孟寶平　王隆寶　萬美琳　李岳彬　盧仕

摘 要：智能家居是家居行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，而智能開關(guān)又是其中非常重要的一環(huán)。市面上現(xiàn)有的智能開關(guān)控制方式單一，智能化有待提高?；诖?，文中基于51單片機和傳感器，設(shè)計一款具備遠程控制功能的紅外-聲-光控智能開關(guān)，完成了原型制作，并將該系統(tǒng)模擬應(yīng)用于對照明燈及監(jiān)控攝像頭的開關(guān)控制：光線充足時，光控開關(guān)斷開，照明燈不工作;有聲音或者外來紅外線時，聲控開關(guān)和紅外熱釋電感應(yīng)電子開關(guān)雙閉合，攝像頭工作;光線不足時，光控開關(guān)閉合，照明燈開啟有聲音振動或活體進入傳感范圍時，聲控開關(guān)和紅外熱釋電感應(yīng)電子開關(guān)雙閉合，攝像頭和照明燈同時工作;同時用戶可以通過藍牙在手機端對開關(guān)實現(xiàn)人為操控。

關(guān)鍵詞：智能家居;智能開關(guān);紅外-聲-光控;遠程控制;攝像頭;照明燈

中圖分類號：TP391文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）07-00-04

0 引 言

智能家居是今后家居領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢。行業(yè)的競爭日趨激烈，各大科技公司都在積極布局智能家居領(lǐng)域，并推出了一系列優(yōu)秀的產(chǎn)品。智能開關(guān)是智能家居發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，但是市面上智能開關(guān)類產(chǎn)品大多基于語音控制、手機APP控制或單一傳感器控制，例如西門子智能家居系統(tǒng)和小米智能家庭套裝。隨著行業(yè)的發(fā)展，控制的對象不斷擴展，控制的聯(lián)動場景要求不斷增高，智能家居包含的范圍逐漸涵蓋了監(jiān)控安防、燈光控制、窗簾控制、信息家電、場景聯(lián)動、地板采暖、健康保健等各個方面，現(xiàn)有的智能開關(guān)類產(chǎn)品已無法滿足要求。

為了解決上述問題，特設(shè)計一款智能開關(guān)來對復(fù)雜的家居系統(tǒng)實現(xiàn)有效的控制。為了實現(xiàn)這一目標，同時使用3個傳感器[1]：光敏傳感器、聲音傳感器和紅外熱釋電傳感器。通過三種傳感器的不同組合，可以實現(xiàn)不同的輸出狀態(tài)。對于模擬的照明-監(jiān)控開關(guān)而言：將聲控開關(guān)和紅外開關(guān)并聯(lián)，即可達到有活物闖入或有聲音信號時自動啟動監(jiān)控的目的;將聲控開關(guān)和光敏開關(guān)串聯(lián)，可以達到夜晚或光照不足時，照明燈自啟的目的[2]。此外，該設(shè)計的新穎之處在于照明開關(guān)既能如上述所說自動觸發(fā)，又能通過手機藍牙對此開關(guān)進行遠程控制，不僅能控制照明燈的亮滅，還能調(diào)節(jié)其亮度。因此，該設(shè)計對于目前智能家居開關(guān)控制的進一步優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義，具有廣闊的發(fā)展前景[3]。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計

如圖1所示，系統(tǒng)由控制模塊、傳感器模塊、藍牙模塊和開關(guān)模塊組成。圖2為系統(tǒng)的實物圖。該系統(tǒng)的控制核心為51單片機，其作用在于實現(xiàn)各個傳感器之間、傳感器與外部信號之間的聯(lián)動：當聲音傳感器和紅外熱釋電傳感器接收到外界的信號后，單片機會自動控制聲控開關(guān)和紅外開關(guān)閉合，進一步自行啟動監(jiān)控攝像頭;當光敏傳感器將光強信息傳至單片機后，單片機通過分析得到具體的光照強度數(shù)值，并與設(shè)定的光強閾值進行比較，只有當光強低于這一閾值，才會使光控開關(guān)閉合。藍牙模塊的使用使得該系統(tǒng)不只限于自啟動，并且可以用手機進行遠程控制，提高了系統(tǒng)的容錯性能。

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 硬件電路設(shè)計

如圖3所示，該系統(tǒng)的硬件部分主要是由51控制系統(tǒng)、整流穩(wěn)壓電路、繼電器模塊、傳感器模塊、藍牙模塊和開關(guān)模擬部分組成。

