李麗秀，陳生暢，肖世雄，王佳興，盧振宇，劉鋒墅

（1.華南理工大學(xué)物理與光電學(xué)院，廣東廣州，510641；2.華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣東廣州，510641；3.華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州，510641）

隨著家用電器的大量普及，給人們的生活帶來了極大便利的同時(shí)，也增添了許多安全隱患。因此，在家中無(wú)人時(shí)，應(yīng)及時(shí)切斷電源，這不僅節(jié)省電力，還能預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。人們對(duì)便捷安全的家居生活的需求正促使了智能家居的出現(xiàn)。智能家居是指將家中的通訊設(shè)備、家用電器等借助一定的通訊媒介相連起來以完成監(jiān)控和控制等。智能家居在中國(guó)發(fā)展迅速，據(jù)估測(cè)，到 2020年時(shí)，大中型城市中60%的住宅將會(huì)應(yīng)用智能家居控制系統(tǒng)。

然而，現(xiàn)有的智能家居控制系統(tǒng)基本局限為內(nèi)網(wǎng)控制的方式，即設(shè)備與控制終端處于同一局域網(wǎng)內(nèi)。雖然實(shí)現(xiàn)了無(wú)線遠(yuǎn)程控制，但是這種“遠(yuǎn)程”卻十分有限，這種意義下的智能家居控制并非完全智能。因此，本設(shè)計(jì)是采用互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，將家用電器、各類傳感器和用戶的手機(jī)等通過新的方式聯(lián)接在一起，實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)終端訪問內(nèi)網(wǎng)設(shè)備，讓人們?cè)谌魏斡芯W(wǎng)絡(luò)信號(hào)（包括移動(dòng)通信和WIFI）的地方可以隨心所欲地操控家用電器，讓智能家居真正走出家門。

1 系統(tǒng)組成

基于APP的智能家用電器開關(guān)控制系統(tǒng)主要由家用電器、嵌入式控制電路、WIFI路由器、服務(wù)器端及手機(jī)APP客戶端五部分組成。其基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示：其中，（a）圖為智能家用電器開關(guān)控制系統(tǒng)的原理圖。嵌入式控制電路通過與家用電器相連實(shí)時(shí)檢測(cè)家用電器的工作狀態(tài)，用戶通過手機(jī)APP客戶端發(fā)送控制指令，指令經(jīng)由服務(wù)器和WIFI路由器下達(dá)，嵌入式控制電路執(zhí)行相應(yīng)控制動(dòng)作，完成對(duì)家用電器的遠(yuǎn)程控制。（b）圖為嵌入式控制電路的具體結(jié)構(gòu)，嵌入式控制電路的核心為單片機(jī)控制電路，外圍電路為各類檢測(cè)電路和開關(guān)控制電路。整個(gè)嵌入式控制電路主要完成對(duì)家用電器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)以及執(zhí)行服務(wù)器發(fā)送的指令。

1.1 嵌入式控制電路

嵌入式控制電路，主要包括整流濾波和穩(wěn)壓電路[1]，單片機(jī)控制電路和監(jiān)測(cè)電路等。通過嵌入式控制電路，將完成對(duì)家用電器運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)并上報(bào)至服務(wù)器。同時(shí)，執(zhí)行從服務(wù)器下傳的操作指令，完成對(duì)不同家用電器的開關(guān)控制。

圖1 智能開關(guān)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1.1 整流濾波和穩(wěn)壓電路

在正常的情況下，220V的交流輸入電壓經(jīng)過整流、濾波，DCDC變換[2]、穩(wěn)壓電路后可得到一個(gè)穩(wěn)定的5V直流輸出電壓，可直接作為手機(jī)等設(shè)備的充電端口，也可作為繼電器的控制電源。

1.1.2 單片機(jī)控制電路

單片機(jī)控制電路主要功能是完成對(duì)過電壓的瞬時(shí)值和峰值的檢測(cè)、過電壓次數(shù)的檢測(cè)、電源輸出電壓和電流及溫度的檢測(cè)，并通過在遠(yuǎn)端顯示出各個(gè)電壓值的大??；同時(shí)通過接口和遠(yuǎn)端實(shí)現(xiàn)通訊，在有過電壓的時(shí)候通過控制回路斷開電源，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的智能保護(hù)。

1.1.3 監(jiān)測(cè)電路

① 過電壓監(jiān)測(cè)電路

過電壓監(jiān)測(cè)電路：過電壓保護(hù)的基本原理是在瞬態(tài)過電壓發(fā)生的時(shí)候（微秒或納秒級(jí)）通過過電壓檢測(cè)電路對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，過電壓檢測(cè)電路中主要的元件是壓敏電阻，壓敏電阻相當(dāng)于很多串并聯(lián)在一起的雙向抑制二極管，電壓超過箝位電壓時(shí)，壓敏電阻導(dǎo)通；電壓低于箝位電壓時(shí)，壓敏電阻截止。這就是壓敏電阻的電壓箝位作用，壓敏電阻工作極為迅速，響應(yīng)時(shí)間在納秒級(jí)。

② 輸出電壓電流檢測(cè)電路

檢測(cè)電路實(shí)時(shí)對(duì)電壓電流值進(jìn)行采樣，并在采樣后將結(jié)果傳輸至單片機(jī)進(jìn)行后續(xù)的處理，并能夠在狀態(tài)異常情況下自動(dòng)斷開電源，保護(hù)用電設(shè)備，確保用電安全，并啟動(dòng)報(bào)警電路。

