i_Switch智能家用开关系统的设计与实现

2016-09-01卓之淮付小霞徐州工程学院徐州江苏221018

电子制作 2016年10期

刘洋卓之淮付小霞王朋陈奎徐州工程学院徐州江苏 221018

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传统机械控制开关，功能简单、控制单一、布线困难、而且必须近距离操作，本文设计了一种基于物联网的结合传统与无线智控的开关系统；系统在传统机械开关的基础上，增加了触控开关和手机蓝牙开关，从而构成了三联开关系统；本系统可以方便用户随时随地的控制开关，同时系统搭载的显示模块可以实时的显示室内环境参数；系统可以为用户带来更好的体验，从而提升人们的生活质量。

蓝牙开关；触控开关；智控；实时；环境参数

0　引言

近年来，随着信息技术的发展，物联网技术、智能家居技术的飞速发展，新的智能产品也随之突飞猛进，相应的产业也在不断完善，人们在享受智能化产品的同时面临着传统机械开关已经不能和智能产品接轨，从而新型的智能开关系统随着智能产品的发展而发展，而这些为人们带来的不仅仅是操作的便利，同时也为人们在新时代享受这些智能化、人性化的设备提供可能。

传统的控制照明系统的方式存在控制不方便、布线困难，而且常规的开关控制难以满足进一步提高控制精度和节能的要求，在控制周期内，其控制量只有二个状态，要么接通，为一个固定常数值、要么断开，控制量为零，功能单一满足不了多元化的智能产品。从而传统的机械开关将被智能化的硬件和终端所替代。当今各种无线技术如蓝牙、红外、 Zigbee、Wi-Fi等技术的日益普遍以及智能手机的普及化，使得家用智能开关系统日趋网络化。

基于以上分析本文设计开发了一种基于物联网的i_Switch智能开关系统，用户通过直接操作或者使用手机的客户端，可以实现对开关设备的人性化调控。

图1　简单版的i_Switch智能开关电路

1　系统设计相关技术

1.1Android平台

Android是一种基于Linux内核的开放源代码操作系统，主要应用在移动设备，如手机/平板等，早期由Google设计开发，后来由谷歌联合的多个手机公司创建的开放手机联盟开发。

Android的架构是软件堆层，主要由3部分组成：底层是以为Linux 核心，主要是 c 语言开发，仅仅提供基本功能；中层包括函数库和虚拟机，由 C++开发；上层是相应的应用APP，包括界面、基本应用等，应用软件由开发人员编写。它具有开放性，允许设计人员自由获取修改源码，开发的应用程序无界限，在此平台上可以通用。

1.2无线bluetooth模块

蓝牙，是一种为各种终端设备提供短距离通信（一般10m内）的无线电技术。可以在手机/paid、笔记本等众多终端设备之间进行无线信息交换。蓝牙模块是指集成有蓝牙功能的芯片的基本电路的组合，主要用在无线网络通讯，大致可分为：数据传输模块（如BLKMD-BC04-B）、远程控制模块（如BLK-MDBC04-L）等。主要特点为：工作在免费频段，零费用、耗能低，广泛的应用于各行业，拥有良好的市场通用性。

1.3触控模块

触摸模块，触摸感应面板主流的技术是采用电容感应技术来实现其触摸感应的操作面板其坚固、耐磨损、可以绝缘、隔尘、隔水，而且外观美观新颖是科技发展进步的一种新兴产品。

触控开关一般是指应用触摸感应芯片原理设计的一种墙壁开关，是传统机械按键式墙壁开关的换代产品。能实现更智能化、操作更方便的触摸开关有传统开关不可比拟的优势，是目前家居产品的流行的一种装饰性开关。

2　系统设计及实现

本系统主要应用于家用开关，主要目的为最大便利的控制设备，把这些设备统一由主控芯片控制，解决传统的设备控制单一、模式单一等的问题，为用户带来全新的体验。那么在设计i_Switch系统应用时需要考虑以下问题：

1）多联性。本系统主要为用户提供便利的开关系统，传统的单一的开关控制是不满足现在的需求的，因此本设计通过继电器将传统机械开关，触控开关，手机蓝牙开关，三联在一起，从而实现三联开关控制的设计。

2）数据接入。考虑到资源的合理应用，当用户在家时使用手机端控制开关系统可以通过蓝牙数据传输，当用户距离控制系统较远时，而此时有需要控制开关系统，那么可以选择Wi-Fi作为数据传输通道。所以系统需要设置两种连接方式，预先给出相应的模块端口。

3）设备体积的大小。本系统开发的主要是针对智能家用开关，所以硬件设备尺寸大小必须满足国家开关尺寸标准，方便安装。同时用户也可以通过手机端进行控制，从而大大减小了设备占用的空间。

4）附加功能。用户界面应该简洁美观、方便操作、符合基本的用户习惯。同时也能够实时显示室内环境参数，多元化的功能更加方便了用户的生活，为用户提供更好的生活体验。

2.1系统功能模块的设计

在i_Switch智能家用开关系统中，用户可以直接通过传统机械开关，电容式触控开关和手机APP开关直接控制，三个开关能分别改变上一个开关状态，实现三联功能，同时还能够调节开关的PWM输出，进而控制电压，对灯组的亮度进行调节。在附加功能中使用的是stm32作为主控芯片，添加了室内环境参数的采集，视频留言，能够实时的在开关面板显示，同时增添了三色PWM的调节；可以进行彩灯的控制。并且操作板开关使用的是蓝牙无线控制，进而能够进行无线的操作。

系统主要包括三大类：控制核心开关、灯组设计、手机应用程序设计。

2.2系统的实现

1）硬件系统的实现

i-Switch基础版本智能控制电路通过STC12系列单片机作为处理器，控制电路主要包括继电器控制电路、蓝牙电路、电容触摸电路以及电源电路。

蓝牙作为无线通信模块，通过接受手机APP发送的指令并发送到单片机中，单片机从而控制继电器的吸合从而达到控制照明系统的功能；电容触控则是直接将信号发送到单片机进而控制继电器工作；本版本可实现传统的级联开关、蓝牙和电容触控开关分别对照明系统的控制且各自不受影响。如下图1

附加功能的系统设计：主控电路主要包括STC控制电路和ARM控制电路，SD卡模块，语音电路， lcd模块和摄像头电路以及各环境参数模块。

STM32或单片机触控模块和手机客户端蓝牙收发模块，通过无线或有线传输控制系统开关，实现功能。

在系统工作时要保证电源供电的稳定性，保证系统可以正常工作，在无线传输使用蓝牙技术，可以快速有效地处理命令，蓝牙的覆盖范围能够满足家居控制区域，以达到用户要求。

2）软件部分的实现

本设计中智能开关系统的可以使用手机APP进行控制，主要通过蓝牙技术进行数据传输，在整个操作过程中当手机蓝牙打开后进行蓝牙连接，连接成功后选择需要操作的开关，进行相应的操作项，从而将手机上的指令发送到主控制芯片中，实现相应的开关，调节功能。

3）开关外观设计实现

常用版本：本套开关除保留了传统开关的机械控制外，还设有触控开关同时控制灯组，如下图2左为基础版本的设计外观，附加版本：作为本智能开关的升级版本，此版本的最初设计外观如下图2右。