劉 洋 卓之淮 付小霞 王 朋 陳 奎 徐州工程學(xué)院 徐州江蘇 221018

i_Switch智能家用開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 洋 卓之淮 付小霞 王 朋 陳 奎 徐州工程學(xué)院 徐州江蘇 221018

傳統(tǒng)機(jī)械控制開(kāi)關(guān)，功能簡(jiǎn)單、控制單一、布線困難、而且必須近距離操作，本文設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合傳統(tǒng)與無(wú)線智控的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)；系統(tǒng)在傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)的基礎(chǔ)上，增加了觸控開(kāi)關(guān)和手機(jī)藍(lán)牙開(kāi)關(guān)，從而構(gòu)成了三聯(lián)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)；本系統(tǒng)可以方便用戶隨時(shí)隨地的控制開(kāi)關(guān)，同時(shí)系統(tǒng)搭載的顯示模塊可以實(shí)時(shí)的顯示室內(nèi)環(huán)境參數(shù)；系統(tǒng)可以為用戶帶來(lái)更好的體驗(yàn)，從而提升人們的生活質(zhì)量。

藍(lán)牙開(kāi)關(guān)；觸控開(kāi)關(guān)；智控；實(shí)時(shí)；環(huán)境參數(shù)

0　引言

近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、智能家居技術(shù)的飛速發(fā)展，新的智能產(chǎn)品也隨之突飛猛進(jìn)，相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)也在不斷完善，人們?cè)谙硎苤悄芑a(chǎn)品的同時(shí)面臨著傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)已經(jīng)不能和智能產(chǎn)品接軌，從而新型的智能開(kāi)關(guān)系統(tǒng)隨著智能產(chǎn)品的發(fā)展而發(fā)展，而這些為人們帶來(lái)的不僅僅是操作的便利，同時(shí)也為人們?cè)谛聲r(shí)代享受這些智能化、人性化的設(shè)備提供可能。

傳統(tǒng)的控制照明系統(tǒng)的方式存在控制不方便、布線困難，而且常規(guī)的開(kāi)關(guān)控制難以滿足進(jìn)一步提高控制精度和節(jié)能的要求，在控制周期內(nèi)，其控制量只有二個(gè)狀態(tài)，要么接通，為一個(gè)固定常數(shù)值、要么斷開(kāi)，控制量為零，功能單一滿足不了多元化的智能產(chǎn)品。從而傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)關(guān)將被智能化的硬件和終端所替代。當(dāng)今各種無(wú)線技術(shù)如藍(lán)牙、紅外、 Zigbee、Wi-Fi等技術(shù)的日益普遍以及智能手機(jī)的普及化，使得家用智能開(kāi)關(guān)系統(tǒng)日趨網(wǎng)絡(luò)化。

基于以上分析本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的i_Switch智能開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，用戶通過(guò)直接操作或者使用手機(jī)的客戶端，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的人性化調(diào)控。

圖1　簡(jiǎn)單版的i_Switch智能開(kāi)關(guān)電路

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)

1.1Android平臺(tái)

Android是一種基于Linux內(nèi)核的開(kāi)放源代碼操作系統(tǒng)，主要應(yīng)用在移動(dòng)設(shè)備，如手機(jī)/平板等，早期由Google設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，后來(lái)由谷歌聯(lián)合的多個(gè)手機(jī)公司創(chuàng)建的開(kāi)放手機(jī)聯(lián)盟開(kāi)發(fā)。

Android的架構(gòu)是軟件堆層，主要由3部分組成：底層是以為L(zhǎng)inux 核心，主要是 c 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，僅僅提供基本功能；中層包括函數(shù)庫(kù)和虛擬機(jī)，由 C++開(kāi)發(fā)；上層是相應(yīng)的應(yīng)用APP，包括界面、基本應(yīng)用等，應(yīng)用軟件由開(kāi)發(fā)人員編寫(xiě)。它具有開(kāi)放性，允許設(shè)計(jì)人員自由獲取修改源碼，開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序無(wú)界限，在此平臺(tái)上可以通用。

