基于手機(jī)終端的智能家居照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭小紅，莫思捷，彭嘉杰，葉秋東，周宇建

（1.廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院，湛江　524088；2.廣州航海學(xué)院，廣州　510725）

基于手機(jī)終端的智能家居照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭小紅1，莫思捷2，彭嘉杰1，葉秋東1，周宇建1

（1.廣東海洋大學(xué)信息學(xué)院，湛江524088；2.廣州航海學(xué)院，廣州510725）

0　引言

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，家居的信息化程度越來(lái)越高，人們希望隨時(shí)隨地控制家居，創(chuàng)造更加智能化、自動(dòng)化、人性化的居住環(huán)境。智能手機(jī)可通過(guò)藍(lán)牙、Wi-Fi、GSM等多種方式控制智能家電，為用戶提供多種交互方式，有效地克服傳統(tǒng)家居電器控制方式麻煩、功能單一、用戶體驗(yàn)差等缺陷［1］?；谑謾C(jī)終端的智能家居控制系統(tǒng)將成為未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

照明系統(tǒng)作為智能家居組成部分，對(duì)智能家居的整體研究有重大意義，本文提出了一個(gè)以單片機(jī)為輔，手機(jī)終端為主的智能家居照明控制方案，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于手機(jī)終端的智能家居照明系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)定時(shí)開(kāi)關(guān)、時(shí)間校準(zhǔn)和多模式控制，改善了控制的效率、提高用戶的生活體驗(yàn)；而且通過(guò)對(duì)周圍環(huán)境亮度的檢測(cè)，利用模糊技術(shù)自動(dòng)調(diào)整照明設(shè)備的亮度，使周圍環(huán)境保持適宜的照度，以達(dá)到有效利用自然光，節(jié)約電能的目的。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)以STC89C51單片機(jī)為核心，內(nèi)部嵌入節(jié)能照明模糊控制器，外部集成可控硅交流調(diào)壓調(diào)光模塊、時(shí)鐘模塊、光照度檢測(cè)模塊、藍(lán)牙自動(dòng)識(shí)別模塊、手機(jī)終端App模塊等，系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總設(shè)計(jì)框圖

系統(tǒng)基于Android系統(tǒng)編寫(xiě)App終端應(yīng)用程序，通過(guò)藍(lán)牙將手機(jī)命令發(fā)送給STC89C51單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)手機(jī)命令進(jìn)行處理得到照明終端的驅(qū)動(dòng)命令，再將驅(qū)動(dòng)命令通過(guò)相應(yīng)的接口模塊發(fā)出以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的終端照明設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居照明設(shè)備的定時(shí)開(kāi)關(guān)、時(shí)間校準(zhǔn)和多模式控制。而嵌在單片機(jī)內(nèi)的節(jié)能照明模糊控制器則通過(guò)光照數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)家居環(huán)境的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換作為模糊控制器的輸入，通過(guò)模糊計(jì)算得到最適宜的光照強(qiáng)度值并輸出給可控硅調(diào)光器，以自動(dòng)調(diào)節(jié)照明設(shè)備的光照強(qiáng)度，使家居處于最佳照明狀態(tài)。

2　硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件部分主要包括以STC系列STC89C51作為主控制器單元的最小系統(tǒng)、可控硅電壓控制電路、過(guò)零觸發(fā)電路、定時(shí)模塊、光照度檢測(cè)模塊以及藍(lán)牙通信模塊等。

2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)

系統(tǒng)選用了STC89C51單片機(jī)，這是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，最高工作時(shí)鐘頻率為80MHz，片內(nèi)含8K Bytes的可反復(fù)擦寫(xiě) 1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）。有32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫(xiě)口線，STC89C51單片機(jī)廣泛應(yīng)用于較復(fù)雜的系統(tǒng)控制場(chǎng)合［2］，如圖2所示。本設(shè)計(jì)單片機(jī)的最小系統(tǒng)有晶振模塊、復(fù)位模塊和電源模塊，主要完成家居光照數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、控制可控硅調(diào)光器完成光照調(diào)節(jié)等功能。

