基于手机终端的智能家居照明控制系统设计

彭小红，莫思捷，彭嘉杰，叶秋东，周宇建

（1.广东海洋大学信息学院，湛江　524088；2.广州航海学院，广州　510725）

基于手机终端的智能家居照明控制系统设计

彭小红1，莫思捷2，彭嘉杰1，叶秋东1，周宇建1

（1.广东海洋大学信息学院，湛江524088；2.广州航海学院，广州510725）

0　引言

随着计算机和网络通信技术的迅速发展，家居的信息化程度越来越高，人们希望随时随地控制家居，创造更加智能化、自动化、人性化的居住环境。智能手机可通过蓝牙、Wi-Fi、GSM等多种方式控制智能家电，为用户提供多种交互方式，有效地克服传统家居电器控制方式麻烦、功能单一、用户体验差等缺陷［1］。基于手机终端的智能家居控制系统将成为未来发展的趋势。

照明系统作为智能家居组成部分，对智能家居的整体研究有重大意义，本文提出了一个以单片机为辅，手机终端为主的智能家居照明控制方案，设计开发了基于手机终端的智能家居照明系统，不仅实现定时开关、时间校准和多模式控制，改善了控制的效率、提高用户的生活体验；而且通过对周围环境亮度的检测，利用模糊技术自动调整照明设备的亮度，使周围环境保持适宜的照度，以达到有效利用自然光，节约电能的目的。

1　系统总体设计方案

本系统以STC89C51单片机为核心，内部嵌入节能照明模糊控制器，外部集成可控硅交流调压调光模块、时钟模块、光照度检测模块、蓝牙自动识别模块、手机终端App模块等，系统总设计框图如图1所示。

图1　系统总设计框图

系统基于Android系统编写App终端应用程序，通过蓝牙将手机命令发送给STC89C51单片机，单片机对手机命令进行处理得到照明终端的驱动命令，再将驱动命令通过相应的接口模块发出以驱动相应的终端照明设备，实现对家居照明设备的定时开关、时间校准和多模式控制。而嵌在单片机内的节能照明模糊控制器则通过光照数据采集模块对家居环境的光照强度数据进行实时采集，经数模转换作为模糊控制器的输入，通过模糊计算得到最适宜的光照强度值并输出给可控硅调光器，以自动调节照明设备的光照强度，使家居处于最佳照明状态。

2　硬件设计

本系统硬件部分主要包括以STC系列STC89C51作为主控制器单元的最小系统、可控硅电压控制电路、过零触发电路、定时模块、光照度检测模块以及蓝牙通信模块等。

2.1单片机最小系统

系统选用了STC89C51单片机，这是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8K Bytes的可反复擦写 1000次的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM）。有32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线，STC89C51单片机广泛应用于较复杂的系统控制场合［2］，如图2所示。本设计单片机的最小系统有晶振模块、复位模块和电源模块，主要完成家居光照数据的采集、转换、存储、控制可控硅调光器完成光照调节等功能。

图2　单片机最小系统图

2.2可控硅电压控制电路

WS100T10/WS100T20是一块用于工频 50Hz/ 60Hz交流控制系统的专用集成电路［3］，采用COMS工艺制造与外部交流脉冲同步的的全数控精密双通道双向可控硅移相触发电路。其触发角与交流电波形关系，如图3所示。每个通道单独控制，并提供多种控制方式以满足用户不同的应用要求。芯片的主要特点有，采取低压CMOS工艺制造，工作电压为5V，移相角度为0-180，用户控制方式可以自行选择，通过制定的协议进行通信，其通信时序如图4所示。主要应用于交流调压、交流灯光控制，摄影灯充电控制，造型灯亮度控制，大小功率交流电加热恒温控制。本设计中利用WS100T10/WS100T20实现系统电压调节从而控制灯的亮度。

