李麗秀，陳生暢，肖世雄，王佳興，盧振宇，劉鋒墅

（1.華南理工大學物理與光電學院，廣東廣州，510641；2.華南理工大學電子與信息學院，廣東廣州，510641；3.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州，510641）

隨著家用電器的大量普及，給人們的生活帶來了極大便利的同時，也增添了許多安全隱患。因此，在家中無人時，應(yīng)及時切斷電源，這不僅節(jié)省電力，還能預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。人們對便捷安全的家居生活的需求正促使了智能家居的出現(xiàn)。智能家居是指將家中的通訊設(shè)備、家用電器等借助一定的通訊媒介相連起來以完成監(jiān)控和控制等。智能家居在中國發(fā)展迅速，據(jù)估測，到 2020年時，大中型城市中60%的住宅將會應(yīng)用智能家居控制系統(tǒng)。

然而，現(xiàn)有的智能家居控制系統(tǒng)基本局限為內(nèi)網(wǎng)控制的方式，即設(shè)備與控制終端處于同一局域網(wǎng)內(nèi)。雖然實現(xiàn)了無線遠程控制，但是這種“遠程”卻十分有限，這種意義下的智能家居控制并非完全智能。因此，本設(shè)計是采用互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，將家用電器、各類傳感器和用戶的手機等通過新的方式聯(lián)接在一起，實現(xiàn)外網(wǎng)終端訪問內(nèi)網(wǎng)設(shè)備，讓人們在任何有網(wǎng)絡(luò)信號（包括移動通信和WIFI）的地方可以隨心所欲地操控家用電器，讓智能家居真正走出家門。

1 系統(tǒng)組成

基于APP的智能家用電器開關(guān)控制系統(tǒng)主要由家用電器、嵌入式控制電路、WIFI路由器、服務(wù)器端及手機APP客戶端五部分組成。其基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：其中，（a）圖為智能家用電器開關(guān)控制系統(tǒng)的原理圖。嵌入式控制電路通過與家用電器相連實時檢測家用電器的工作狀態(tài)，用戶通過手機APP客戶端發(fā)送控制指令，指令經(jīng)由服務(wù)器和WIFI路由器下達，嵌入式控制電路執(zhí)行相應(yīng)控制動作，完成對家用電器的遠程控制。（b）圖為嵌入式控制電路的具體結(jié)構(gòu)，嵌入式控制電路的核心為單片機控制電路，外圍電路為各類檢測電路和開關(guān)控制電路。整個嵌入式控制電路主要完成對家用電器運行狀態(tài)的實時檢測以及執(zhí)行服務(wù)器發(fā)送的指令。

1.1 嵌入式控制電路

嵌入式控制電路，主要包括整流濾波和穩(wěn)壓電路[1]，單片機控制電路和監(jiān)測電路等。通過嵌入式控制電路，將完成對家用電器運行狀態(tài)的實時檢測并上報至服務(wù)器。同時，執(zhí)行從服務(wù)器下傳的操作指令，完成對不同家用電器的開關(guān)控制。

圖1 智能開關(guān)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1.1 整流濾波和穩(wěn)壓電路

在正常的情況下，220V的交流輸入電壓經(jīng)過整流、濾波，DCDC變換[2]、穩(wěn)壓電路后可得到一個穩(wěn)定的5V直流輸出電壓，可直接作為手機等設(shè)備的充電端口，也可作為繼電器的控制電源。

1.1.2 單片機控制電路

單片機控制電路主要功能是完成對過電壓的瞬時值和峰值的檢測、過電壓次數(shù)的檢測、電源輸出電壓和電流及溫度的檢測，并通過在遠端顯示出各個電壓值的大小；同時通過接口和遠端實現(xiàn)通訊，在有過電壓的時候通過控制回路斷開電源，實現(xiàn)對用電設(shè)備的智能保護。

1.1.3 監(jiān)測電路

① 過電壓監(jiān)測電路

過電壓監(jiān)測電路：過電壓保護的基本原理是在瞬態(tài)過電壓發(fā)生的時候（微秒或納秒級）通過過電壓檢測電路對這個信號進行檢測，過電壓檢測電路中主要的元件是壓敏電阻，壓敏電阻相當于很多串并聯(lián)在一起的雙向抑制二極管，電壓超過箝位電壓時，壓敏電阻導通；電壓低于箝位電壓時，壓敏電阻截止。這就是壓敏電阻的電壓箝位作用，壓敏電阻工作極為迅速，響應(yīng)時間在納秒級。

② 輸出電壓電流檢測電路

檢測電路實時對電壓電流值進行采樣，并在采樣后將結(jié)果傳輸至單片機進行后續(xù)的處理，并能夠在狀態(tài)異常情況下自動斷開電源，保護用電設(shè)備，確保用電安全，并啟動報警電路。

③ 溫度檢測電路

檢測電路實時對智能家用電器開關(guān)控制系統(tǒng)工作溫度值進行采樣，并在采樣后將結(jié)果傳輸至單片機進行后續(xù)的處理，當工作溫度值大于所設(shè)置的閾值溫度時，即狀態(tài)異常情況下，控制系統(tǒng)自動斷開電源，保護用電設(shè)備，確保用電安全，并啟動報警電路。

