅外雙通信組合。Wi-Fi模塊采用UART串口輸入，Wi-Fi模塊是基于UART接口的符合Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議IEEE802.11協(xié)議棧以及TCP/IP協(xié)議棧。

手機發(fā)送指令給目標(biāo)Wi-Fi模塊，目標(biāo)Wi-Fi模塊接收到指令后通過串口線以相同的指令發(fā)送給單片機的TX端，再由單片機進(jìn)行判斷，通過已經(jīng)燒寫在單片機內(nèi)的程序指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，如產(chǎn)生用于調(diào)光的可調(diào)PWM波。

LED驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，EMI濾波電路采用簡易EMI濾波器，即單級式結(jié)構(gòu)。共軛電感和Y電容用來濾除共模干擾，X電容用來濾除串模干擾。共軛電感是繞在同一個磁芯上的兩個電感量相同的電感，主要用來抑制共模干擾，為縮小體積和提高濾波效果。

圖2 LED驅(qū)動結(jié)構(gòu)

整流器采用全波橋式整流器，體積小，使用方便。50Hz交流電壓經(jīng)過全波整流后變成脈動直流電壓，再通過輸入濾波電容得到直流高壓。根據(jù)要求，采用600V/1A的整流橋。恒流驅(qū)動電路使用的是一種輸出電流恒定的恒流源芯片BP2808，此款恒流源芯片輸入電壓為85V～265V，輸出為一個恒定電流。芯片外配電路簡潔，電路組成體積小。恒流驅(qū)動電路盡可能保持了恒流特性，在電源電壓發(fā)生±15%的變動時，仍能保持輸出電流在±10%的范圍內(nèi)變動，同時，驅(qū)動電路具有較低的自身功耗，這樣使得LED的系統(tǒng)效率保持在較高水平。此外該芯片還內(nèi)置欠壓和過溫保護電路，從而能在各種不利的條件下，有效的保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的工作。

通過PIC24控制器發(fā)出的PWM信號，使功率開關(guān)管交替的接通和斷開，通過改變PWM信號的頻率來調(diào)節(jié)LED燈的亮度及色溫。電路中使用RGB三基色LED燈珠，通過調(diào)節(jié)三色的比例，可以調(diào)節(jié)色溫，亮度以及整個環(huán)境的氛圍。讓居住環(huán)境更加舒適。

3 手機客戶端軟件設(shè)計

手機客戶端軟件采用Phone Gap 技術(shù)，可以在Android，IOS，blackberry等各智能手機系統(tǒng)實現(xiàn)全平臺支持,方便客戶使用。界面簡潔，使用方便，功能齊全，擁有較強的可擴展性。Phone Gap是一種利用web技術(shù)編寫，能夠調(diào)用API接口和進(jìn)入應(yīng)用商店的HTML5應(yīng)用開發(fā)平臺,是唯一的一個支持多個平臺的開源移動框架。Phone Gap采用W3C標(biāo)準(zhǔn)，升級維護成本低，精確兼容系統(tǒng)Android、IOS等系統(tǒng)。手機客戶端軟件流程如圖3所示，登錄界面有IP地址和密碼輸入控件，同時可在此頁面選擇登錄方式，登錄方式包括Wi-Fi連接模式、紅外連接模式、藍(lán)牙連接模式組成。當(dāng)用戶輸入IP和密碼，后臺的數(shù)據(jù)庫會驗證此賬號的信息，如果信息正確，則可進(jìn)入系統(tǒng)。

圖3 客戶端軟件流程圖

由登陸界面進(jìn)入后是控制系統(tǒng)的主頁，主頁內(nèi)容包括：開啟系統(tǒng)，應(yīng)急開關(guān)，使用詳情，拓展系統(tǒng)四個控件組成，如圖4所示。

1）開啟系統(tǒng)：打開電器選擇界面，選擇要控制的家電。

2）應(yīng)急開關(guān):當(dāng)室內(nèi)停電時，可以開啟電池模式來供電。

3）使用詳情：介紹軟件的使用方法。

4）拓展系統(tǒng)：拓展系統(tǒng)：在物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點上增加電器或者增加房間，傳統(tǒng)的家電系統(tǒng)因為布線問題拓展系統(tǒng)很麻煩，而我們的客戶端拓展系統(tǒng)很方便。

圖4 控制系統(tǒng)主頁

圖5 電器選擇

點擊開啟系統(tǒng)后，進(jìn)入電器選擇界面，如圖5所示，電器選擇界面包括：照明燈，空調(diào)，插座，窗簾，冰箱等一系類電器控件，如果室內(nèi)增加了新的家電，可以在添加菜單內(nèi)進(jìn)行設(shè)定添加，使用非常方便。

進(jìn)入照明燈界面后，即為照明燈的模式選擇，如圖6所示，模式選擇包括自動、手動、個性化，三個控件組成。 當(dāng)進(jìn)入手動模式時，可以調(diào)節(jié)亮度，同時可以調(diào)節(jié)RBG三基色燈顏色的比例來調(diào)節(jié)色溫。進(jìn)入手動模式可以通過軟件上端，選擇要控制燈的號碼。方便，快捷。

當(dāng)進(jìn)入個性化選擇時，可以進(jìn)行模式選擇如圖7所示，模式選擇包括：影音模式，睡前閱讀模式，睡眠模式，網(wǎng)上沖浪模式，以及放松模式?？赏ㄟ^不同的需求選擇不同的模式。

圖6 模式選擇

圖7 個性化設(shè)置

在個性化選擇時，設(shè)置有鬧鐘和音樂，例如，早上起床時，我可以設(shè)置鬧鐘，時間到后，照明燈內(nèi)部嵌入的音樂模塊，則會響起設(shè)定好的音樂，聲音有低到高，逐漸變強，使正在睡眠中的人們從音樂中醒來。

4 結(jié)語

本文介紹了一種基于無線物聯(lián)網(wǎng)的智慧家居控制系統(tǒng)。利用Microchip公司的PIC24為智能家居系統(tǒng)的中央控制器，通過擴展Wi-Fi模塊建立家庭內(nèi)部無線局域網(wǎng)；同時完成恒流驅(qū)動可調(diào)的LED智能照明燈的設(shè)計以及基于HTML5的智能手機客戶端，通過Wi-Fi通信，調(diào)節(jié)LED燈的亮度，色溫，同時可將Wi-Fi信號轉(zhuǎn)換成藍(lán)牙信號或者紅外信號，控制一些家用電器，從而減少了額外配備Wi-Fi接口的開支。

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