智能家居是高科技光速發(fā)展的現(xiàn)代社會最熱門的話題之一，最終目的是通過網(wǎng)絡(luò)等信息化方法實(shí)現(xiàn)對家用電器等的智能化控制，使其能夠按照人們的設(shè)想去工作運(yùn)行，但卻不考慮距離的遠(yuǎn)近。智能化和遠(yuǎn)程控制是智能家居的兩大特色。目前，已經(jīng)有越來越多的企業(yè)和個(gè)人開始了對智能家居的研究。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，特別是藍(lán)牙通信技術(shù)的發(fā)展，智能家居系統(tǒng)可提供遙控、家電控制、照明控制、室內(nèi)外遙控、窗簾自控、防盜報(bào)警、電話遠(yuǎn)程控制及計(jì)算機(jī)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(fā)展已經(jīng)極大地優(yōu)化了人們的生活，基于單片機(jī)與移動(dòng)通信技術(shù)的藍(lán)牙無線家電開關(guān)控制系統(tǒng)已經(jīng)逐步在高端住宅場合得到了推廣和應(yīng)用并取得了一致的好評。
 

 

　　一、智能開關(guān)方案的工作原理

　　單片機(jī)，亦稱單片微電腦或單片微型計(jì)算機(jī)。它是把中央處理器(CPU)、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、輸入/輸出端口(I/O)等主要計(jì)算機(jī)功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。此智能家居控制系統(tǒng)以51單片機(jī)為核心，通過藍(lán)牙通信技術(shù)，把傳感器實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)反饋給智能手機(jī)終端控制平臺。智能手機(jī)控制平臺分析、處理收到的反饋數(shù)據(jù)，通過藍(lán)牙通信技術(shù)返回給51單片機(jī)相應(yīng)的指令信息。51單片機(jī)接收和解析指令，利用電路和各元器件(計(jì)數(shù)器、信號發(fā)生器等)發(fā)出相應(yīng)的電平信號。電磁繼電器接收給定的電平信號，并做出響應(yīng)，控制智能家用電器的開啟或關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)家用電器的自動(dòng)控制。系統(tǒng)的遙控是利用藍(lán)牙模塊，用戶可通過手機(jī)APP實(shí)時(shí)查看家用電器的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

　　二、智能開關(guān)所需的無線通信技術(shù)

　　在現(xiàn)代通信技術(shù)中，居民住宅使用的無線通信技術(shù)大多以藍(lán)牙通信和WiFi通信為主。相比較兩種無線通信技術(shù)，WiFi的信號更穩(wěn)定、傳輸距離更遠(yuǎn)、適用范圍更廣，但在智能家用電器開或關(guān)的使用過程中，運(yùn)用WiFi的話會比較麻煩，手機(jī)要不定時(shí)的連接不同的WiFi網(wǎng)絡(luò)，才能夠?qū)χ悄芗矣秒娖鬟M(jìn)行遙控，但藍(lán)牙能很好地彌補(bǔ)這一問題，手機(jī)可同時(shí)連接藍(lán)牙和WiFi，這就能使智能家用電器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的、可靠的多點(diǎn)控制。

　　本設(shè)計(jì)基于藍(lán)牙通信技術(shù)，以51單片機(jī)為核心。藍(lán)牙模塊采用工業(yè)級HC-05藍(lán)牙模塊完成手機(jī)藍(lán)牙指令的接收和通信，然后和單片機(jī)控制電路之間通過串口通信電路完成數(shù)據(jù)的傳輸。單片機(jī)控制單元通過解析所接收到的藍(lán)牙指令，然后對相應(yīng)的家用電器開關(guān)進(jìn)行開啟和關(guān)閉的操作。

　　三、智能開關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　3.1硬件電路設(shè)計(jì)

　　(1)單片機(jī)系統(tǒng)電路：考慮到經(jīng)濟(jì)性和控制精度需求，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)使用51單片機(jī)。該單片機(jī)擁有4KB的Flash存儲器、32根I/O線外部存貯器，2個(gè)16bit的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、5個(gè)中斷源、2個(gè)中斷優(yōu)先級和全雙工串行口，完全滿足本設(shè)計(jì)的控制需求。另外，51單片機(jī)在電子設(shè)計(jì)中有大量的應(yīng)用途徑，穩(wěn)定性較好，價(jià)格適中，兼容性好。

　　(2)驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)電路作為整個(gè)智能家居控制系統(tǒng)的重要組成部分，通過接收單片機(jī)控制單元對藍(lán)牙指令解析之后而發(fā)出的命令，來實(shí)現(xiàn)智能家居的開關(guān)控制。因此，它是不可或缺的一部分。對于驅(qū)動(dòng)機(jī)制的選擇，有三種不同的方法，雙向可控硅、三極管、電磁繼電器。