1.2無(wú)線bluetooth模塊

藍(lán)牙，是一種為各種終端設(shè)備提供短距離通信（一般10m內(nèi)）的無(wú)線電技術(shù)?？梢栽谑謾C(jī)/paid、筆記本等眾多終端設(shè)備之間進(jìn)行無(wú)線信息交換。藍(lán)牙模塊是指集成有藍(lán)牙功能的芯片的基本電路的組合，主要用在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通訊，大致可分為：數(shù)據(jù)傳輸模塊（如BLKMD-BC04-B）、遠(yuǎn)程控制模塊（如BLK-MDBC04-L）等。主要特點(diǎn)為：工作在免費(fèi)頻段，零費(fèi)用、耗能低，廣泛的應(yīng)用于各行業(yè)，擁有良好的市場(chǎng)通用性。

1.3觸控模塊

觸摸模塊，觸摸感應(yīng)面板主流的技術(shù)是采用電容感應(yīng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其觸摸感應(yīng)的操作面板其堅(jiān)固、耐磨損、可以絕緣、隔塵、隔水，而且外觀美觀新穎是科技發(fā)展進(jìn)步的一種新興產(chǎn)品。

觸控開(kāi)關(guān)一般是指應(yīng)用觸摸感應(yīng)芯片原理設(shè)計(jì)的一種墻壁開(kāi)關(guān)，是傳統(tǒng)機(jī)械按鍵式墻壁開(kāi)關(guān)的換代產(chǎn)品。能實(shí)現(xiàn)更智能化、操作更方便的觸摸開(kāi)關(guān)有傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)不可比擬的優(yōu)勢(shì)，是目前家居產(chǎn)品的流行的一種裝飾性開(kāi)關(guān)。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)主要應(yīng)用于家用開(kāi)關(guān)，主要目的為最大便利的控制設(shè)備，把這些設(shè)備統(tǒng)一由主控芯片控制，解決傳統(tǒng)的設(shè)備控制單一、模式單一等的問(wèn)題，為用戶帶來(lái)全新的體驗(yàn)。那么在設(shè)計(jì)i_Switch系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)需要考慮以下問(wèn)題：

1） 多聯(lián)性。本系統(tǒng)主要為用戶提供便利的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的單一的開(kāi)關(guān)控制是不滿足現(xiàn)在的需求的，因此本設(shè)計(jì)通過(guò)繼電器將傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)，觸控開(kāi)關(guān)，手機(jī)藍(lán)牙開(kāi)關(guān)，三聯(lián)在一起，從而實(shí)現(xiàn)三聯(lián)開(kāi)關(guān)控制的設(shè)計(jì)。

2）數(shù)據(jù)接入?？紤]到資源的合理應(yīng)用，當(dāng)用戶在家時(shí)使用手機(jī)端控制開(kāi)關(guān)系統(tǒng)可以通過(guò)藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)用戶距離控制系統(tǒng)較遠(yuǎn)時(shí)，而此時(shí)有需要控制開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，那么可以選擇Wi-Fi作為數(shù)據(jù)傳輸通道。所以系統(tǒng)需要設(shè)置兩種連接方式，預(yù)先給出相應(yīng)的模塊端口。

3）設(shè)備體積的大小。本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的主要是針對(duì)智能家用開(kāi)關(guān)，所以硬件設(shè)備尺寸大小必須滿足國(guó)家開(kāi)關(guān)尺寸標(biāo)準(zhǔn)，方便安裝。同時(shí)用戶也可以通過(guò)手機(jī)端進(jìn)行控制，從而大大減小了設(shè)備占用的空間。

4）附加功能。用戶界面應(yīng)該簡(jiǎn)潔美觀、方便操作、符合基本的用戶習(xí)慣。同時(shí)也能夠?qū)崟r(shí)顯示室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，多元化的功能更加方便了用戶的生活，為用戶提供更好的生活體驗(yàn)。

2.1系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)

