基于手機終端的智能家居照明控制系統設計

彭小紅，莫思捷，彭嘉杰，葉秋東，周宇建

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

基于手機終端的智能家居照明控制系統設計

彭小紅1，莫思捷2，彭嘉杰1，葉秋東1，周宇建1

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

0　引言

隨著計算機和網絡通信技術的迅速發展，家居的信息化程度越來越高，人們希望隨時隨地控制家居，創造更加智能化、自動化、人性化的居住環境。智能手機可通過藍牙、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，有效地克服傳統家居電器控制方式麻煩、功能單一、用戶體驗差等缺陷［1］。基于手機終端的智能家居控制系統將成為未來發展的趨勢。

照明系統作為智能家居組成部分，對智能家居的整體研究有重大意義，本文提出了一個以單片機為輔，手機終端為主的智能家居照明控制方案，設計開發了基于手機終端的智能家居照明系統，不僅實現定時開關、時間校準和多模式控制，改善了控制的效率、提高用戶的生活體驗；而且通過對周圍環境亮度的檢測，利用模糊技術自動調整照明設備的亮度，使周圍環境保持適宜的照度，以達到有效利用自然光，節約電能的目的。

1　系統總體設計方案

本系統以STC89C51單片機為核心，內部嵌入節能照明模糊控制器，外部集成可控硅交流調壓調光模塊、時鐘模塊、光照度檢測模塊、藍牙自動識別模塊、手機終端App模塊等，系統總設計框圖如圖1所示。

圖1　系統總設計框圖

系統基于Android系統編寫App終端應用程序，通過藍牙將手機命令發送給STC89C51單片機，單片機對手機命令進行處理得到照明終端的驅動命令，再將驅動命令通過相應的接口模塊發出以驅動相應的終端照明設備，實現對家居照明設備的定時開關、時間校準和多模式控制。而嵌在單片機內的節能照明模糊控制器則通過光照數據采集模塊對家居環境的光照強度數據進行實時采集，經數模轉換作為模糊控制器的輸入，通過模糊計算得到最適宜的光照強度值并輸出給可控硅調光器，以自動調節照明設備的光照強度，使家居處于最佳照明狀態。

2　硬件設計

本系統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、可控硅電壓控制電路、過零觸發電路、定時模塊、光照度檢測模塊以及藍牙通信模塊等。

2.1單片機最小系統

系統選用了STC89C51單片機，這是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，最高工作時鐘頻率為80MHz，片內含8K Bytes的可反復擦寫 1000次的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM）。有32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含2個外中斷口，3個可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，STC89C51單片機廣泛應用于較復雜的系統控制場合［2］，如圖2所示。本設計單片機的最小系統有晶振模塊、復位模塊和電源模塊，主要完成家居光照數據的采集、轉換、存儲、控制可控硅調光器完成光照調節等功能。

圖2　單片機最小系統圖

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控精密雙通道雙向可控硅移相觸發電路。其觸發角與交流電波形關系，如圖3所示。每個通道單獨控制，并提供多種控制方式以滿足用戶不同的應用要求。芯片的主要特點有，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，通過制定的協議進行通信，其通信時序如圖4所示。主要應用于交流調壓、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。本設計中利用WS100T10/WS100T20實現系統電壓調節從而控制燈的亮度。

圖3　觸發角與交流電波形關系圖

圖4　通信時序圖

2.3過零觸發電路

圖5中MOC3061為光電耦合雙向可控硅驅動器［4］，也屬于光電耦合器的一種，用來驅動雙向可控硅BCR并且起到隔離的作用，R6為觸發限流電阻，R7為BCR門極電阻，防止誤觸發，提高抗干擾能力。當單片機80C51的 P1.0引腳輸出負脈沖信號時 T2導通，MOC3061導通，觸發BCR導通，接通交流負載。另外，若雙向可控硅接感性交流負載時，由于電源電壓超前負載電流一個相位角，因此，當負載電流為零時，電源電壓為反向電壓，加上感性負載自感電動勢el作用，使得雙向可控硅承受的電壓值遠遠超過電源電壓。雖然雙向可控A硅反向導通，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一個RC阻容吸收電路，實現雙向可控硅過電壓保護，圖5中的C2、R8為RC阻容吸收電路。

圖5　過零檢測電路圖

2.4定時模塊

DS1302是一個可編程實時時鐘芯片，可以提供秒、分、小時、日期、月、年等信息，并且還有軟件自動調整的能力，擁有31 byte數據存儲 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/寫時鐘或RAM數據時有單字節傳送和多字節傳送方式兩種傳送方式［5］。DS1302實時時鐘芯片廣泛應用于電話、傳真、便攜式儀器等產品領域，本設計用于照明定時，DS1302電路圖如圖6所示。

圖6　定時模塊電路圖

2.5光照度監測模塊設計

要實現室內照明的節能，最根本的問題是要充分的利用自然光，從而減少電能的消耗，不同天氣情況對自然光照度影響不同［6］。本系統光照度檢測模塊由光敏電阻和PCF8591轉換器組成，用于光的測量、光的控制和光電轉換 （將光的變化轉換為電壓的變化），如圖7所示，然后把轉換后得到的電壓送入A/D轉換模塊進行轉換，再輸入單片機，嵌在單片機內部的節能照明模糊控制器計算出光照強度的大小。

