基于物聯網技術的智能開關設計

張大權

摘要：伴隨網絡技術和數字信息化技術的飛速發展和進步，人們的生活質量水平不斷提升，人類生活、工作、信息和通訊的關系越來越密切，信息化程度加速了對人們工作習慣和生活方式等的改變，也對傳統住宅提出更高要求，因此產生了基于物聯網技術的智能家居系統。文中主要基于智能家居系統和物聯網技術的概念、智能家居系統技術要求，進行基于物聯網技術的智能開關設計。

關鍵詞：物聯網技術；智能家居；應用；改變；發展

1 研究背景及意義

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，一次次地推動著信息產業的發展和革新。物聯網在智能家居領域的應用也正是伴隨著新興技術的不斷涌現應運而生。智能家居將讓用戶有更方便的手段來管理家庭設備，比如，通過觸摸屏、無線遙控器、電話、互聯網或者語音識別控制家用設備，更可以執行場景操作，使多個設備形成聯動；另一方面，智能家居內的各種設備相互間可以通訊，不需要用戶指揮也能根據不同的狀態互動運行，從而給用戶帶來最大程度的高效、便利、舒適與安全。

2 智能開關主要設計

（1）需求分析。場景1：晚上睡覺前，發現其他房間燈還亮著，但躺在床上懶得動。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。場景3：半夜起床，摸黑去打開其他房間的燈。

（2）設計思路。上述場景在日常生活中時時存在，但目前家電市場的產品大都價格昂貴，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械開關節約資本，但在追求高品質生活的今天，機械開關的使用明顯是和品質生活相違背的。是否可以開發一種低價而又穩定的智能開關，把家里的用電器連起來，在無線網絡或者蜂窩移動數據下，通過Pad或者智能手機來控制這個智能開關，從而控制所用用電設備的開通與關斷。

（3）器件選擇。在實驗階段考慮器件的成本與穩定性，選擇51單片機作為主控，它有4路GPIO接口，有專門的串口通信接口，可以通過串口與WiFi接收器相連，這樣就是有了兩種可行性，一是通過WiFi接收器直接與手機相連，二是與家里的無線路由器相連，并把數據上傳到服務器，手機通過APP軟件連接到服務器。這兩種方式用戶就可以通過點擊手機的按鍵來實現對家里用電器的控制，家里用電器在收到控制指令后，將數據返回，手機APP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據的安全性，在數據格式上設立了編號與密碼，即各個用戶在同一個服務器下面，用戶只能控制自己家的用電器。在開關方面需要做繼電器模塊，即用單片機發送控制信號給繼電器，以實現相應的開關控制。

（4）軟硬件設計。

硬件部分：用一穩壓器以保證輸出電壓穩定，51單片機作控制器，用n個繼電器和LED燈組成各個用電設備的物聯網開關，同時用到n個常規開關以便直接控制某一或某幾個用電器。

軟件部分：程序均以C語言編寫，終端控制以手機為主，可以在手機上做控制繼電器的APP，共設n個按鍵分別對應控制n個繼電器。全過程在無線局域網范圍內實現。

在模擬實驗中，成本是非常低價的，由此我們便可以看出，若想實現智能化，使生活更加舒適便捷是非常廉價和容易的。因此，基于物聯網技術的智能開關具有一定的可行性、安全性和普及的可靠性。

（5）服務器端。作為物聯網的遠程控制，需要做一個類似的服務端，這個服務端可以借助任何聊天軟件，在聊天軟件中預留一個端口，專門負責傳遞和接收遠程控制信號。當然也可以做一個專門的收發指令信號的軟件。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，這是不難實現的。

（6）安全性。安全問題是任何科學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，使用串口通信，并且在數據格式上設立了編號與密碼，即各個用戶在同一個服務器下面，用戶只能控制自己家的用電器。密碼包括報頭、校驗碼和報尾，三項內容必須完全匹配才能實現有效通信，否則通信無法完成。

相比以往物聯網作品的高度安全性，這也是智能開關的創新性與優越性。通常的物聯網產品都只是簡單地實現了控制，姑且實現了遠程使用4G網絡控制，但如果使用者的手機丟失會存在很多隱患，縱使手機有密碼鎖，但刷機解鎖也如探囊取物一般容易?；谶@樣的考慮，現針對不同的用戶，不同的部門，不同的場合想出了幾種解決方案：

a.設置用戶名和密碼，打開智能家居手機控制軟件時需輸入用戶名與密碼，用戶名與密碼不匹配的無法登錄進入，如果密碼輸入錯誤三次，將鎖定軟件。這些需要依托主服務器才能控制軟件的鎖定。b.與指紋識別結合，打開控制軟件時，需輸入指紋，匹配后方能打開。c.設置自毀系統操作，控制整套家居的不只是一部手機，一旦一部手機失竊，使用家庭其他成員的手機仍可啟動自毀，使控制程序亂碼，用電器不再受手機控制，以保證用電器或財產安全。d.綁定手機號，像登錄QQ或微信一樣，一旦丟失手機時手機控制軟件處于打開狀態，可以告知主服務器端，鎖定軟件。

隨著智慧城市的深入人心，科學技術的不斷進步，也隨著人們對更高生活質量的追求，家居的智能化將來一定會得到普及。每個城市基于智能家居系統的主服務端將來也一定能夠陸續的建設起來。所以，在這里給出一個思路，一套方案和一套體系。前期的實驗已經證明了其低成本的可行性?？v觀物聯網世界，它將人類數字化管理的范圍從虛擬信息世界延伸至實物世界，強化了實時處理和遠程控制能力，極大地擴展和豐富了現有的信息系統。本文設計的不僅是一個新型低成本智能開關，并且考慮到將這個產品延伸至遠程終端，借助現有的無線傳感、互聯網等眾多IT技術，實現遠程控制，更進一步的提升了自動化管理的處理性能和智能水平。它的維護簡單，安裝簡易，有很高的性價比，51單片機和繼電器結合足以實現的功能中，這可以說是具有一定創意，也具有很強的研究與思考性。

3 前景展望

當代，低碳環保的科學發展意識已經深入人心，構建節約型社會也是一大目標，這種智能開關不僅高度智能化，而且其最突出的特點是其成本之低，以如此低的成本實現高智能，充分說明研究智能家居的必要性和可行性。

參考文獻：

[1]沈蘇彬，范曲立，宗平，等.物聯網的體系結構與相關技術研究[J].南京郵電大學學報（自然科學版），2009，29（6）.

[2]劉蟬媛.基于物聯網的智能家居系統研究與實現[D].北京郵電大學，2012.

[3]金家紅，方旭，楊碧峰，等.家庭物聯網技術在智能家居系統的應用[J].現代電子技術，2013，36（10）：5658.