在i_Switch智能家用開(kāi)關(guān)系統(tǒng)中，用戶可以直接通過(guò)傳統(tǒng)機(jī)械開(kāi)關(guān)，電容式觸控開(kāi)關(guān)和手機(jī)APP開(kāi)關(guān)直接控制，三個(gè)開(kāi)關(guān)能分別改變上一個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)三聯(lián)功能，同時(shí)還能夠調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)的PWM輸出，進(jìn)而控制電壓，對(duì)燈組的亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)。在附加功能中使用的是stm32作為主控芯片，添加了室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集，視頻留言，能夠?qū)崟r(shí)的在開(kāi)關(guān)面板顯示，同時(shí)增添了三色PWM的調(diào)節(jié)；可以進(jìn)行彩燈的控制。并且操作板開(kāi)關(guān)使用的是藍(lán)牙無(wú)線控制，進(jìn)而能夠進(jìn)行無(wú)線的操作。

系統(tǒng)主要包括三大類：控制核心開(kāi)關(guān)、燈組設(shè)計(jì)、手機(jī)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

2.2系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1）硬件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

i-Switch基礎(chǔ)版本智能控制電路通過(guò)STC12系列單片機(jī)作為處理器，控制電路主要包括繼電器控制電路、藍(lán)牙電路、電容觸摸電路以及電源電路。

藍(lán)牙作為無(wú)線通信模塊，通過(guò)接受手機(jī)APP發(fā)送的指令并發(fā)送到單片機(jī)中，單片機(jī)從而控制繼電器的吸合從而達(dá)到控制照明系統(tǒng)的功能；電容觸控則是直接將信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)進(jìn)而控制繼電器工作；本版本可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的級(jí)聯(lián)開(kāi)關(guān)、藍(lán)牙和電容觸控開(kāi)關(guān)分別對(duì)照明系統(tǒng)的控制且各自不受影響。如下圖1

附加功能的系統(tǒng)設(shè)計(jì)：主控電路主要包括STC控制電路和ARM控制電路，SD卡模塊，語(yǔ)音電路， lcd模塊和攝像頭電路以及各環(huán)境參數(shù)模塊。

STM32或單片機(jī)觸控模塊和手機(jī)客戶端藍(lán)牙收發(fā)模塊，通過(guò)無(wú)線或有線傳輸控制系統(tǒng)開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)功能。

在系統(tǒng)工作時(shí)要保證電源供電的穩(wěn)定性，保證系統(tǒng)可以正常工作，在無(wú)線傳輸使用藍(lán)牙技術(shù)，可以快速有效地處理命令，藍(lán)牙的覆蓋范圍能夠滿足家居控制區(qū)域，以達(dá)到用戶要求。

2）軟件部分的實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)中智能開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的可以使用手機(jī)APP進(jìn)行控制，主要通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在整個(gè)操作過(guò)程中當(dāng)手機(jī)藍(lán)牙打開(kāi)后進(jìn)行藍(lán)牙連接，連接成功后選擇需要操作的開(kāi)關(guān)，進(jìn)行相應(yīng)的操作項(xiàng)，從而將手機(jī)上的指令發(fā)送到主控制芯片中，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)，調(diào)節(jié)功能。

3）開(kāi)關(guān)外觀設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

常用版本：本套開(kāi)關(guān)除保留了傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)的機(jī)械控制外，還設(shè)有觸控開(kāi)關(guān)同時(shí)控制燈組，如下圖2左為基礎(chǔ)版本的設(shè)計(jì)外觀，附加版本：作為本智能開(kāi)關(guān)的升級(jí)版本，此版本的最初設(shè)計(jì)外觀如下圖2右。

圖2　簡(jiǎn)單和娛樂(lè)版本的硬件樣式

3　結(jié)束語(yǔ)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐步的進(jìn)入人們生活當(dāng)中，傳統(tǒng)的單一的機(jī)械開(kāi)關(guān)已經(jīng)不能滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰１疚脑O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)的i_Switch只能開(kāi)關(guān)裝置，用戶多樣化的對(duì)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行控制，同時(shí)增添了室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集顯示，更加豐富了人們生活，方便了人們的生活。

［1］呂紅海.基于Android的智能家居無(wú)線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.四川：電子科技大學(xué)，2012：23-29

［3］王群峰.基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的智能照明系統(tǒng)研究［D］.河南：鄭州大學(xué)，2012：16-21.

［3］趙鵬飛.基于Android的無(wú)線智控LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 江蘇：徐州工程學(xué)院.

劉洋，出生日期：1992年，性別：男，籍貫：河南，主要從事電子信息工程方面的研究。