2.1.1 橋式整流電路設(shè)計

設(shè)計整流穩(wěn)壓電路的目的是為51系統(tǒng)、各種傳感器、繼電器模塊提供工作電壓。該電路主要由整流橋，濾波電容和降壓芯片7805組成[4]。由于電網(wǎng)電壓輸入為220 V交流，與各傳感器和控制系統(tǒng)所需的電壓數(shù)值差別很大，所以需要通過電源變壓器降壓后再對交流電壓進行處理，變壓器二次電壓的有效值決定于后面電路的需要[5]。如圖4所示，當變壓器二次電壓處于正半周并且數(shù)值大于電容兩端電壓時，二極管D1和D3導(dǎo)通，對2 000 μF電容進行充電。在理想情況下，當變壓器二次電壓升到峰值后電容開始放電，在一段時間內(nèi)uc下降的趨勢與二次電壓下降的趨勢相同，當二次電壓到某一數(shù)值后uc下降的趨勢低于二次電壓，此時uc大于二次電壓從而導(dǎo)致D1和D3截止，此后uc通過負載慢慢放電。當二次電壓負半周變化恰好大于uc時，D2和D4導(dǎo)通再次對C充電uc上升到峰值后下降，降到某一值后D2和D4截止，電容再次放電，放電到一定數(shù)值時D1和D3導(dǎo)通，繼續(xù)重復(fù)上述過程，從而達到了整流與濾波的作用。再經(jīng)過7805穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓作用，最終在輸出端輸出穩(wěn)定的5 V直流電。

2.1.2 聲控開關(guān)功能設(shè)計

本系統(tǒng)采用的聲控傳感器是LM393芯片，利用駐極體話筒采集周圍環(huán)境的聲音信號。模塊輸出為單路信號輸出，且輔以信號指示：當外界沒有聲音時，輸出信號為高電平，聲音指示燈不亮;當有聲音信號時，輸出信號為低電平，聲音指示燈亮。將其輸出端接至繼電器，即可實現(xiàn)外部的聲音信號自動觸發(fā)繼電器開關(guān)閉合的功能。

2.1.3 光控開關(guān)設(shè)計

本系統(tǒng)所選用的數(shù)字光強度模塊BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強度傳感器集成電路。這種集成電路可以根據(jù)收集的光線強度數(shù)據(jù)來調(diào)整液晶或者鍵盤背光燈的亮度。利用BH1750FVI的高分辨率可以探測較大范圍的光照強度變化，可測試光強范圍為0～65 535 Lux;傳感器內(nèi)置16 bit A/D轉(zhuǎn)換器，直接向外輸出數(shù)字值。不區(qū)分環(huán)境光源，接近于視覺靈敏度的分光特性?？蓪V泛的亮度進行1 Lux的精確測定。

如圖5所示為I2C總線時序圖，將51單片機作為主機，光強度傳感器作為從機。主機向從機寫入數(shù)據(jù)時，SDIN上的每一位數(shù)據(jù)在SCLK高電平期間被寫入從機。從主機角度出發(fā)，即是需要在SCLK低電平期間改變需要寫入的數(shù)據(jù)。當主機讀取從機數(shù)據(jù)時，從機在SCLK低電平期間將光照強度數(shù)據(jù)輸出到SDA總線上，且在SCLK的高電平期間保持光照強度數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。

2.1.4 紅外熱釋電感應(yīng)開關(guān)設(shè)計

本系統(tǒng)所使用的熱釋電探測器是一種新型的光熱探測器，它是基于熱電晶體的熱釋電效應(yīng)來探測輻射能量的器件。由于晶體存在宏觀的電偶極矩，在垂直于自發(fā)極化矢量Ps的晶體表面上產(chǎn)生面束縛電荷，一面是正束縛電荷，另一面是負束縛電荷。面束縛電荷電荷密度等于自發(fā)極化矢量Ps。由于外部自由電荷的中和作用，平常不能察覺面束縛電荷的存在。當晶體吸熱使溫度上升ΔT時（在居里溫度Tc以下），晶體分子固有的電偶極矩隨溫度變化而變化，使得宏觀的電偶極矩改變ΔPs，因而，原先被中和的晶體兩段面出現(xiàn)電量相等、符號相反的電荷ΔQ。然而，ΔQ也會逐漸被外部電荷中和，其平均壽命在秒至千秒數(shù)量級。當用斬波器調(diào)制入射光，使矩形光脈沖（周期小于ΔQ的平均壽命）作用到熱電晶體表面的黑吸收層上時，交變的ΔT使得晶體表面始終存在正比于入射光強的極化電荷，由于熱釋電信號正比于器件的升溫隨時間的變化率，因此它只能探測調(diào)制輻射。這類器件探測率高，是光熱探測器中性能最好的，因此得到了廣泛的應(yīng)用[6]。具體的測量原理為：人體進入其感應(yīng)范圍則輸出高電平（3.3 V），人體離開感應(yīng)范圍則輸出低電平（0 V），探測器可由跳線決定是從人體第一次進入范圍開始延時還是人體離開范圍開始延時，兩個電位器分別可以調(diào)節(jié)探測器的靈敏度和延時時間。

2.1.5 藍牙控制模塊功能設(shè)計

此開關(guān)系統(tǒng)采用HC-05藍牙串口通信模塊，是基于Bluetooth Specification V2.0 帶EDR藍牙協(xié)議的數(shù)傳模塊。無線的工作頻段為2.4 GHz ISM，調(diào)制方式是GFSK。模塊最大發(fā)射功率為4 dBm，板載PCB天線，可以實現(xiàn)10 m距離通信。設(shè)置MCU為主機，通信模塊為從機，配對碼一致，波特率一致，上電即可自動連接。且主機第一次連接后，會自動記憶配對對象[7]。此外，在手機端開發(fā)了控制界面，用戶可以自由選擇照明燈的亮滅和亮度。如圖6所示為手機端控制界面，不同的按鈕分別對應(yīng)斷開/開啟藍牙、打開/關(guān)閉照明、調(diào)亮/調(diào)暗照明的功能。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

