基于无线网络的智能开关控制系统

杨瑞士，陈瑞保

（深圳市龙侨华实业有限公司，广东 深圳 518000）

0 引 言

随着科学技术的快速发展，在人们的日常生活中，融合了各种各样的智能家居。各个家居企业逐渐推出了一系列的智能家居产品，搭建起智能家居的平台，进一步实现了智能家居生产和智能家居平台的高度结合，从而实现了对家居的远程操控和智能化管理。但是在这一系列智能家居产品中很少的商家注意到家居中开关智能化的问题。通过对开关智能化的设计和研发，可以提高日常生活的安全，显著降低了安全事故的发生率。

在大多数家庭中都有小孩和老人，需要对家庭中的各种阀门和开关进行严格管理和控制，以减少火灾漏电情况事故的发生。智能家居平台虽然可以实现对当前各种开关和阀门的远程控制，但是在实际的生活中，人们还是会存在忘记开合开关的问题。因此就可以借助自动开关控制系统，对各种开关和阀门进行实时化的管理和控制。该种自动开关控制系统的工作原理是借助传感器来对家中人口数量进行检测，进而对家中的各种阀门和开关的状态进行管控。简单来说，智能开关控制系统提高了生活的安全度。在本文中重点研究了家庭中各类阀门开关器件的管理和控制，通过对家庭人员的识别来实时化的管控阀门和开关的开合状态，最终来减少火灾或者漏电情况的发生。

1 智能开关控制系统硬件框架的概述

1.1 智能开关控制系统的详细分析

在智能开关控制系统中包含了主要控制板、第一第二发射板、信号接收和驱动板、人体检测装置、无线收发装置以及相应的开关器件驱动装置等。其中对人体数量检测装置的发射端一般设置在第一第二发射板中，相应的信号接收端设置在主要控制板和接收板中。无线信号的收发装置的发射端安置在主要控制板中，接收端设置在驱动板上。与此同时，在驱动板上还设有开关器件驱动装置，进一步将开关的驱动装置与开关的器件进行结合。在主要控制板中，包括了主控、电源和数据显示的板块，其实就主要控制板、第一二发射板以及接收板的装置设置在门框的两边区域中，并且高度要相同。在门框的边缘区域中设置检测大门实时状态的传感器，从而能够通过感知大门的实时状态来开启相应的模式[1]。当大门处于闭合状态时，就会开启相应的节能模块，关闭对家庭中各个系统的供电，并且在闭合供电之前系统会间隔5 ms时将相应的数据信息储存到单机片的EPROM中，从而来保留闭合系统前各个家具的实时运行状态信息。而当大门开启后，单片机会自动读取EPROM中的数据信息，根据以往各种智能家居的运行状态数据来继续运行。智能开关控制系统在运行中，如果运行周期较长或者家庭成员经过大门时，会在统计人口数量时出现差错，这样而导致对智能家居的供电出现差错。此时就需要按智能开关控制系统中的清零按钮即可改正该差错，从而来进行后续的操作。但是智能开关控制系统的程序在日常运行中出现问题时，按故障处理按钮即可快速对运行程序进行调整，保证运行的安全和稳定。

在当前智能开关控制系统主要控制板中，选择的是XS128单片机，该种单机片的位数为16位，在工作中的频率为20～40 MHz，在该单片机中还带有了E'PROM、AD、IO、SPI等其他模块，为后期其他功能模块的开发设计奠定了坚实的基础。

1.2 智能开关控制系统的传感器模块

智能开关控制系统中设置传感器的主要目的是进一步确定出家庭成员的实际运动状态和方向，一般选用红外传感器、激光器和超声波来检测行走方向，从而来实时化控制开关的开合状态。如果选用了超声波，只是要在大门中安装超声波传感器的信号发射和接收装置，安装过程较为简单，容易操作。但是该种传感器也存在一些缺点，不能准确对家庭成员进行实时的辨认，会因为家庭成员的服装和体型变化而产生一定的误差检测。而如果选用了红外传感器，这可以选用漫反射的安装方式，还可以选用直射的安装方式，优点较多，不会对日常生活造成影响，但缺点是错误率较高。如果选用了激光传感器，也可以选用漫反射和直射的安装方法，在经过大量的实验研究中发现，选取直射的安装方法可以减少出错率，但是需要在大门的两个边框区域中设置相应的信号发射和接收装置，安装方式较为复杂[2]。

在发射端中需要对所发射出的光进行调制和处理，进一步对光进行调控，频率为180 kHz，而波长为650 nm的光。在图1中，MOD1可以发射出频率为180 kHz波形的调制管，L1属于激光管，可以发射出波长为650 nm的波段光。此时借助MOD1来对激光管发射出的波段光进行调制，最终调制为符合频率和波长要求的调制光。

