紅外-聲-光控智能開關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)

孟寶平　王隆寶　萬美琳　李岳彬　盧仕

摘 要：智能家居是家居行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，而智能開關(guān)又是其中非常重要的一環(huán)。市面上現(xiàn)有的智能開關(guān)控制方式單一，智能化有待提高?；诖?，文中基于51單片機(jī)和傳感器，設(shè)計一款具備遠(yuǎn)程控制功能的紅外-聲-光控智能開關(guān)，完成了原型制作，并將該系統(tǒng)模擬應(yīng)用于對照明燈及監(jiān)控攝像頭的開關(guān)控制：光線充足時，光控開關(guān)斷開，照明燈不工作;有聲音或者外來紅外線時，聲控開關(guān)和紅外熱釋電感應(yīng)電子開關(guān)雙閉合，攝像頭工作;光線不足時，光控開關(guān)閉合，照明燈開啟有聲音振動或活體進(jìn)入傳感范圍時，聲控開關(guān)和紅外熱釋電感應(yīng)電子開關(guān)雙閉合，攝像頭和照明燈同時工作;同時用戶可以通過藍(lán)牙在手機(jī)端對開關(guān)實現(xiàn)人為操控。

關(guān)鍵詞：智能家居;智能開關(guān);紅外-聲-光控;遠(yuǎn)程控制;攝像頭;照明燈

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）07-00-04

0 引 言

智能家居是今后家居領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢。行業(yè)的競爭日趨激烈，各大科技公司都在積極布局智能家居領(lǐng)域，并推出了一系列優(yōu)秀的產(chǎn)品。智能開關(guān)是智能家居發(fā)展的重要環(huán)節(jié)，但是市面上智能開關(guān)類產(chǎn)品大多基于語音控制、手機(jī)APP控制或單一傳感器控制，例如西門子智能家居系統(tǒng)和小米智能家庭套裝。隨著行業(yè)的發(fā)展，控制的對象不斷擴(kuò)展，控制的聯(lián)動場景要求不斷增高，智能家居包含的范圍逐漸涵蓋了監(jiān)控安防、燈光控制、窗簾控制、信息家電、場景聯(lián)動、地板采暖、健康保健等各個方面，現(xiàn)有的智能開關(guān)類產(chǎn)品已無法滿足要求。

為了解決上述問題，特設(shè)計一款智能開關(guān)來對復(fù)雜的家居系統(tǒng)實現(xiàn)有效的控制。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，同時使用3個傳感器[1]：光敏傳感器、聲音傳感器和紅外熱釋電傳感器。通過三種傳感器的不同組合，可以實現(xiàn)不同的輸出狀態(tài)。對于模擬的照明-監(jiān)控開關(guān)而言：將聲控開關(guān)和紅外開關(guān)并聯(lián)，即可達(dá)到有活物闖入或有聲音信號時自動啟動監(jiān)控的目的;將聲控開關(guān)和光敏開關(guān)串聯(lián)，可以達(dá)到夜晚或光照不足時，照明燈自啟的目的[2]。此外，該設(shè)計的新穎之處在于照明開關(guān)既能如上述所說自動觸發(fā)，又能通過手機(jī)藍(lán)牙對此開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，不僅能控制照明燈的亮滅，還能調(diào)節(jié)其亮度。因此，該設(shè)計對于目前智能家居開關(guān)控制的進(jìn)一步優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義，具有廣闊的發(fā)展前景[3]。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計

如圖1所示，系統(tǒng)由控制模塊、傳感器模塊、藍(lán)牙模塊和開關(guān)模塊組成。圖2為系統(tǒng)的實物圖。該系統(tǒng)的控制核心為51單片機(jī)，其作用在于實現(xiàn)各個傳感器之間、傳感器與外部信號之間的聯(lián)動：當(dāng)聲音傳感器和紅外熱釋電傳感器接收到外界的信號后，單片機(jī)會自動控制聲控開關(guān)和紅外開關(guān)閉合，進(jìn)一步自行啟動監(jiān)控攝像頭;當(dāng)光敏傳感器將光強(qiáng)信息傳至單片機(jī)后，單片機(jī)通過分析得到具體的光照強(qiáng)度數(shù)值，并與設(shè)定的光強(qiáng)閾值進(jìn)行比較，只有當(dāng)光強(qiáng)低于這一閾值，才會使光控開關(guān)閉合。藍(lán)牙模塊的使用使得該系統(tǒng)不只限于自啟動，并且可以用手機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，提高了系統(tǒng)的容錯性能。

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 硬件電路設(shè)計

如圖3所示，該系統(tǒng)的硬件部分主要是由51控制系統(tǒng)、整流穩(wěn)壓電路、繼電器模塊、傳感器模塊、藍(lán)牙模塊和開關(guān)模擬部分組成。