2.6藍牙控制模塊設計

藍牙技術是用于替代電纜或連線的短距離無線通信技術，實現設備間的無線數據傳輸，同時支持多點傳輸［7］。它需要把數字信號轉換成模擬信號以便在空間中傳輸，它采用的調制方式是高斯頻移鍵控。本系統采用HC-06從模塊，引出接口包括：VCC，GND，TXD，RXD，預留LED狀態輸出腳，單片機可通過該腳狀態判斷藍牙是否已經連接，KEY引腳對從機無效。各引腳作用：TXD為發送端，一般表示為自己的發送端，正常通信必須接另一個設備的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設備的TXD，藍牙模塊與單片機連接如圖8所示。

圖7　光照度檢測電路圖

圖8　藍牙模塊與單片機連接圖

3　軟件設計

智能照明控制系統的軟件分為Android App應用軟件、照明設備驅動軟件以及節能照明模糊控制器三部分。軟件適用于市場占有率最高的Android手機和Android平板電腦等移動終端［8］。

3.1APP應用軟件設計

采用Java開發一款基于Android手機的 “智能家居照明”客戶端App應用軟件，客戶端軟件控制主界面完成的功能包括開關燈、時間設置和燈光多模式控制、照明設備管理。其中照明設備管理針對不同家庭添加他們實際的照明設備終端，系統自動對照明設備進行ID號分配，并將ID號與App控件綁定。以后一旦打開設備，將自動連接即可進行智能控制（開關控制、多模式控制、時間校準和定時控制等）。

3.2照明設備驅動軟件設計

受控終端初始化時將配置一個固定的物理地址，控制終端與受控設備連接，默認進行時間校準，可以提供多種模式（呼吸模式、手動調節模式、定時模式）的控制方式［8］，例如家庭派對時候，可以選用呼吸模式；晚上睡覺和早晨起床可以選擇定時模式；平常學習可以選擇手動模式，設置自己所需要的最佳的光照環境。照明設備驅動軟件設計流程圖如圖9所示。

圖9　照明設備驅動軟件流程圖

3.3節能照明模糊控制器設計

設計一個基于模糊邏輯的節能控制器，嵌入在單片機內，通過光照數據采集模塊獲取實時光照強度數值，將此數值與理想光照強度設定值相減，得到當前誤差量，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際控制量，輸出到可控硅調光器實現光照強度的調節。節能照明模糊控制流程圖如圖10所示。

圖10　節能照明模糊控制流程圖

4　結語

智能家居是最近幾年的時尚熱潮，如何對傳統家居實現低成本、安全性、通用性、方便性及其可靠性地改造，是對智能家居能否更人性化設計的基本要求。本文提出的基于手機終端的智能家居照明系統不僅改善照明質量，形成一個優質高效、經濟、舒適、安全可靠、有益人們工作和生活的照明環境，而且可以有效利用自然光達到節約電能的目的，對家庭節能降耗有著重要的意義。

［1］姜宇航.基于物聯網的智能家居控制系統設計［D］.吉林大學，2014.

［2］張亮亮.單片機最小系統的教學研究與設計［J］.科技風，2014，18：20.

［3］張峰，丁軍懷.照明系統高精度交流調壓控制器的設計［J］.自動化與儀器儀表，2014，11：62-64.

［4］李琳，段瑞彬.一種低壓TSC的過零觸發電路設計［J］.工業控制計算機，2015，03：171-172.

［5］張寧丹，金桂.基于STC89C52單片機DS1302時鐘芯片定時開關的設計與仿真［J］.現代電子技術，2013，08：4-6.

［6］彭嘉杰，彭小紅，盧路路，蘇榮鑒.大學教室節能照明智能控制系統［J］.現代計算機，2014，11：68-71.

［7］胡號，付紹洋，閔鋒.基于藍牙技術的空調遙控系統的設計與實現［J］.機電工程技術，2015，08：95-98.

［8］李濤.基于Android的智能家居APP的設計與實現［D］.蘇州大學，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，研究方向為智能控制技術及應用

莫思捷（1994-），男，廣東高州人，大專，學生，研究方向為電氣自動化

彭嘉杰（1992-），男，廣東高州人，本科，學生，研究方向為通信工程

葉秋東（1993-），男，廣東海豐人，本科，學生，研究方向為計算機科學與技術

周宇建（1993-），男，廣東汕頭人，本科，研究方向為自動化

2015-10-13

2015-10-30

針對目前家居照明開關的控制方式及其控制需求，提出一個以單片機為輔，手機終端為主的智能控制方案，并設計開發了基于手機終端的智能家居照明系統，系統可通過手機終端對家居照明電器進行定時開關、時間校準和多模式控制，并可通過對周圍環境亮度的檢測，自動調整照明設備的亮度，使家居環境保持適宜的照度，以達到有效利用自然光，節約電能的目的。

手機終端；家居照明；定時調壓；智能控制

廣東海洋大學2015教學成果培育項目（No.GDOU2014040638）、廣東海洋大學重點教改項目（No.XJG201401）、廣東省大學生創新創業訓練計劃項目（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.