一種網(wǎng)絡(luò)化的家用智能化配電箱設(shè)計(jì)

張亞楠，陸一歌，殷業(yè)瑜，徐月葉指導(dǎo)教師：丁堯

（南京大學(xué)金陵學(xué)院，南京　210089）

一種網(wǎng)絡(luò)化的家用智能化配電箱設(shè)計(jì)

張亞楠，陸一歌，殷業(yè)瑜，徐月葉指導(dǎo)教師：丁堯

（南京大學(xué)金陵學(xué)院，南京210089）

0　引言

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的智能化配電箱以一個(gè)房間作為控制單元，設(shè)置一個(gè)支持AP功能的含控制器配電箱，對(duì)房間內(nèi)用電設(shè)備進(jìn)行控制，同時(shí)模擬遙控器對(duì)如空調(diào)電視等可遙控設(shè)備進(jìn)行遙控操作，對(duì)二次設(shè)備控制以實(shí)現(xiàn)對(duì)窗戶、窗簾的操作。

智能家居控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自控技術(shù)等在人居環(huán)境中的綜合應(yīng)用表現(xiàn)，隨著網(wǎng)絡(luò)和智能手機(jī)的普及，使得智能家居的推廣具有了理論技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，隨著人們生活節(jié)奏的加快和對(duì)生活質(zhì)量要求的提高，也使得智能家居控制系統(tǒng)具有一定的市場(chǎng)需求[1]。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)關(guān)于智能家居的控制多集中在對(duì)電路通斷的控制上，安裝方便，在取電和用電單元之間增加控制模塊即完成控制動(dòng)作。但其一對(duì)一的工作模式造成模塊體積大，控制對(duì)象和數(shù)量單一等不足，而且控制起來較麻煩，安裝影響美觀，因此推廣起來具有一定的難度。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

考慮到家庭使用的具體情況，本設(shè)計(jì)采用基于RT5350與Wi-Fi技術(shù)的一體化設(shè)計(jì)。主要包括如下四個(gè)部分：第一是智能家居中央控制系統(tǒng)、第二是無線通信與網(wǎng)絡(luò)中繼模塊、第三是傳感器信息采集與終端設(shè)備控制模塊、第四是人機(jī)交互界面。系統(tǒng)結(jié)果如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

從上圖可以看出，整個(gè)系統(tǒng)可以分為感知和操作兩個(gè)大類，其中感知包括：光照（亮度）、溫度、濕度、可燃?xì)怏w檢測(cè)、紅外線檢測(cè)五個(gè)部分，操作包括照明類的電氣通斷控制和報(bào)警類的驅(qū)動(dòng)控制。光照傳感器采集的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)會(huì)觸發(fā)智能家居控制部分對(duì)燈光調(diào)節(jié)的控制[2]。觸發(fā)空調(diào)的調(diào)節(jié)是由于溫濕度采集的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的智能控制。當(dāng)可燃?xì)怏w濃度超過安全范圍時(shí)就會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)。紅外線傳感器裝置在窗口與門口，用戶不在家時(shí)啟動(dòng)，當(dāng)有人進(jìn)入時(shí)就會(huì)觸發(fā)報(bào)警裝置，發(fā)送報(bào)警信息給用戶。

智能家居最常用的無線控制方式主要有紅外、藍(lán)牙、Wi-Fi三種[3]，而現(xiàn)有這三種常用的短距離無線通信技術(shù)不能滿足某些要求。Wi-Fi具有應(yīng)用廣泛，實(shí)際利用率高的優(yōu)點(diǎn)，可以快速讓人們上手，但藍(lán)牙、Wi-Fi如果應(yīng)用到智能家居領(lǐng)域較 ZigBee技術(shù)相比擴(kuò)展性能差[4]，一個(gè)網(wǎng)端最多對(duì)應(yīng)10個(gè)端口。而ZigBee的最大優(yōu)點(diǎn)就是能無限制地接入新的端口，嵌入到各種家居設(shè)備中，ZigBee通訊技術(shù)成本低、網(wǎng)絡(luò)容量大、工作頻段靈活、安全性能高等特點(diǎn)讓其在智能家居領(lǐng)域有很大的發(fā)揮空間。結(jié)合以上信息，本論文選擇用ZigBee無線通訊方式工作來實(shí)現(xiàn)家居的智能化控制。上述三種技術(shù)比較如表1所示。

表1　 Wi-Fi、ZigBee、Bluetooth三種技術(shù)比較

2　各智能模塊的硬件實(shí)現(xiàn)