圖2　單片機(jī)最小系統(tǒng)圖

2.2可控硅電壓控制電路

WS100T10/WS100T20是一塊用于工頻 50Hz/ 60Hz交流控制系統(tǒng)的專用集成電路［3］，采用COMS工藝制造與外部交流脈沖同步的的全數(shù)控精密雙通道雙向可控硅移相觸發(fā)電路。其觸發(fā)角與交流電波形關(guān)系，如圖3所示。每個(gè)通道單獨(dú)控制，并提供多種控制方式以滿足用戶不同的應(yīng)用要求。芯片的主要特點(diǎn)有，采取低壓CMOS工藝制造，工作電壓為5V，移相角度為0-180，用戶控制方式可以自行選擇，通過(guò)制定的協(xié)議進(jìn)行通信，其通信時(shí)序如圖4所示。主要應(yīng)用于交流調(diào)壓、交流燈光控制，攝影燈充電控制，造型燈亮度控制，大小功率交流電加熱恒溫控制。本設(shè)計(jì)中利用WS100T10/WS100T20實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓調(diào)節(jié)從而控制燈的亮度。

圖3　觸發(fā)角與交流電波形關(guān)系圖

圖4　通信時(shí)序圖

2.3過(guò)零觸發(fā)電路

圖5中MOC3061為光電耦合雙向可控硅驅(qū)動(dòng)器［4］，也屬于光電耦合器的一種，用來(lái)驅(qū)動(dòng)雙向可控硅BCR并且起到隔離的作用，R6為觸發(fā)限流電阻，R7為BCR門極電阻，防止誤觸發(fā)，提高抗干擾能力。當(dāng)單片機(jī)80C51的 P1.0引腳輸出負(fù)脈沖信號(hào)時(shí) T2導(dǎo)通，MOC3061導(dǎo)通，觸發(fā)BCR導(dǎo)通，接通交流負(fù)載。另外，若雙向可控硅接感性交流負(fù)載時(shí)，由于電源電壓超前負(fù)載電流一個(gè)相位角，因此，當(dāng)負(fù)載電流為零時(shí)，電源電壓為反向電壓，加上感性負(fù)載自感電動(dòng)勢(shì)el作用，使得雙向可控硅承受的電壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電源電壓。雖然雙向可控A硅反向?qū)?，但容易擊穿，故必須使雙向可控硅能承受這種反向電壓。一般在雙向可控硅兩極間并聯(lián)一個(gè)RC阻容吸收電路，實(shí)現(xiàn)雙向可控硅過(guò)電壓保護(hù)，圖5中的C2、R8為RC阻容吸收電路。

圖5　過(guò)零檢測(cè)電路圖

2.4定時(shí)模塊

DS1302是一個(gè)可編程實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，可以提供秒、分、小時(shí)、日期、月、年等信息，并且還有軟件自動(dòng)調(diào)整的能力，擁有31 byte數(shù)據(jù)存儲(chǔ) RAM，采用串行 I/O通信方式，工作電壓2.0-5.5V；工作電流小于300nA；讀/寫(xiě)時(shí)鐘或RAM數(shù)據(jù)時(shí)有單字節(jié)傳送和多字節(jié)傳送方式兩種傳送方式［5］。DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片廣泛應(yīng)用于電話、傳真、便攜式儀器等產(chǎn)品領(lǐng)域，本設(shè)計(jì)用于照明定時(shí)，DS1302電路圖如圖6所示。

圖6　定時(shí)模塊電路圖

2.5光照度監(jiān)測(cè)模塊設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明的節(jié)能，最根本的問(wèn)題是要充分的利用自然光，從而減少電能的消耗，不同天氣情況對(duì)自然光照度影響不同［6］。本系統(tǒng)光照度檢測(cè)模塊由光敏電阻和PCF8591轉(zhuǎn)換器組成，用于光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換 （將光的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化），如圖7所示，然后把轉(zhuǎn)換后得到的電壓送入A/D轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再輸入單片機(jī)，嵌在單片機(jī)內(nèi)部的節(jié)能照明模糊控制器計(jì)算出光照強(qiáng)度的大小。