　　(a)雙向可控硅：雙向可控硅是一種性能較好的功率開關(guān)，擁有很大的驅(qū)動(dòng)能力，可用于交流無觸點(diǎn)開關(guān)使用。雖然雙向可控硅反向?qū)?，但容易擊穿，故必須使雙向可控硅能承受這種反向電壓。

　　(b)三極管：三極管可作為無觸點(diǎn)開關(guān)，具有電流放大的作用，可以用于功率放大。但大多數(shù)情況是使用其直流開關(guān)的功能，而且其反應(yīng)靈敏可以達(dá)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(dòng)開啟或關(guān)閉的功能的“新型開關(guān)”，并且擁有電氣隔離、轉(zhuǎn)換電路、安全保護(hù)、自動(dòng)調(diào)節(jié)等功能。

　　經(jīng)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(guān)使用。雙向可控硅可反向?qū)?，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(qiáng)電的控制原理，單片機(jī)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(shè)計(jì)

　　單片機(jī)和手機(jī)都是通過藍(lán)牙模塊之間進(jìn)行信號交換，需要編寫單片機(jī)程序和軟件程序，由單片機(jī)、藍(lán)牙模塊和繼電器來組成系統(tǒng)控制體系。

　　啟動(dòng)手機(jī)控制平臺(APP)并進(jìn)行初始化(復(fù)位)操作。啟動(dòng)家電終端藍(lán)牙模塊，指示燈為紅色(未匹配藍(lán)牙)。手機(jī)藍(lán)牙與家電終端藍(lán)牙模塊進(jìn)行對接完成藍(lán)牙匹配，指示燈變?yōu)榫G色。使用手機(jī)智能控制平臺發(fā)送“開”指令給家用電器(如空調(diào)、窗簾、熱水器等)，家電終端藍(lán)牙模塊接受并解析指令，通過串行通信把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)。單片機(jī)獲悉數(shù)據(jù)，產(chǎn)生相應(yīng)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(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能開關(guān)設(shè)計(jì)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(dòng)著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和革新。物聯(lián)網(wǎng)在智能家居領(lǐng)域的應(yīng)用也正是伴隨著新興技術(shù)的不斷涌現(xiàn)應(yīng)運(yùn)而生。智能家居將讓用戶有更方便的手段來管理家庭設(shè)備，比如，通過觸摸屏、無線遙控器、電話、互聯(lián)網(wǎng)或者語音識別控制家用設(shè)備，更可以執(zhí)行場景操作，使多個(gè)設(shè)備形成聯(lián)動(dòng);另一方面，智能家居內(nèi)的各種設(shè)備相互間可以通訊，不需要用戶指揮也能根據(jù)不同的狀態(tài)互動(dòng)運(yùn)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(fā)現(xiàn)其他房間燈還亮著，但躺在床上懶得動(dòng)。場景2：匆忙出門后隱隱感覺到家里的熱水器或是其他的用電器沒關(guān)。場景3：半夜起床，摸黑去打開其他房間的燈。

　　(2)設(shè)計(jì)思路。上述場景在日常生活中時(shí)時(shí)存在，但目前家電市場的產(chǎn)品大都價(jià)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(jī)械開關(guān)節(jié)約資本，但在追求高品質(zhì)生活的今天，機(jī)械開關(guān)的使用明顯是和品質(zhì)生活相違背的。是否可以開發(fā)一種低價(jià)而又穩(wěn)定的智能開關(guān)，把家里的用電器連起來，在無線網(wǎng)絡(luò)或者蜂窩移動(dòng)數(shù)據(jù)下，通過Pad或者智能手機(jī)來控制這個(gè)智能開關(guān)，從而控制所用用電設(shè)備的開通與關(guān)斷。

　　(3)器件選擇。在實(shí)驗(yàn)階段考慮器件的成本與穩(wěn)定性，選擇51單片機(jī)作為主控，它有4路G PIO接口，有專門的串口通信接口，可以通過串口與W iFi接收器相連，這樣就是有了兩種可行性，一是通過W iFi接收器直接與手機(jī)相連，二是與家里的無線路由器相連，并把數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，手機(jī)通過APP軟件連接到服務(wù)器。這兩種方式用戶就可以通過點(diǎn)擊手機(jī)的按鍵來實(shí)現(xiàn)對家里用電器的控制，家里用電器在收到控制指令后，將數(shù)據(jù)返回，手機(jī)A PP上的指示燈亮，用戶就可以知道電器是否供電了。在這一方面由于考慮數(shù)據(jù)的安全性，在數(shù)據(jù)格式上設(shè)立了編號與密碼，即各個(gè)用戶在同一個(gè)服務(wù)器下面，用戶只能控制自己家的用電器。在開關(guān)方面需要做繼電器模塊，即用單片機(jī)發(fā)送控制信號給繼電器，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的開關(guān)控制。