本項(xiàng)目產(chǎn)品的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如上述圖1所示，可以分為家居控制、無線網(wǎng)絡(luò)通信、傳感信息采集、人機(jī)互動(dòng)平臺(tái)四個(gè)部分。光照傳感器采集的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)會(huì)觸發(fā)智能家居控制部分對(duì)燈光調(diào)節(jié)的控制。觸發(fā)空調(diào)的調(diào)節(jié)是由于溫濕度采集的相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的智能控制。當(dāng)可燃?xì)怏w濃度超過安全范圍時(shí)就會(huì)觸發(fā)報(bào)警系統(tǒng)。紅外線傳感器裝置在窗口與門口，用戶不在家時(shí)啟動(dòng)，當(dāng)有人進(jìn)入時(shí)就會(huì)觸發(fā)報(bào)警裝置，發(fā)送報(bào)警信息給用戶。

2.1組網(wǎng)通信模塊

關(guān)于組網(wǎng)所用的RT5350，是一種基于Wi-Fi的片上網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其與目前常用的ZigBee、Bluetooth技術(shù)的比較如表2所示。綜合來看，基于Wi-Fi的通信技術(shù)比較適合目前家用智能系統(tǒng)的組網(wǎng)要求。

2.2傳感器電路設(shè)計(jì)

傳感器主要感知家中環(huán)境，為智能家居的動(dòng)作作業(yè)提供判斷依據(jù)。主要包括溫濕度傳感器、光照傳感器、紅外傳感器、氣體檢測(cè)模塊、蜂鳴報(bào)警等模塊。

表2　 Wi-Fi、ZigBee、Bluetooth參數(shù)對(duì)比

2.2傳感器電路設(shè)計(jì)

傳感器主要感知家中環(huán)境，為智能家居的動(dòng)作作業(yè)提供判斷依據(jù)。主要包括溫濕度傳感器、光照傳感器、紅外傳感器、氣體檢測(cè)模塊、蜂鳴報(bào)警等模塊。

（1）溫濕度監(jiān)測(cè)

溫濕度檢測(cè)采用SHT11模塊，該模塊提供數(shù)字串口、接口簡(jiǎn)單、可靠性高、集成度高[5]，溫度和濕度的感測(cè)信號(hào)變換都集成在一個(gè)芯片上，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

SHT11溫濕度傳感器的驅(qū)動(dòng)程序要實(shí)現(xiàn)初始化、讀操作、寫操作以及線性校正的功能。初始化函數(shù)首先就是要完成傳感器的硬件初始化工作：首先，通過I/O引腳打開傳感器電源開關(guān)[6]。其次，等待傳感器度過11ms休眠期。在等待的期間，RT5350不向傳感器發(fā)送任何命令，并保持I/O端口寄存器配置不變，以確保數(shù)總線穩(wěn)定。

其基本設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　溫濕度傳感器電路圖

其工作流程為：SHT11上電后需要11ms的休眠期，隨后RT5350發(fā)送采集啟動(dòng)指令，進(jìn)行溫度測(cè)量、相對(duì)濕度測(cè)量并進(jìn)行校驗(yàn)和線性校正。其工作流程如圖3所示。

圖3　溫濕度監(jiān)測(cè)模塊工作流程圖

（2）光照亮度監(jiān)測(cè)

光線傳感采用BH1750FVI模塊，其分辨率高，可以完成大范圍的光照強(qiáng)度變化檢測(cè)，輸出對(duì)應(yīng)亮度的數(shù)字值，智能家居系統(tǒng)可以根據(jù)亮度變化，線性調(diào)節(jié)家中照片以實(shí)現(xiàn)恒光控制。BH1750FVI電路如圖4所示，其工作流如圖5所示。

圖4　光照亮度監(jiān)測(cè)電路圖

圖5　光照亮度監(jiān)測(cè)工作流程圖

（3）紅外入侵監(jiān)測(cè)

入侵監(jiān)測(cè)主要通過RE200B與BISS0001組合構(gòu)成紅外設(shè)施熱釋電模塊，該模塊通過外接少量元器件就可以與RT5350構(gòu)成人體紅外檢測(cè)模塊，該模塊通過外加菲涅爾透鏡延長(zhǎng)探測(cè)半徑，探測(cè)半徑理論可以達(dá)到10m，并且提高檢測(cè)精度。該模塊電路如圖6所示，工作流程如圖7所示。