图3　触发角与交流电波形关系图

图4　通信时序图

2.3过零触发电路

图5中MOC3061为光电耦合双向可控硅驱动器［4］，也属于光电耦合器的一种，用来驱动双向可控硅BCR并且起到隔离的作用，R6为触发限流电阻，R7为BCR门极电阻，防止误触发，提高抗干扰能力。当单片机80C51的 P1.0引脚输出负脉冲信号时 T2导通，MOC3061导通，触发BCR导通，接通交流负载。另外，若双向可控硅接感性交流负载时，由于电源电压超前负载电流一个相位角，因此，当负载电流为零时，电源电压为反向电压，加上感性负载自感电动势el作用，使得双向可控硅承受的电压值远远超过电源电压。虽然双向可控A硅反向导通，但容易击穿，故必须使双向可控硅能承受这种反向电压。一般在双向可控硅两极间并联一个RC阻容吸收电路，实现双向可控硅过电压保护，图5中的C2、R8为RC阻容吸收电路。

图5　过零检测电路图

2.4定时模块

DS1302是一个可编程实时时钟芯片，可以提供秒、分、小时、日期、月、年等信息，并且还有软件自动调整的能力，拥有31 byte数据存储 RAM，采用串行 I/O通信方式，工作电压2.0-5.5V；工作电流小于300nA；读/写时钟或RAM数据时有单字节传送和多字节传送方式两种传送方式［5］。DS1302实时时钟芯片广泛应用于电话、传真、便携式仪器等产品领域，本设计用于照明定时，DS1302电路图如图6所示。

图6　定时模块电路图

2.5光照度监测模块设计

要实现室内照明的节能，最根本的问题是要充分的利用自然光，从而减少电能的消耗，不同天气情况对自然光照度影响不同［6］。本系统光照度检测模块由光敏电阻和PCF8591转换器组成，用于光的测量、光的控制和光电转换 （将光的变化转换为电压的变化），如图7所示，然后把转换后得到的电压送入A/D转换模块进行转换，再输入单片机，嵌在单片机内部的节能照明模糊控制器计算出光照强度的大小。

2.6蓝牙控制模块设计

蓝牙技术是用于替代电缆或连线的短距离无线通信技术，实现设备间的无线数据传输，同时支持多点传输［7］。它需要把数字信号转换成模拟信号以便在空间中传输，它采用的调制方式是高斯频移键控。本系统采用HC-06从模块，引出接口包括：VCC，GND，TXD，RXD，预留LED状态输出脚，单片机可通过该脚状态判断蓝牙是否已经连接，KEY引脚对从机无效。各引脚作用：TXD为发送端，一般表示为自己的发送端，正常通信必须接另一个设备的RXD。RXD为接收端，一般表示为自己的接收端，正常通信必须接另一个设备的TXD，蓝牙模块与单片机连接如图8所示。

图7　光照度检测电路图

图8　蓝牙模块与单片机连接图

3　软件设计

智能照明控制系统的软件分为Android App应用软件、照明设备驱动软件以及节能照明模糊控制器三部分。软件适用于市场占有率最高的Android手机和Android平板电脑等移动终端［8］。

3.1APP应用软件设计

采用Java开发一款基于Android手机的 “智能家居照明”客户端App应用软件，客户端软件控制主界面完成的功能包括开关灯、时间设置和灯光多模式控制、照明设备管理。其中照明设备管理针对不同家庭添加他们实际的照明设备终端，系统自动对照明设备进行ID号分配，并将ID号与App控件绑定。以后一旦打开设备，将自动连接即可进行智能控制（开关控制、多模式控制、时间校准和定时控制等）。

3.2照明设备驱动软件设计

受控终端初始化时将配置一个固定的物理地址，控制终端与受控设备连接，默认进行时间校准，可以提供多种模式（呼吸模式、手动调节模式、定时模式）的控制方式［8］，例如家庭派对时候，可以选用呼吸模式；晚上睡觉和早晨起床可以选择定时模式；平常学习可以选择手动模式，设置自己所需要的最佳的光照环境。照明设备驱动软件设计流程图如图9所示。

