基于無線網絡的智能開關控制系統

楊瑞士，陳瑞保

（深圳市龍僑華實業有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

隨著科學技術的快速發展，在人們的日常生活中，融合了各種各樣的智能家居。各個家居企業逐漸推出了一系列的智能家居產品，搭建起智能家居的平臺，進一步實現了智能家居生產和智能家居平臺的高度結合，從而實現了對家居的遠程操控和智能化管理。但是在這一系列智能家居產品中很少的商家注意到家居中開關智能化的問題。通過對開關智能化的設計和研發，可以提高日常生活的安全，顯著降低了安全事故的發生率。

在大多數家庭中都有小孩和老人，需要對家庭中的各種閥門和開關進行嚴格管理和控制，以減少火災漏電情況事故的發生。智能家居平臺雖然可以實現對當前各種開關和閥門的遠程控制，但是在實際的生活中，人們還是會存在忘記開合開關的問題。因此就可以借助自動開關控制系統，對各種開關和閥門進行實時化的管理和控制。該種自動開關控制系統的工作原理是借助傳感器來對家中人口數量進行檢測，進而對家中的各種閥門和開關的狀態進行管控。簡單來說，智能開關控制系統提高了生活的安全度。在本文中重點研究了家庭中各類閥門開關器件的管理和控制，通過對家庭人員的識別來實時化的管控閥門和開關的開合狀態，最終來減少火災或者漏電情況的發生。

1 智能開關控制系統硬件框架的概述

1.1 智能開關控制系統的詳細分析

在智能開關控制系統中包含了主要控制板、第一第二發射板、信號接收和驅動板、人體檢測裝置、無線收發裝置以及相應的開關器件驅動裝置等。其中對人體數量檢測裝置的發射端一般設置在第一第二發射板中，相應的信號接收端設置在主要控制板和接收板中。無線信號的收發裝置的發射端安置在主要控制板中，接收端設置在驅動板上。與此同時，在驅動板上還設有開關器件驅動裝置，進一步將開關的驅動裝置與開關的器件進行結合。在主要控制板中，包括了主控、電源和數據顯示的板塊，其實就主要控制板、第一二發射板以及接收板的裝置設置在門框的兩邊區域中，并且高度要相同。在門框的邊緣區域中設置檢測大門實時狀態的傳感器，從而能夠通過感知大門的實時狀態來開啟相應的模式[1]。當大門處于閉合狀態時，就會開啟相應的節能模塊，關閉對家庭中各個系統的供電，并且在閉合供電之前系統會間隔5 ms時將相應的數據信息儲存到單機片的EPROM中，從而來保留閉合系統前各個家具的實時運行狀態信息。而當大門開啟后，單片機會自動讀取EPROM中的數據信息，根據以往各種智能家居的運行狀態數據來繼續運行。智能開關控制系統在運行中，如果運行周期較長或者家庭成員經過大門時，會在統計人口數量時出現差錯，這樣而導致對智能家居的供電出現差錯。此時就需要按智能開關控制系統中的清零按鈕即可改正該差錯，從而來進行后續的操作。但是智能開關控制系統的程序在日常運行中出現問題時，按故障處理按鈕即可快速對運行程序進行調整，保證運行的安全和穩定。

在當前智能開關控制系統主要控制板中，選擇的是XS128單片機，該種單機片的位數為16位，在工作中的頻率為20～40 MHz，在該單片機中還帶有了E'PROM、AD、IO、SPI等其他模塊，為后期其他功能模塊的開發設計奠定了堅實的基礎。

1.2 智能開關控制系統的傳感器模塊

智能開關控制系統中設置傳感器的主要目的是進一步確定出家庭成員的實際運動狀態和方向，一般選用紅外傳感器、激光器和超聲波來檢測行走方向，從而來實時化控制開關的開合狀態。如果選用了超聲波，只是要在大門中安裝超聲波傳感器的信號發射和接收裝置，安裝過程較為簡單，容易操作。但是該種傳感器也存在一些缺點，不能準確對家庭成員進行實時的辨認，會因為家庭成員的服裝和體型變化而產生一定的誤差檢測。而如果選用了紅外傳感器，這可以選用漫反射的安裝方式，還可以選用直射的安裝方式，優點較多，不會對日常生活造成影響，但缺點是錯誤率較高。如果選用了激光傳感器，也可以選用漫反射和直射的安裝方法，在經過大量的實驗研究中發現，選取直射的安裝方法可以減少出錯率，但是需要在大門的兩個邊框區域中設置相應的信號發射和接收裝置，安裝方式較為復雜[2]。

在發射端中需要對所發射出的光進行調制和處理，進一步對光進行調控，頻率為180 kHz，而波長為650 nm的光。在圖1中，MOD1可以發射出頻率為180 kHz波形的調制管，L1屬于激光管，可以發射出波長為650 nm的波段光。此時借助MOD1來對激光管發射出的波段光進行調制，最終調制為符合頻率和波長要求的調制光。