圖6　紅外入侵監(jiān)測(cè)模塊電路圖

圖7　入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作流程圖

（4）氣體檢測(cè)模塊

氣體檢測(cè)，特別是可燃?xì)怏w檢測(cè)是家庭安防的重要組成部分，本系統(tǒng)采用MQ-X檢測(cè)器可以完成對(duì)可燃?xì)怏w的檢測(cè)，當(dāng)MQ-X元件檢測(cè)到可燃?xì)怏w超過警戒值時(shí)，DOUT引腳輸出低電平，通過與外部連接完成報(bào)警。該模塊電路如圖8所示，工作流程如圖9所示。

圖8　氣體檢測(cè)模塊電路圖

圖9　氣體檢測(cè)模塊工作流程圖

（5）報(bào)警系統(tǒng)

報(bào)警系統(tǒng)主要是當(dāng)智能家居的傳感器監(jiān)測(cè)到有異常時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，進(jìn)而觸發(fā)相關(guān)報(bào)警設(shè)備發(fā)出聲光等報(bào)警動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭的安防工作。本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)平臺(tái)通過輸出信號(hào)來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警。具體電路如圖10所示，工作流程如圖11所示。

圖10　報(bào)警系統(tǒng)簡(jiǎn)易電路

圖11　報(bào)警系統(tǒng)工作流程圖

3　結(jié)語(yǔ)

本文主要通過對(duì)一種網(wǎng)絡(luò)化的家用智能化配電箱設(shè)計(jì)的大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目的研究背景做出了相應(yīng)的分析，對(duì)智能家居的發(fā)展前景進(jìn)行展望，提出以RT53550為核心的智能家居系統(tǒng)，并結(jié)合多方面知識(shí)完成對(duì)該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思路，進(jìn)而整理出本文的內(nèi)容分布。

首先通過對(duì)智能家居系統(tǒng)的需求分析，提出系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架。結(jié)合設(shè)計(jì)框架完成系統(tǒng)功能模塊架構(gòu)，然后對(duì)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行比較，從技術(shù)特性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方面選擇Wi-Fi技術(shù)為本系統(tǒng)核心。其次，分析了智能家居系統(tǒng)硬件組成。對(duì)本系統(tǒng)主要通信芯片RT5350與各個(gè)傳感器芯片進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹。完成RT5350外圍電路、傳感器電路、報(bào)警電路等主要電路設(shè)計(jì)，完成各檢測(cè)模塊選型。其中傳感器電路設(shè)計(jì)主要包括溫濕度傳感器、光照傳感器、紅外傳感器、氣體檢測(cè)模塊、蜂鳴報(bào)警等模塊。通過對(duì)上述各個(gè)模塊原理及工作流程的分析，完成該創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。

[1]田豐慶.家居智能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京理工大學(xué).2011.

[2]董偉.通信電源、空調(diào)集中監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].河北工業(yè)大學(xué).2008.

[3]王晴天.基于ZigBee和以太網(wǎng)的家居信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].鄭州大學(xué).2014.

[4]郭杰翔,李曉白，路輝.自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試適配器通用端口的自動(dòng)設(shè)計(jì)[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2008,(2):127-132.

[5]黃慧鋒.CMOS兼容濕度傳感器封裝的研究[D].東南大學(xué)，2005.

[6]高英明.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能量管理技術(shù)與理論研究[D].大連理工大學(xué)，2009.

[7]孫浩博.基于紅外傳感器的LED智能隧道燈具[J].城市建設(shè)理論研究，2013(12).

Intelligent Home;Control;Intelligent Distribution

A Network of Household Intelligent Distribution Box

ZHANG YA-nan，LU Yi-ge，YIN Ye-yu，XU Yue-ye Counselor：DING Yao
（Nanjing University Jinling College，Nanjing 210089）

江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃資助項(xiàng)目（No.201513646007Y）

2015-12-01

2015-12-20

針對(duì)家庭內(nèi)部的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)智能家居控制系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究，提出一種低成本、易擴(kuò)展，適用于家庭應(yīng)用的家居控制系統(tǒng)。智能家居控制系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、自控技術(shù)等在人居環(huán)境中的綜合應(yīng)用表現(xiàn)，隨著網(wǎng)絡(luò)和智能手機(jī)的普及，使得智能家居的推廣具有理論技術(shù)基礎(chǔ)。

智能家居；配電箱

In view of the application environment of the home,analyzes and studies the intelligent home control system,applies a low cost,easy to expand home control system.Intelligent home control system is a comprehensive application of computer technology,network technology, automatic control technology,etc.in the living environment,with the popularity of the Internet and smart phones,so the promotion of smart home has a theoretical and technical basis.