2.1.1 橋式整流電路設(shè)計

設(shè)計整流穩(wěn)壓電路的目的是為51系統(tǒng)、各種傳感器、繼電器模塊提供工作電壓。該電路主要由整流橋，濾波電容和降壓芯片7805組成[4]。由于電網(wǎng)電壓輸入為220 V交流，與各傳感器和控制系統(tǒng)所需的電壓數(shù)值差別很大，所以需要通過電源變壓器降壓后再對交流電壓進(jìn)行處理，變壓器二次電壓的有效值決定于后面電路的需要[5]。如圖4所示，當(dāng)變壓器二次電壓處于正半周并且數(shù)值大于電容兩端電壓時，二極管D1和D3導(dǎo)通，對2 000 μF電容進(jìn)行充電。在理想情況下，當(dāng)變壓器二次電壓升到峰值后電容開始放電，在一段時間內(nèi)uc下降的趨勢與二次電壓下降的趨勢相同，當(dāng)二次電壓到某一數(shù)值后uc下降的趨勢低于二次電壓，此時uc大于二次電壓從而導(dǎo)致D1和D3截止，此后uc通過負(fù)載慢慢放電。當(dāng)二次電壓負(fù)半周變化恰好大于uc時，D2和D4導(dǎo)通再次對C充電uc上升到峰值后下降，降到某一值后D2和D4截止，電容再次放電，放電到一定數(shù)值時D1和D3導(dǎo)通，繼續(xù)重復(fù)上述過程，從而達(dá)到了整流與濾波的作用。再經(jīng)過7805穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓作用，最終在輸出端輸出穩(wěn)定的5 V直流電。

2.1.2 聲控開關(guān)功能設(shè)計

本系統(tǒng)采用的聲控傳感器是LM393芯片，利用駐極體話筒采集周圍環(huán)境的聲音信號。模塊輸出為單路信號輸出，且輔以信號指示：當(dāng)外界沒有聲音時，輸出信號為高電平，聲音指示燈不亮;當(dāng)有聲音信號時，輸出信號為低電平，聲音指示燈亮。將其輸出端接至繼電器，即可實現(xiàn)外部的聲音信號自動觸發(fā)繼電器開關(guān)閉合的功能。

2.1.3 光控開關(guān)設(shè)計

本系統(tǒng)所選用的數(shù)字光強(qiáng)度模塊BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路。這種集成電路可以根據(jù)收集的光線強(qiáng)度數(shù)據(jù)來調(diào)整液晶或者鍵盤背光燈的亮度。利用BH1750FVI的高分辨率可以探測較大范圍的光照強(qiáng)度變化，可測試光強(qiáng)范圍為0～65 535 Lux;傳感器內(nèi)置16 bit A/D轉(zhuǎn)換器，直接向外輸出數(shù)字值。不區(qū)分環(huán)境光源，接近于視覺靈敏度的分光特性?？蓪V泛的亮度進(jìn)行1 Lux的精確測定。

如圖5所示為I2C總線時序圖，將51單片機(jī)作為主機(jī)，光強(qiáng)度傳感器作為從機(jī)。主機(jī)向從機(jī)寫入數(shù)據(jù)時，SDIN上的每一位數(shù)據(jù)在SCLK高電平期間被寫入從機(jī)。從主機(jī)角度出發(fā)，即是需要在SCLK低電平期間改變需要寫入的數(shù)據(jù)。當(dāng)主機(jī)讀取從機(jī)數(shù)據(jù)時，從機(jī)在SCLK低電平期間將光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)輸出到SDA總線上，且在SCLK的高電平期間保持光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的穩(wěn)定。

2.1.4 紅外熱釋電感應(yīng)開關(guān)設(shè)計

本系統(tǒng)所使用的熱釋電探測器是一種新型的光熱探測器，它是基于熱電晶體的熱釋電效應(yīng)來探測輻射能量的器件。由于晶體存在宏觀的電偶極矩，在垂直于自發(fā)極化矢量Ps的晶體表面上產(chǎn)生面束縛電荷，一面是正束縛電荷，另一面是負(fù)束縛電荷。面束縛電荷電荷密度等于自發(fā)極化矢量Ps。由于外部自由電荷的中和作用，平常不能察覺面束縛電荷的存在。當(dāng)晶體吸熱使溫度上升ΔT時（在居里溫度Tc以下），晶體分子固有的電偶極矩隨溫度變化而變化，使得宏觀的電偶極矩改變ΔPs，因而，原先被中和的晶體兩段面出現(xiàn)電量相等、符號相反的電荷ΔQ。然而，ΔQ也會逐漸被外部電荷中和，其平均壽命在秒至千秒數(shù)量級。當(dāng)用斬波器調(diào)制入射光，使矩形光脈沖（周期小于ΔQ的平均壽命）作用到熱電晶體表面的黑吸收層上時，交變的ΔT使得晶體表面始終存在正比于入射光強(qiáng)的極化電荷，由于熱釋電信號正比于器件的升溫隨時間的變化率，因此它只能探測調(diào)制輻射。這類器件探測率高，是光熱探測器中性能最好的，因此得到了廣泛的應(yīng)用[6]。具體的測量原理為：人體進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸出高電平（3.3 V），人體離開感應(yīng)范圍則輸出低電平（0 V），探測器可由跳線決定是從人體第一次進(jìn)入范圍開始延時還是人體離開范圍開始延時，兩個電位器分別可以調(diào)節(jié)探測器的靈敏度和延時時間。