圖1 發射端電路圖

而在傳感器的接收端中，主要是接收發射器所發射出頻率為180 kHz以及波長為650 nm的調制光信號，其中在圖2中REC1對符合波長要求的調制光非常敏感，而且只能通過符合相應頻率要求的光傳感器。但是在實際運行的過程中會受到太陽光的影響，進而導致處理時出現誤差。其實就可以通過添加光攜帶的信號來解決該問題。在最終智能開關控制系統中選擇了在大門的兩邊區域中設置兩個激光管，分別發射和收集家庭成員的具體移動方向，從而根據移動方向控制開關的狀態。在實際安裝的過程中，發射傳感器選用了波長為650 nm的激光管，而在接收傳感器中選用了頻率為180 kHz光的傳感器，在整個激光管中，選用了頻率為180 kHz的調制管來對實際激光管的頻率進行管控。在該系統的正常運行過程中，如果接收管收到了波長為650 nm和頻率為180 kHz的調制光時，此時就會由高電平轉變為低電平，主控芯片接收到信號后，對家庭成員的數量進行判斷。

圖2 接收端電路圖

1.3 智能開關控制系統的開關器件控制器

智能開關控制系統的開關器件控制器主要包括了接收主控板信號的接收板塊（并有相應的地址信息）。當主要控制版所發射出的信號符合接收端的地址信息后，此時控制器中接收端電平輸出端會根據所發射出的信號來進一步對繼電器進行實時操作，實際管控家庭中各種開關的開合狀態。如果控制端出現錯誤，開啟控制器中的故障處理的開關，就可以關閉智能化控制系統的運行，從而來手動控制家庭中的各個開關的開合狀態，而不會受到該智能系統的影響[3]。

1.4 智能開關控制系統的節能以及故障處理模塊

在該智能開關控制系統中，節能板塊會自動檢測大門的開合狀態。如果大門屬于開啟狀態時，此時傳感器和主要控制板就會對家庭成員進出大門進行實時的檢測，并且將改變后的數據儲存在單片機的EPROM中，保存各種數據信息，便于后期維持智能家居的運行狀況。當大門處于閉合狀態時，就不需要傳感器和主控板工作，而直接斷開傳感器和主控板的供電，等到大門處于開啟狀態時，立即為傳感器和主控板供電，此時主板中XS128芯片根據讀取斷電時所存儲的數據信息來維持各種智能家居的運行狀態。如果傳感器在運行中出現計數差錯時，有兩種故障處理的方法。

（1）采用軟處理的方式，只需要按故障處理的按鈕，開啟故障程序，從而來改正計量家庭成員數量的錯誤，一直到人數正確時為止，同時并不會影響到程序的正常運行狀態。

（2）采用硬處理的方式，一般只有在無法改正程序中錯誤時才選擇該種硬處理的方法，此時需要借助復位按鈕來恢復程序運行，清除程序運行中的數據信息，重新開始計算，但是該種硬處理的方法會影響到程序的正常運行狀態，需要手動操作家庭中的各個開關和閥門的開合狀態，而無須受到程序的影響。

2 智能開關控制系統的軟件設計

2.1 軟件總框架的設計

在智能開關控制系統中軟件總框架主要分為兩部分，一部分是家庭成員數量的檢測，而另一部分是對可恢復故障的處理。

2.2 家庭成員數量檢測

在智能開關控制系統的家庭成員數量檢測中，主要是根據各個傳感器向單片機所傳輸的數據信號來進行計算人口的數量。需要大門兩個邊框區域中設置兩個傳感器，而且傳感器的高度應該相同，之后接通電源[4]。當傳感器的接收管、發射管二者之間沒有人體阻擋時，此時接收管的各個部位就會接收到發射管所發射出各項信息，進一步將高電平轉化輸出為低電平。借助光電傳感器判斷家庭成員是否出入的原理如圖3所示。

圖3 光電傳感器判斷家庭成員是否出入的原理圖

2.3 可恢復故障的處理

在智能開關控制系統中故障處理包含了兩種主要的處理方式。一種是可恢復故障，而另一種是不可恢復硬性故障。出現故障的原因有很多種，其中包括了物體經過傳感器時傳感器識別錯誤或者是家庭成員在所檢測范圍內的停留時間長而導致檢測失誤以及無線信號不穩定而造成的失誤。因此為了解決物體對傳感器信號造成的干擾，需要將傳感器安裝在0.5～1 m的范圍內。而只有在極短時間內兩個傳感器感受到相同方向的信號時，才會開始對人體數量的計數過程。但是如果遇到與人體信號相類似的物體時，還是會存在計量誤差。但計量過程受到非常大干擾時，需要手動控制開關和閥門的開合狀態。同時，智能開關控制系統中還有自恢復按鈕，如果家庭人口數量為0時，此時就可以通過該按鈕恢復系統的運行狀態[5]。

3 智能開關控制系統的實際應用分析

將設計好的智能開關控制系統應用到實際中，可以發現該系統在運行時可以準確測定出家里成員的具體移動方向，并根據家庭中的人口數量來實時掌控開關和閥門的開合狀態。在經過連續測試中，該系統運行的錯誤率為1%。大門處于閉合狀態時，就會斷開系統中的所有電源，進而關閉傳感器和無線器件的運行情況。

4 結 論

基于無線網絡的智能開關控制系統，操作簡單，可以實現對家庭中所有開關和閥門的開合狀態的實時化管控，通過檢測家庭成員的數量來進行開關的管控。但是極容易受到一些外界物體的干擾，導致計量人口數量時產生差錯。如果借助紅外線和攝像頭二者融合的方法，可以明顯地降低計量的誤差，提高計量的準確度，進一步保證日常生活的安全以及適應智能家居的運行。