③ 溫度檢測(cè)電路

檢測(cè)電路實(shí)時(shí)對(duì)智能家用電器開關(guān)控制系統(tǒng)工作溫度值進(jìn)行采樣，并在采樣后將結(jié)果傳輸至單片機(jī)進(jìn)行后續(xù)的處理，當(dāng)工作溫度值大于所設(shè)置的閾值溫度時(shí)，即狀態(tài)異常情況下，控制系統(tǒng)自動(dòng)斷開電源，保護(hù)用電設(shè)備，確保用電安全，并啟動(dòng)報(bào)警電路。

④ 報(bào)警電路

過電壓檢測(cè)電路或者輸出電壓電流、溫度檢測(cè)電路發(fā)生異常導(dǎo)致狀態(tài)異常時(shí)電路電源無(wú)法自動(dòng)切開，對(duì)用電設(shè)備造成傷害，單片機(jī)控制報(bào)警電路執(zhí)行；同時(shí)，將報(bào)警信息傳遞給通信設(shè)備（APP）。

1.2 手機(jī)APP客戶端

手機(jī)APP客戶端，是基于Android開發(fā)平臺(tái)，采用Java語(yǔ)言設(shè)計(jì)的[3]。通過操作手機(jī)APP客戶端，實(shí)時(shí)監(jiān)控家用電器的運(yùn)行狀態(tài)，下傳操作指令控制不同的家用電器，查看家用電器使用日志和耗電情況。

圖2 APP操作頁(yè)面

手機(jī)APP操作界面圖如圖2所示，打開手機(jī)APP客戶端，進(jìn)入登錄界面，登錄家庭賬戶，選擇并綁定進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的家庭。輸入要WIFI路由器的名稱及密碼，智能家用電器開關(guān)控制系統(tǒng)自動(dòng)搜索并連接到WIFI路由器，連接以后即可使用手機(jī)對(duì)接入智能家用電器開關(guān)控制系統(tǒng)的家用電器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

1.3 服務(wù)器端

服務(wù)器端，是家用電器與手機(jī)APP客戶端進(jìn)行信息通訊的媒介。采用服務(wù)器和廣域網(wǎng)通訊方式，消除距離限制，只要是有網(wǎng)絡(luò)的地方即可上傳和下載數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)家用電器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

從服務(wù)器端可以查看家用電器的設(shè)備日志和使用情況，其中設(shè)備日志記錄了手機(jī)APP客戶端下達(dá)到家用電器的控制指令以及家用電器主動(dòng)上報(bào)到手機(jī)APP客戶端的設(shè)備信息；除此之外，服務(wù)器端記錄了家用電器的使用情況，包括啟動(dòng)時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、使用次數(shù)等等，以便進(jìn)行定時(shí)維護(hù)和故障排查；也可通過手機(jī)APP客戶端查看近期家用電器的耗電情況，包括電流，功率和耗電量等等，以提高家用電器的合理使用和及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。

2 系統(tǒng)調(diào)試

通過前面的制作過程，得到完整實(shí)物電路和手機(jī)APP客戶端并進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試過程主要包括：嵌入式控制電路單獨(dú)功能調(diào)試、手機(jī)APP客戶端和服務(wù)器連接調(diào)試、嵌入式控制電路和服務(wù)器連接調(diào)試、整體結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化。其中，嵌入式控制電路調(diào)試主要檢驗(yàn)硬件電路能否實(shí)現(xiàn)輸出電壓電流檢測(cè)、過電壓監(jiān)測(cè)、溫度檢測(cè)以及報(bào)警功能，該步驟對(duì)實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制系統(tǒng)功能多樣性起到關(guān)鍵作用；手機(jī)APP客戶端和服務(wù)器連接調(diào)試、嵌入式控制電路和服務(wù)器連接調(diào)試實(shí)現(xiàn)嵌入式控制電路和手機(jī)APP客戶端通過服務(wù)端進(jìn)行溝通和信息傳遞；整體結(jié)構(gòu)改進(jìn)優(yōu)化主要是在成功實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高工作響應(yīng)速度、穩(wěn)定性。

通過嵌入式控制電路，完成對(duì)家用電器運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)并上報(bào)至服務(wù)器，服務(wù)器再將數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)APP客戶端。同時(shí)，可以執(zhí)行從服務(wù)器下傳的操作指令，進(jìn)行不同家用電器的開關(guān)控制，最終實(shí)現(xiàn)使用安卓智能手機(jī)作為控制終端，遠(yuǎn)程控制家用電器開關(guān)的功能。調(diào)試結(jié)果表明：采用互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，把家用電器、各類傳感器和用戶的手機(jī)等通過服務(wù)器的方式聯(lián)接在一起，實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)終端訪問內(nèi)網(wǎng)設(shè)備，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的地方就可以隨心所欲地操控家用電器，讓智能家居真正走出家門。

3 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)將家用電器、嵌入式控制電路、WIFI路由器、服務(wù)器端及手機(jī)APP客戶端組成了基于APP的智能家用電器開關(guān)控制系統(tǒng)。根據(jù)前期的電路仿真和實(shí)物測(cè)試優(yōu)化，成功采用互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，把家用電器、各類傳感器和用戶的手機(jī)等通過服務(wù)器的方式聯(lián)接在一起，實(shí)現(xiàn)外網(wǎng)終端訪問內(nèi)網(wǎng)設(shè)備，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的地方就可以隨心所欲地操控家用電器，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo)。所設(shè)計(jì)的電路簡(jiǎn)單，實(shí)物小巧，符合當(dāng)前智能家居的潮流。操作方便，安全快捷，能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)所需要的功能，具有極大的實(shí)用價(jià)值和發(fā)展前景。