2.6藍(lán)牙控制模塊設(shè)計(jì)

藍(lán)牙技術(shù)是用于替代電纜或連線的短距離無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)支持多點(diǎn)傳輸［7］。它需要把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)以便在空間中傳輸，它采用的調(diào)制方式是高斯頻移鍵控。本系統(tǒng)采用HC-06從模塊，引出接口包括：VCC，GND，TXD，RXD，預(yù)留LED狀態(tài)輸出腳，單片機(jī)可通過(guò)該腳狀態(tài)判斷藍(lán)牙是否已經(jīng)連接，KEY引腳對(duì)從機(jī)無(wú)效。各引腳作用：TXD為發(fā)送端，一般表示為自己的發(fā)送端，正常通信必須接另一個(gè)設(shè)備的RXD。RXD為接收端，一般表示為自己的接收端，正常通信必須接另一個(gè)設(shè)備的TXD，藍(lán)牙模塊與單片機(jī)連接如圖8所示。

圖7　光照度檢測(cè)電路圖

圖8　藍(lán)牙模塊與單片機(jī)連接圖

3　軟件設(shè)計(jì)

智能照明控制系統(tǒng)的軟件分為Android App應(yīng)用軟件、照明設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件以及節(jié)能照明模糊控制器三部分。軟件適用于市場(chǎng)占有率最高的Android手機(jī)和Android平板電腦等移動(dòng)終端［8］。

3.1APP應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

采用Java開(kāi)發(fā)一款基于Android手機(jī)的 “智能家居照明”客戶端App應(yīng)用軟件，客戶端軟件控制主界面完成的功能包括開(kāi)關(guān)燈、時(shí)間設(shè)置和燈光多模式控制、照明設(shè)備管理。其中照明設(shè)備管理針對(duì)不同家庭添加他們實(shí)際的照明設(shè)備終端，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)照明設(shè)備進(jìn)行ID號(hào)分配，并將ID號(hào)與App控件綁定。以后一旦打開(kāi)設(shè)備，將自動(dòng)連接即可進(jìn)行智能控制（開(kāi)關(guān)控制、多模式控制、時(shí)間校準(zhǔn)和定時(shí)控制等）。

3.2照明設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)

受控終端初始化時(shí)將配置一個(gè)固定的物理地址，控制終端與受控設(shè)備連接，默認(rèn)進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)，可以提供多種模式（呼吸模式、手動(dòng)調(diào)節(jié)模式、定時(shí)模式）的控制方式［8］，例如家庭派對(duì)時(shí)候，可以選用呼吸模式；晚上睡覺(jué)和早晨起床可以選擇定時(shí)模式；平常學(xué)習(xí)可以選擇手動(dòng)模式，設(shè)置自己所需要的最佳的光照環(huán)境。照明設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖9所示。

圖9　照明設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件流程圖

3.3節(jié)能照明模糊控制器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)一個(gè)基于模糊邏輯的節(jié)能控制器，嵌入在單片機(jī)內(nèi)，通過(guò)光照數(shù)據(jù)采集模塊獲取實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度數(shù)值，將此數(shù)值與理想光照強(qiáng)度設(shè)定值相減，得到當(dāng)前誤差量，將該誤差量與前一誤差量相減得到誤差的變化量，然后對(duì)誤差和誤差的變化值模糊量化，查尋模糊控制表，得到模糊控制量，再將該模糊控制量乘以比例因子去模糊得到實(shí)際控制量，輸出到可控硅調(diào)光器實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的調(diào)節(jié)。節(jié)能照明模糊控制流程圖如圖10所示。

圖10　節(jié)能照明模糊控制流程圖

4　結(jié)語(yǔ)