④ 報警電路

過電壓檢測電路或者輸出電壓電流、溫度檢測電路發(fā)生異常導致狀態(tài)異常時電路電源無法自動切開，對用電設(shè)備造成傷害，單片機控制報警電路執(zhí)行；同時，將報警信息傳遞給通信設(shè)備（APP）。

1.2 手機APP客戶端

手機APP客戶端，是基于Android開發(fā)平臺，采用Java語言設(shè)計的[3]。通過操作手機APP客戶端，實時監(jiān)控家用電器的運行狀態(tài)，下傳操作指令控制不同的家用電器，查看家用電器使用日志和耗電情況。

圖2 APP操作頁面

手機APP操作界面圖如圖2所示，打開手機APP客戶端，進入登錄界面，登錄家庭賬戶，選擇并綁定進行遠程控制的家庭。輸入要WIFI路由器的名稱及密碼，智能家用電器開關(guān)控制系統(tǒng)自動搜索并連接到WIFI路由器，連接以后即可使用手機對接入智能家用電器開關(guān)控制系統(tǒng)的家用電器進行遠程控制。

1.3 服務(wù)器端

服務(wù)器端，是家用電器與手機APP客戶端進行信息通訊的媒介。采用服務(wù)器和廣域網(wǎng)通訊方式，消除距離限制，只要是有網(wǎng)絡(luò)的地方即可上傳和下載數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對家用電器的遠程監(jiān)控。

從服務(wù)器端可以查看家用電器的設(shè)備日志和使用情況，其中設(shè)備日志記錄了手機APP客戶端下達到家用電器的控制指令以及家用電器主動上報到手機APP客戶端的設(shè)備信息；除此之外，服務(wù)器端記錄了家用電器的使用情況，包括啟動時間、持續(xù)時間、使用次數(shù)等等，以便進行定時維護和故障排查；也可通過手機APP客戶端查看近期家用電器的耗電情況，包括電流，功率和耗電量等等，以提高家用電器的合理使用和及時發(fā)現(xiàn)故障。

2 系統(tǒng)調(diào)試

通過前面的制作過程，得到完整實物電路和手機APP客戶端并進行調(diào)試，調(diào)試過程主要包括：嵌入式控制電路單獨功能調(diào)試、手機APP客戶端和服務(wù)器連接調(diào)試、嵌入式控制電路和服務(wù)器連接調(diào)試、整體結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化。其中，嵌入式控制電路調(diào)試主要檢驗硬件電路能否實現(xiàn)輸出電壓電流檢測、過電壓監(jiān)測、溫度檢測以及報警功能，該步驟對實現(xiàn)開關(guān)控制系統(tǒng)功能多樣性起到關(guān)鍵作用；手機APP客戶端和服務(wù)器連接調(diào)試、嵌入式控制電路和服務(wù)器連接調(diào)試實現(xiàn)嵌入式控制電路和手機APP客戶端通過服務(wù)端進行溝通和信息傳遞；整體結(jié)構(gòu)改進優(yōu)化主要是在成功實現(xiàn)預(yù)期功能基礎(chǔ)上進一步提高工作響應(yīng)速度、穩(wěn)定性。

通過嵌入式控制電路，完成對家用電器運行狀態(tài)的檢測并上報至服務(wù)器，服務(wù)器再將數(shù)據(jù)傳輸至手機APP客戶端。同時，可以執(zhí)行從服務(wù)器下傳的操作指令，進行不同家用電器的開關(guān)控制，最終實現(xiàn)使用安卓智能手機作為控制終端，遠程控制家用電器開關(guān)的功能。調(diào)試結(jié)果表明：采用互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，把家用電器、各類傳感器和用戶的手機等通過服務(wù)器的方式聯(lián)接在一起，實現(xiàn)外網(wǎng)終端訪問內(nèi)網(wǎng)設(shè)備，進而實現(xiàn)在有網(wǎng)絡(luò)信號的地方就可以隨心所欲地操控家用電器，讓智能家居真正走出家門。

3 結(jié)束語

本設(shè)計將家用電器、嵌入式控制電路、WIFI路由器、服務(wù)器端及手機APP客戶端組成了基于APP的智能家用電器開關(guān)控制系統(tǒng)。根據(jù)前期的電路仿真和實物測試優(yōu)化，成功采用互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，把家用電器、各類傳感器和用戶的手機等通過服務(wù)器的方式聯(lián)接在一起，實現(xiàn)外網(wǎng)終端訪問內(nèi)網(wǎng)設(shè)備，進而實現(xiàn)在有網(wǎng)絡(luò)信號的地方就可以隨心所欲地操控家用電器，達到預(yù)期設(shè)計的目標。所設(shè)計的電路簡單，實物小巧，符合當前智能家居的潮流。操作方便，安全快捷，能夠準確地實現(xiàn)所需要的功能，具有極大的實用價值和發(fā)展前景。