图9　照明设备驱动软件流程图

3.3节能照明模糊控制器设计

设计一个基于模糊逻辑的节能控制器，嵌入在单片机内，通过光照数据采集模块获取实时光照强度数值，将此数值与理想光照强度设定值相减，得到当前误差量，将该误差量与前一误差量相减得到误差的变化量，然后对误差和误差的变化值模糊量化，查寻模糊控制表，得到模糊控制量，再将该模糊控制量乘以比例因子去模糊得到实际控制量，输出到可控硅调光器实现光照强度的调节。节能照明模糊控制流程图如图10所示。

图10　节能照明模糊控制流程图

4　结语

智能家居是最近几年的时尚热潮，如何对传统家居实现低成本、安全性、通用性、方便性及其可靠性地改造，是对智能家居能否更人性化设计的基本要求。本文提出的基于手机终端的智能家居照明系统不仅改善照明质量，形成一个优质高效、经济、舒适、安全可靠、有益人们工作和生活的照明环境，而且可以有效利用自然光达到节约电能的目的，对家庭节能降耗有着重要的意义。

［1］姜宇航.基于物联网的智能家居控制系统设计［D］.吉林大学，2014.

［2］张亮亮.单片机最小系统的教学研究与设计［J］.科技风，2014，18：20.

［3］张峰，丁军怀.照明系统高精度交流调压控制器的设计［J］.自动化与仪器仪表，2014，11：62-64.

［4］李琳，段瑞彬.一种低压TSC的过零触发电路设计［J］.工业控制计算机，2015，03：171-172.

［5］张宁丹，金桂.基于STC89C52单片机DS1302时钟芯片定时开关的设计与仿真［J］.现代电子技术，2013，08：4-6.

［6］彭嘉杰，彭小红，卢路路，苏荣鉴.大学教室节能照明智能控制系统［J］.现代计算机，2014，11：68-71.

［7］胡号，付绍洋，闵锋.基于蓝牙技术的空调遥控系统的设计与实现［J］.机电工程技术，2015，08：95-98.

［8］李涛.基于Android的智能家居APP的设计与实现［D］.苏州大学，2014.

Mobile Phone Terminal；Home Lighting；Time Switch；Automatic Pressure Regulating；Intelligent Control

Design of Smart Home Lighting Control System Based on Mobile Phone Terminal

PENG Xiao-hong1，MO Si-jie2，YE Qiu-dong1，ZHOU Yu-jian1
（1.College of Information Technology，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088）2.Guangzhou Maritime Institute，Guangzhou 510725）

1007-1423（2015）31-0044-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.31.012

彭小红（1968-），女，广东高州人，硕士研究生，教授，研究方向为智能控制技术及应用

莫思捷（1994-），男，广东高州人，大专，学生，研究方向为电气自动化

彭嘉杰（1992-），男，广东高州人，本科，学生，研究方向为通信工程

叶秋东（1993-），男，广东海丰人，本科，学生，研究方向为计算机科学与技术

周宇建（1993-），男，广东汕头人，本科，研究方向为自动化

2015-10-13

2015-10-30

针对目前家居照明开关的控制方式及其控制需求，提出一个以单片机为辅，手机终端为主的智能控制方案，并设计开发了基于手机终端的智能家居照明系统，系统可通过手机终端对家居照明电器进行定时开关、时间校准和多模式控制，并可通过对周围环境亮度的检测，自动调整照明设备的亮度，使家居环境保持适宜的照度，以达到有效利用自然光，节约电能的目的。

手机终端；家居照明；定时调压；智能控制

广东海洋大学2015教学成果培育项目（No.GDOU2014040638）、广东海洋大学重点教改项目（No.XJG201401）、广东省大学生创新创业训练计划项目（No.1056613020）

In view of the current control mode and control requirement of home lighting switch，proposes an intelligent control scheme，which is based on single chip microcomputer，and is designs and develops the mobile phone terminal.The system can be remotely through a mobile operator for home lighting time switch，automatic pressure regulating and multi-mode intelligent control time calibration，etc.，and can automatically adjust the brightness of the lighting，so that the surrounding environment to maintain appropriate illumination，in order to achieve effective use of natural light，saving energy.