智能家居是最近幾年的時(shí)尚熱潮，如何對(duì)傳統(tǒng)家居實(shí)現(xiàn)低成本、安全性、通用性、方便性及其可靠性地改造，是對(duì)智能家居能否更人性化設(shè)計(jì)的基本要求。本文提出的基于手機(jī)終端的智能家居照明系統(tǒng)不僅改善照明質(zhì)量，形成一個(gè)優(yōu)質(zhì)高效、經(jīng)濟(jì)、舒適、安全可靠、有益人們工作和生活的照明環(huán)境，而且可以有效利用自然光達(dá)到節(jié)約電能的目的，對(duì)家庭節(jié)能降耗有著重要的意義。

［1］姜宇航.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.吉林大學(xué)，2014.

［2］張亮亮.單片機(jī)最小系統(tǒng)的教學(xué)研究與設(shè)計(jì)［J］.科技風(fēng)，2014，18：20.

［3］張峰，丁軍懷.照明系統(tǒng)高精度交流調(diào)壓控制器的設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2014，11：62-64.

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［6］彭嘉杰，彭小紅，盧路路，蘇榮鑒.大學(xué)教室節(jié)能照明智能控制系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)，2014，11：68-71.

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［8］李濤.基于Android的智能家居APP的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.蘇州大學(xué)，2014.

Mobile Phone Terminal；Home Lighting；Time Switch；Automatic Pressure Regulating；Intelligent Control

Design of Smart Home Lighting Control System Based on Mobile Phone Terminal

PENG Xiao-hong1，MO Si-jie2，YE Qiu-dong1，ZHOU Yu-jian1
（1.College of Information Technology，Guangdong Ocean University，Zhanjiang 524088）2.Guangzhou Maritime Institute，Guangzhou 510725）

1007-1423（2015）31-0044-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.31.012

彭小紅（1968-），女，廣東高州人，碩士研究生，教授，研究方向?yàn)橹悄芸刂萍夹g(shù)及應(yīng)用

莫思捷（1994-），男，廣東高州人，大專，學(xué)生，研究方向?yàn)殡姎庾詣?dòng)化

彭嘉杰（1992-），男，廣東高州人，本科，學(xué)生，研究方向?yàn)橥ㄐ殴こ?/p>

葉秋東（1993-），男，廣東海豐人，本科，學(xué)生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)

周宇建（1993-），男，廣東汕頭人，本科，研究方向?yàn)樽詣?dòng)化

2015-10-13

2015-10-30

針對(duì)目前家居照明開(kāi)關(guān)的控制方式及其控制需求，提出一個(gè)以單片機(jī)為輔，手機(jī)終端為主的智能控制方案，并設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于手機(jī)終端的智能家居照明系統(tǒng)，系統(tǒng)可通過(guò)手機(jī)終端對(duì)家居照明電器進(jìn)行定時(shí)開(kāi)關(guān)、時(shí)間校準(zhǔn)和多模式控制，并可通過(guò)對(duì)周圍環(huán)境亮度的檢測(cè)，自動(dòng)調(diào)整照明設(shè)備的亮度，使家居環(huán)境保持適宜的照度，以達(dá)到有效利用自然光，節(jié)約電能的目的。

手機(jī)終端；家居照明；定時(shí)調(diào)壓；智能控制

廣東海洋大學(xué)2015教學(xué)成果培育項(xiàng)目（No.GDOU2014040638）、廣東海洋大學(xué)重點(diǎn)教改項(xiàng)目（No.XJG201401）、廣東省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（No.1056613020）

In view of the current control mode and control requirement of home lighting switch，proposes an intelligent control scheme，which is based on single chip microcomputer，and is designs and develops the mobile phone terminal.The system can be remotely through a mobile operator for home lighting time switch，automatic pressure regulating and multi-mode intelligent control time calibration，etc.，and can automatically adjust the brightness of the lighting，so that the surrounding environment to maintain appropriate illumination，in order to achieve effective use of natural light，saving energy.