图1 发射端电路图

而在传感器的接收端中，主要是接收发射器所发射出频率为180 kHz以及波长为650 nm的调制光信号，其中在图2中REC1对符合波长要求的调制光非常敏感，而且只能通过符合相应频率要求的光传感器。但是在实际运行的过程中会受到太阳光的影响，进而导致处理时出现误差。其实就可以通过添加光携带的信号来解决该问题。在最终智能开关控制系统中选择了在大门的两边区域中设置两个激光管，分别发射和收集家庭成员的具体移动方向，从而根据移动方向控制开关的状态。在实际安装的过程中，发射传感器选用了波长为650 nm的激光管，而在接收传感器中选用了频率为180 kHz光的传感器，在整个激光管中，选用了频率为180 kHz的调制管来对实际激光管的频率进行管控。在该系统的正常运行过程中，如果接收管收到了波长为650 nm和频率为180 kHz的调制光时，此时就会由高电平转变为低电平，主控芯片接收到信号后，对家庭成员的数量进行判断。

图2 接收端电路图

1.3 智能开关控制系统的开关器件控制器

智能开关控制系统的开关器件控制器主要包括了接收主控板信号的接收板块（并有相应的地址信息）。当主要控制版所发射出的信号符合接收端的地址信息后，此时控制器中接收端电平输出端会根据所发射出的信号来进一步对继电器进行实时操作，实际管控家庭中各种开关的开合状态。如果控制端出现错误，开启控制器中的故障处理的开关，就可以关闭智能化控制系统的运行，从而来手动控制家庭中的各个开关的开合状态，而不会受到该智能系统的影响[3]。

1.4 智能开关控制系统的节能以及故障处理模块

在该智能开关控制系统中，节能板块会自动检测大门的开合状态。如果大门属于开启状态时，此时传感器和主要控制板就会对家庭成员进出大门进行实时的检测，并且将改变后的数据储存在单片机的EPROM中，保存各种数据信息，便于后期维持智能家居的运行状况。当大门处于闭合状态时，就不需要传感器和主控板工作，而直接断开传感器和主控板的供电，等到大门处于开启状态时，立即为传感器和主控板供电，此时主板中XS128芯片根据读取断电时所存储的数据信息来维持各种智能家居的运行状态。如果传感器在运行中出现计数差错时，有两种故障处理的方法。

（1）采用软处理的方式，只需要按故障处理的按钮，开启故障程序，从而来改正计量家庭成员数量的错误，一直到人数正确时为止，同时并不会影响到程序的正常运行状态。

（2）采用硬处理的方式，一般只有在无法改正程序中错误时才选择该种硬处理的方法，此时需要借助复位按钮来恢复程序运行，清除程序运行中的数据信息，重新开始计算，但是该种硬处理的方法会影响到程序的正常运行状态，需要手动操作家庭中的各个开关和阀门的开合状态，而无须受到程序的影响。

2 智能开关控制系统的软件设计

2.1 软件总框架的设计

在智能开关控制系统中软件总框架主要分为两部分，一部分是家庭成员数量的检测，而另一部分是对可恢复故障的处理。

2.2 家庭成员数量检测

在智能开关控制系统的家庭成员数量检测中，主要是根据各个传感器向单片机所传输的数据信号来进行计算人口的数量。需要大门两个边框区域中设置两个传感器，而且传感器的高度应该相同，之后接通电源[4]。当传感器的接收管、发射管二者之间没有人体阻挡时，此时接收管的各个部位就会接收到发射管所发射出各项信息，进一步将高电平转化输出为低电平。借助光电传感器判断家庭成员是否出入的原理如图3所示。

图3 光电传感器判断家庭成员是否出入的原理图

2.3 可恢复故障的处理

在智能开关控制系统中故障处理包含了两种主要的处理方式。一种是可恢复故障，而另一种是不可恢复硬性故障。出现故障的原因有很多种，其中包括了物体经过传感器时传感器识别错误或者是家庭成员在所检测范围内的停留时间长而导致检测失误以及无线信号不稳定而造成的失误。因此为了解决物体对传感器信号造成的干扰，需要将传感器安装在0.5～1 m的范围内。而只有在极短时间内两个传感器感受到相同方向的信号时，才会开始对人体数量的计数过程。但是如果遇到与人体信号相类似的物体时，还是会存在计量误差。但计量过程受到非常大干扰时，需要手动控制开关和阀门的开合状态。同时，智能开关控制系统中还有自恢复按钮，如果家庭人口数量为0时，此时就可以通过该按钮恢复系统的运行状态[5]。

3 智能开关控制系统的实际应用分析

将设计好的智能开关控制系统应用到实际中，可以发现该系统在运行时可以准确测定出家里成员的具体移动方向，并根据家庭中的人口数量来实时掌控开关和阀门的开合状态。在经过连续测试中，该系统运行的错误率为1%。大门处于闭合状态时，就会断开系统中的所有电源，进而关闭传感器和无线器件的运行情况。

4 结 论

基于无线网络的智能开关控制系统，操作简单，可以实现对家庭中所有开关和阀门的开合状态的实时化管控，通过检测家庭成员的数量来进行开关的管控。但是极容易受到一些外界物体的干扰，导致计量人口数量时产生差错。如果借助红外线和摄像头二者融合的方法，可以明显地降低计量的误差，提高计量的准确度，进一步保证日常生活的安全以及适应智能家居的运行。