i_Switch智能家用開關系統的設計與實現

劉 洋 卓之淮 付小霞 王 朋 陳 奎 徐州工程學院 徐州江蘇 221018

i_Switch智能家用開關系統的設計與實現

劉 洋 卓之淮 付小霞 王 朋 陳 奎 徐州工程學院 徐州江蘇 221018

傳統機械控制開關，功能簡單、控制單一、布線困難、而且必須近距離操作，本文設計了一種基于物聯網的結合傳統與無線智控的開關系統；系統在傳統機械開關的基礎上，增加了觸控開關和手機藍牙開關，從而構成了三聯開關系統；本系統可以方便用戶隨時隨地的控制開關，同時系統搭載的顯示模塊可以實時的顯示室內環境參數；系統可以為用戶帶來更好的體驗，從而提升人們的生活質量。

藍牙開關；觸控開關；智控；實時；環境參數

0　引言

近年來，隨著信息技術的發展，物聯網技術、智能家居技術的飛速發展，新的智能產品也隨之突飛猛進，相應的產業也在不斷完善，人們在享受智能化產品的同時面臨著傳統機械開關已經不能和智能產品接軌，從而新型的智能開關系統隨著智能產品的發展而發展，而這些為人們帶來的不僅僅是操作的便利，同時也為人們在新時代享受這些智能化、人性化的設備提供可能。

傳統的控制照明系統的方式存在控制不方便、布線困難，而且常規的開關控制難以滿足進一步提高控制精度和節能的要求，在控制周期內，其控制量只有二個狀態，要么接通，為一個固定常數值、要么斷開，控制量為零，功能單一滿足不了多元化的智能產品。從而傳統的機械開關將被智能化的硬件和終端所替代。當今各種無線技術如藍牙、紅外、 Zigbee、Wi-Fi等技術的日益普遍以及智能手機的普及化，使得家用智能開關系統日趨網絡化。

基于以上分析本文設計開發了一種基于物聯網的i_Switch智能開關系統，用戶通過直接操作或者使用手機的客戶端，可以實現對開關設備的人性化調控。

圖1　簡單版的i_Switch智能開關電路

1　系統設計相關技術

1.1Android平臺

Android是一種基于Linux內核的開放源代碼操作系統，主要應用在移動設備，如手機/平板等，早期由Google設計開發，后來由谷歌聯合的多個手機公司創建的開放手機聯盟開發。

Android的架構是軟件堆層，主要由3部分組成：底層是以為Linux 核心，主要是 c 語言開發，僅僅提供基本功能；中層包括函數庫和虛擬機，由 C++開發；上層是相應的應用APP，包括界面、基本應用等，應用軟件由開發人員編寫。它具有開放性，允許設計人員自由獲取修改源碼，開發的應用程序無界限，在此平臺上可以通用。

1.2無線bluetooth模塊

藍牙，是一種為各種終端設備提供短距離通信（一般10m內）的無線電技術。可以在手機/paid、筆記本等眾多終端設備之間進行無線信息交換。藍牙模塊是指集成有藍牙功能的芯片的基本電路的組合，主要用在無線網絡通訊，大致可分為：數據傳輸模塊（如BLKMD-BC04-B）、遠程控制模塊（如BLK-MDBC04-L）等。主要特點為：工作在免費頻段，零費用、耗能低，廣泛的應用于各行業，擁有良好的市場通用性。

1.3觸控模塊

觸摸模塊，觸摸感應面板主流的技術是采用電容感應技術來實現其觸摸感應的操作面板其堅固、耐磨損、可以絕緣、隔塵、隔水，而且外觀美觀新穎是科技發展進步的一種新興產品。

觸控開關一般是指應用觸摸感應芯片原理設計的一種墻壁開關，是傳統機械按鍵式墻壁開關的換代產品。能實現更智能化、操作更方便的觸摸開關有傳統開關不可比擬的優勢，是目前家居產品的流行的一種裝飾性開關。

2　系統設計及實現

本系統主要應用于家用開關，主要目的為最大便利的控制設備，把這些設備統一由主控芯片控制，解決傳統的設備控制單一、模式單一等的問題，為用戶帶來全新的體驗。那么在設計i_Switch系統應用時需要考慮以下問題：