　　(4)軟硬件設(shè)計(jì)。硬件部分：用一穩(wěn)壓器以保證輸出電壓穩(wěn)定，51單片機(jī)作控制器，用n個(gè)繼電器和LE D燈組成各個(gè)用電設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)開關(guān)，同時(shí)用到n個(gè)常規(guī)開關(guān)以便直接控制某一或某幾個(gè)用電器。

　　軟件部分：程序均以C語言編寫，終端控制以手機(jī)為主，可以在手機(jī)上做控制繼電器的A PP，共設(shè)n個(gè)按鍵分別對應(yīng)控制n個(gè)繼電器。全過程在無線局域網(wǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

　　在模擬實(shí)驗(yàn)中，成本是非常低價(jià)的，由此我們便可以看出，若想實(shí)現(xiàn)智能化，使生活更加舒適便捷是非常廉價(jià)和容易的。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能開關(guān)具有一定的可行性、安全性和普及的可靠性。

　　(5)服務(wù)器端。作為物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程控制，需要做一個(gè)類似的服務(wù)端，這個(gè)服務(wù)端可以借助任何聊天軟件，在聊天軟件中預(yù)留一個(gè)端口，專門負(fù)責(zé)傳遞和接收遠(yuǎn)程控制信號。當(dāng)然也可以做一個(gè)專門的收發(fā)指令信號的軟件。即用戶先把指令傳遞給軟件平臺，再由軟件平臺傳遞給家中用電器，這是不難實(shí)現(xiàn)的。

　　(6)安全性。安全問題是任何科學(xué)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(shí)，使用串口通信，并且在數(shù)據(jù)格式上設(shè)立了編號與密碼，即各個(gè)用戶在同一個(gè)服務(wù)器下面，用戶只能控制自己家的用電器。密碼包括報(bào)頭、校驗(yàn)碼和報(bào)尾，三項(xiàng)內(nèi)容必須完全匹配才能實(shí)現(xiàn)有效通信，否則通信無法完成。

　　相比以往物聯(lián)網(wǎng)作品的高度安全性，這也是智能開關(guān)的創(chuàng)新性與優(yōu)越性。通常的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品都只是簡單地實(shí)現(xiàn)了控制，姑且實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程使用4G網(wǎng)絡(luò)控制，但如果使用者的手機(jī)丟失會存在很多隱患，縱使手機(jī)有密碼鎖，但刷機(jī)解鎖也如探囊取物一般容易?；谶@樣的考慮，現(xiàn)針對不同的用戶，不同的部門，不同的場合想出了幾種解決方案：

　　a.設(shè)置用戶名和密碼，打開智能家居手機(jī)控制軟件時(shí)需輸入用戶名與密碼，用戶名與密碼不匹配的無法登錄進(jìn)入，如果密碼輸入錯(cuò)誤三次，將鎖定軟件。這些需要依托主服務(wù)器才能控制軟件的鎖定。b.與指紋識別結(jié)合，打開控制軟件時(shí)，需輸入指紋，匹配后方能打開。c.設(shè)置自毀系統(tǒng)操作，控制整套家居的不只是一部手機(jī)，一旦一部手機(jī)失竊，使用家庭其他成員的手機(jī)仍可啟動(dòng)自毀，使控制程序亂碼，用電器不再受手機(jī)控制，以保證用電器或財(cái)產(chǎn)安全。d.綁定手機(jī)號，像登錄Q Q或微信一樣，一旦丟失手機(jī)時(shí)手機(jī)控制軟件處于打開狀態(tài)，可以告知主服務(wù)器端，鎖定軟件。

　　隨著智慧城市的深入人心，科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，也隨著人們對更高生活質(zhì)量的追求，家居的智能化將來一定會得到普及。每個(gè)城市基于智能家居系統(tǒng)的主服務(wù)端將來也一定能夠陸續(xù)的建設(shè)起來。所以，在這里給出一個(gè)思路，一套方案和一套體系。前期的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明了其低成本的可行性?？v觀物聯(lián)網(wǎng)世界，它將人類數(shù)字化管理的范圍從虛擬信息世界延伸至實(shí)物世界，強(qiáng)化了實(shí)時(shí)處理和遠(yuǎn)程控制能力，極大地?cái)U(kuò)展和豐富了現(xiàn)有的信息系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)的不僅是一個(gè)新型低成本智能開關(guān)，并且考慮到將這個(gè)產(chǎn)品延伸至遠(yuǎn)程終端，借助現(xiàn)有的無線傳感、互聯(lián)網(wǎng)等眾多IT技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，更進(jìn)一步的提升了自動(dòng)化管理的處理性能和智能水平。它的維護(hù)簡單，安裝簡易，有很高的性價(jià)比，51單片機(jī)和繼電器結(jié)合足以實(shí)現(xiàn)的功能中，這可以說是具有一定創(chuàng)意，也具有很強(qiáng)的研究與思考性。