2.1.5 藍(lán)牙控制模塊功能設(shè)計

此開關(guān)系統(tǒng)采用HC-05藍(lán)牙串口通信模塊，是基于Bluetooth Specification V2.0 帶EDR藍(lán)牙協(xié)議的數(shù)傳模塊。無線的工作頻段為2.4 GHz ISM，調(diào)制方式是GFSK。模塊最大發(fā)射功率為4 dBm，板載PCB天線，可以實現(xiàn)10 m距離通信。設(shè)置MCU為主機(jī)，通信模塊為從機(jī)，配對碼一致，波特率一致，上電即可自動連接。且主機(jī)第一次連接后，會自動記憶配對對象[7]。此外，在手機(jī)端開發(fā)了控制界面，用戶可以自由選擇照明燈的亮滅和亮度。如圖6所示為手機(jī)端控制界面，不同的按鈕分別對應(yīng)斷開/開啟藍(lán)牙、打開/關(guān)閉照明、調(diào)亮/調(diào)暗照明的功能。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

如圖7所示，將該系統(tǒng)模擬應(yīng)用于照明燈和監(jiān)控的兩種開關(guān)控制。

對于照明開關(guān)的控制采用藍(lán)牙和傳感器雙控的方式：當(dāng)系統(tǒng)初始化完成之后，先檢測是否有藍(lán)牙連接，若檢測到藍(lán)牙打開，則通過單片機(jī)將聲控開關(guān)和光控開關(guān)閉合，同時通過手機(jī)來控制燈的開關(guān)及亮暗程度。調(diào)節(jié)照明燈的明暗度是通過手機(jī)的信號使得單片機(jī)P12端口輸出的PWM波的占空比發(fā)生變化，間接地改變了照明電路兩端的電壓，實現(xiàn)了照明的亮暗變化;若藍(lán)牙沒有連接，則通過聲音傳感器和光強(qiáng)傳感器控制繼電器的通斷，進(jìn)而自動控制照明燈亮滅：只有檢測到的光強(qiáng)低于閾值光強(qiáng)30 cd/m2且檢測到外部的聲音信號時，燈才會打開，延時2 s后自動熄滅。

攝像頭開關(guān)的控制利用了聲音傳感器和紅外熱釋電傳感器自動觸發(fā)開關(guān)的通斷：當(dāng)檢測到有聲音信號或活體闖入時，便會立即啟動攝像頭，實現(xiàn)監(jiān)控安防的功能[8]。

3 系統(tǒng)功能測試

該系統(tǒng)的整體功能就是在警戒的狀態(tài)下，能夠及時對檢測到的聲、光、紅外信號作出反應(yīng)，并實現(xiàn)光線充足、有聲音振動或者活體闖入時，聲控開關(guān)和紅外熱釋電感應(yīng)開關(guān)雙閉合，攝像頭啟動;光線不足、有聲音振動或外來紅外線時，聲控開關(guān)和紅外熱釋電感應(yīng)電子開關(guān)雙閉合，智能家居和照明燈同時啟動;同時用手機(jī)對照明開關(guān)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的功能。整體測試結(jié)果為：在警戒模式下白天走進(jìn)監(jiān)控范圍偽裝入侵，系統(tǒng)第一時間判斷到入侵行為并做出響應(yīng)，攝像頭啟動;晚上進(jìn)行同樣的模擬，結(jié)果是照明開關(guān)和攝像頭被同時啟動;遠(yuǎn)程控制功能也如期實現(xiàn)。各模塊和傳感器的測量結(jié)果見表1和表2所列。

由表1輸出電壓的測定結(jié)果可以看出，電橋電路對于交流220 V電壓的轉(zhuǎn)換效果比較好，誤差在2%以內(nèi)，且輸出的電壓滿足該系統(tǒng)的工作要求;表2表明紅外熱釋電傳感器的有效測量約為6.8 m。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計有效解決了目前市場上智能家居控制的若干問題，實現(xiàn)了對復(fù)雜的智能場景的控制，且同時兼?zhèn)渥詣佑|發(fā)和遠(yuǎn)程控制兩種模式。該設(shè)計不僅增強(qiáng)了不同智能場景的聯(lián)動性，提高了控制系統(tǒng)的容錯率，而且簡化了系統(tǒng)的控制方式[9]。但仍可以在如下幾個方面進(jìn)行修改完善，進(jìn)而使得系統(tǒng)更加完善，人機(jī)交互性更強(qiáng)：

（1）手機(jī)控制不僅限于藍(lán)牙控制，也可以利用局域網(wǎng)加以控制;

（2）手機(jī)不僅可以對照明的亮暗進(jìn)行控制，也可以對家居開關(guān)的工作模式進(jìn)行設(shè)置;

（3）傳感器的種類可以根據(jù)需要適當(dāng)擴(kuò)展，提高系統(tǒng)控制的準(zhǔn)確性[10]。

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