1） 多聯性。本系統主要為用戶提供便利的開關系統，傳統的單一的開關控制是不滿足現在的需求的，因此本設計通過繼電器將傳統機械開關，觸控開關，手機藍牙開關，三聯在一起，從而實現三聯開關控制的設計。

2）數據接入。考慮到資源的合理應用，當用戶在家時使用手機端控制開關系統可以通過藍牙數據傳輸，當用戶距離控制系統較遠時，而此時有需要控制開關系統，那么可以選擇Wi-Fi作為數據傳輸通道。所以系統需要設置兩種連接方式，預先給出相應的模塊端口。

3）設備體積的大小。本系統開發的主要是針對智能家用開關，所以硬件設備尺寸大小必須滿足國家開關尺寸標準，方便安裝。同時用戶也可以通過手機端進行控制，從而大大減小了設備占用的空間。

4）附加功能。用戶界面應該簡潔美觀、方便操作、符合基本的用戶習慣。同時也能夠實時顯示室內環境參數，多元化的功能更加方便了用戶的生活，為用戶提供更好的生活體驗。

2.1系統功能模塊的設計

在i_Switch智能家用開關系統中，用戶可以直接通過傳統機械開關，電容式觸控開關和手機APP開關直接控制，三個開關能分別改變上一個開關狀態，實現三聯功能，同時還能夠調節開關的PWM輸出，進而控制電壓，對燈組的亮度進行調節。在附加功能中使用的是stm32作為主控芯片，添加了室內環境參數的采集，視頻留言，能夠實時的在開關面板顯示，同時增添了三色PWM的調節；可以進行彩燈的控制。并且操作板開關使用的是藍牙無線控制，進而能夠進行無線的操作。

系統主要包括三大類：控制核心開關、燈組設計、手機應用程序設計。

2.2系統的實現

1）硬件系統的實現

i-Switch基礎版本智能控制電路通過STC12系列單片機作為處理器，控制電路主要包括繼電器控制電路、藍牙電路、電容觸摸電路以及電源電路。

藍牙作為無線通信模塊，通過接受手機APP發送的指令并發送到單片機中，單片機從而控制繼電器的吸合從而達到控制照明系統的功能；電容觸控則是直接將信號發送到單片機進而控制繼電器工作；本版本可實現傳統的級聯開關、藍牙和電容觸控開關分別對照明系統的控制且各自不受影響。如下圖1

附加功能的系統設計：主控電路主要包括STC控制電路和ARM控制電路，SD卡模塊，語音電路， lcd模塊和攝像頭電路以及各環境參數模塊。

STM32或單片機觸控模塊和手機客戶端藍牙收發模塊，通過無線或有線傳輸控制系統開關，實現功能。

在系統工作時要保證電源供電的穩定性，保證系統可以正常工作，在無線傳輸使用藍牙技術，可以快速有效地處理命令，藍牙的覆蓋范圍能夠滿足家居控制區域，以達到用戶要求。

2）軟件部分的實現

本設計中智能開關系統的可以使用手機APP進行控制，主要通過藍牙技術進行數據傳輸，在整個操作過程中當手機藍牙打開后進行藍牙連接，連接成功后選擇需要操作的開關，進行相應的操作項，從而將手機上的指令發送到主控制芯片中，實現相應的開關，調節功能。

3）開關外觀設計實現

常用版本：本套開關除保留了傳統開關的機械控制外，還設有觸控開關同時控制燈組，如下圖2左為基礎版本的設計外觀，附加版本：作為本智能開關的升級版本，此版本的最初設計外觀如下圖2右。

圖2　簡單和娛樂版本的硬件樣式

3　結束語

隨著信息技術的發展，物聯網技術逐步的進入人們生活當中，傳統的單一的機械開關已經不能滿足人們日常生活的需要。本文設計開發基于物聯網的i_Switch只能開關裝置，用戶多樣化的對開關系統進行控制，同時增添了室內環境參數的采集顯示，更加豐富了人們生活，方便了人們的生活。

［1］呂紅海.基于Android的智能家居無線控制系統的設計與實現［D］.四川：電子科技大學，2012：23-29

［3］王群峰.基于無線網絡的智能照明系統研究［D］.河南：鄭州大學，2012：16-21.

［3］趙鵬飛.基于Android的無線智控LED照明系統的設計與實現 江蘇：徐州工程學院.

劉洋，出生日期：1992年，性別：男，籍貫：河南，主要從事電子信息工程方面的研究。