如圖7所示，將該系統(tǒng)模擬應(yīng)用于照明燈和監(jiān)控的兩種開關(guān)控制。

對于照明開關(guān)的控制采用藍牙和傳感器雙控的方式：當系統(tǒng)初始化完成之后，先檢測是否有藍牙連接，若檢測到藍牙打開，則通過單片機將聲控開關(guān)和光控開關(guān)閉合，同時通過手機來控制燈的開關(guān)及亮暗程度。調(diào)節(jié)照明燈的明暗度是通過手機的信號使得單片機P12端口輸出的PWM波的占空比發(fā)生變化，間接地改變了照明電路兩端的電壓，實現(xiàn)了照明的亮暗變化;若藍牙沒有連接，則通過聲音傳感器和光強傳感器控制繼電器的通斷，進而自動控制照明燈亮滅：只有檢測到的光強低于閾值光強30 cd/m2且檢測到外部的聲音信號時，燈才會打開，延時2 s后自動熄滅。

攝像頭開關(guān)的控制利用了聲音傳感器和紅外熱釋電傳感器自動觸發(fā)開關(guān)的通斷：當檢測到有聲音信號或活體闖入時，便會立即啟動攝像頭，實現(xiàn)監(jiān)控安防的功能[8]。

3 系統(tǒng)功能測試

該系統(tǒng)的整體功能就是在警戒的狀態(tài)下，能夠及時對檢測到的聲、光、紅外信號作出反應(yīng)，并實現(xiàn)光線充足、有聲音振動或者活體闖入時，聲控開關(guān)和紅外熱釋電感應(yīng)開關(guān)雙閉合，攝像頭啟動;光線不足、有聲音振動或外來紅外線時，聲控開關(guān)和紅外熱釋電感應(yīng)電子開關(guān)雙閉合，智能家居和照明燈同時啟動;同時用手機對照明開關(guān)進行遠程控制的功能。整體測試結(jié)果為：在警戒模式下白天走進監(jiān)控范圍偽裝入侵，系統(tǒng)第一時間判斷到入侵行為并做出響應(yīng)，攝像頭啟動;晚上進行同樣的模擬，結(jié)果是照明開關(guān)和攝像頭被同時啟動;遠程控制功能也如期實現(xiàn)。各模塊和傳感器的測量結(jié)果見表1和表2所列。

由表1輸出電壓的測定結(jié)果可以看出，電橋電路對于交流220 V電壓的轉(zhuǎn)換效果比較好，誤差在2%以內(nèi)，且輸出的電壓滿足該系統(tǒng)的工作要求;表2表明紅外熱釋電傳感器的有效測量約為6.8 m。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計有效解決了目前市場上智能家居控制的若干問題，實現(xiàn)了對復(fù)雜的智能場景的控制，且同時兼?zhèn)渥詣佑|發(fā)和遠程控制兩種模式。該設(shè)計不僅增強了不同智能場景的聯(lián)動性，提高了控制系統(tǒng)的容錯率，而且簡化了系統(tǒng)的控制方式[9]。但仍可以在如下幾個方面進行修改完善，進而使得系統(tǒng)更加完善，人機交互性更強：

（1）手機控制不僅限于藍牙控制，也可以利用局域網(wǎng)加以控制;

（2）手機不僅可以對照明的亮暗進行控制，也可以對家居開關(guān)的工作模式進行設(shè)置;

（3）傳感器的種類可以根據(jù)需要適當擴展，提高系統(tǒng)控制的準確性[10]。

參考文獻

[1]王化祥，張淑英.傳感器原理及應(yīng)用[M].天津：天津大學(xué)出版社，2016.

[2]焦中平.照明燈聲光控制電路及制作[J].科教文匯，2007（5）：200.

[3] Nirmalie Wiratunga，Susan Craw，Bruce Taylor，et al. Case-based reasoning for matching smarthouse technology to people's needs[J]. Knowledge-based systems，2004，17（2）：139-146.

[4]華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006

[5]蘆濤.聲光控節(jié)能燈的制作[J].電子制作，2006（10）：63.

[6]楊亞豪，尤少軍，孫華青，等.基于熱釋電紅外傳感器的智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計[J].科技視界，2019（17）：27-28.

[7]邱明松，王望望.家用智能開關(guān)的設(shè)計與制作[J].計算機產(chǎn)品與流通，2019（7）：147.

[8]劉城龍.基于監(jiān)控的智能家居系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].長春：吉林大學(xué)，2015.

[9]王嘉鵬.嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用初探[J].信息化建設(shè)，2015（12）：93.

[10]張舉.基于嵌入式系統(tǒng)視角下的物聯(lián)網(wǎng)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2017（6）：196-197.