一種網絡化的家用智能化配電箱設計

張亞楠，陸一歌，殷業瑜，徐月葉指導教師：丁堯

（南京大學金陵學院，南京　210089）

一種網絡化的家用智能化配電箱設計

張亞楠，陸一歌，殷業瑜，徐月葉指導教師：丁堯

（南京大學金陵學院，南京210089）

0　引言

本項目設計的智能化配電箱以一個房間作為控制單元，設置一個支持AP功能的含控制器配電箱，對房間內用電設備進行控制，同時模擬遙控器對如空調電視等可遙控設備進行遙控操作，對二次設備控制以實現對窗戶、窗簾的操作。

智能家居控制系統是計算機技術、網絡技術、自控技術等在人居環境中的綜合應用表現，隨著網絡和智能手機的普及，使得智能家居的推廣具有了理論技術基礎。同時，隨著人們生活節奏的加快和對生活質量要求的提高，也使得智能家居控制系統具有一定的市場需求[1]。目前國內市場關于智能家居的控制多集中在對電路通斷的控制上，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作。但其一對一的工作模式造成模塊體積大，控制對象和數量單一等不足，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　系統總體設計

考慮到家庭使用的具體情況，本設計采用基于RT5350與Wi-Fi技術的一體化設計。主要包括如下四個部分：第一是智能家居中央控制系統、第二是無線通信與網絡中繼模塊、第三是傳感器信息采集與終端設備控制模塊、第四是人機交互界面。系統結果如圖1所示。

圖1　系統結構示意圖

從上圖可以看出，整個系統可以分為感知和操作兩個大類，其中感知包括：光照（亮度）、溫度、濕度、可燃氣體檢測、紅外線檢測五個部分，操作包括照明類的電氣通斷控制和報警類的驅動控制。光照傳感器采集的光照強度數據會觸發智能家居控制部分對燈光調節的控制[2]。觸發空調的調節是由于溫濕度采集的相關數據實現對空調的智能控制。當可燃氣體濃度超過安全范圍時就會觸發報警系統。紅外線傳感器裝置在窗口與門口，用戶不在家時啟動，當有人進入時就會觸發報警裝置，發送報警信息給用戶。

智能家居最常用的無線控制方式主要有紅外、藍牙、Wi-Fi三種[3]，而現有這三種常用的短距離無線通信技術不能滿足某些要求。Wi-Fi具有應用廣泛，實際利用率高的優點，可以快速讓人們上手，但藍牙、Wi-Fi如果應用到智能家居領域較 ZigBee技術相比擴展性能差[4]，一個網端最多對應10個端口。而ZigBee的最大優點就是能無限制地接入新的端口，嵌入到各種家居設備中，ZigBee通訊技術成本低、網絡容量大、工作頻段靈活、安全性能高等特點讓其在智能家居領域有很大的發揮空間。結合以上信息，本論文選擇用ZigBee無線通訊方式工作來實現家居的智能化控制。上述三種技術比較如表1所示。

表1　 Wi-Fi、ZigBee、Bluetooth三種技術比較

2　各智能模塊的硬件實現

本項目產品的系統結構示意圖如上述圖1所示，可以分為家居控制、無線網絡通信、傳感信息采集、人機互動平臺四個部分。光照傳感器采集的光照強度數據會觸發智能家居控制部分對燈光調節的控制。觸發空調的調節是由于溫濕度采集的相關數據實現對空調的智能控制。當可燃氣體濃度超過安全范圍時就會觸發報警系統。紅外線傳感器裝置在窗口與門口，用戶不在家時啟動，當有人進入時就會觸發報警裝置，發送報警信息給用戶。

2.1組網通信模塊

關于組網所用的RT5350，是一種基于Wi-Fi的片上網絡系統，其與目前常用的ZigBee、Bluetooth技術的比較如表2所示。綜合來看，基于Wi-Fi的通信技術比較適合目前家用智能系統的組網要求。

2.2傳感器電路設計

傳感器主要感知家中環境，為智能家居的動作作業提供判斷依據。主要包括溫濕度傳感器、光照傳感器、紅外傳感器、氣體檢測模塊、蜂鳴報警等模塊。

表2　 Wi-Fi、ZigBee、Bluetooth參數對比

2.2傳感器電路設計

傳感器主要感知家中環境，為智能家居的動作作業提供判斷依據。主要包括溫濕度傳感器、光照傳感器、紅外傳感器、氣體檢測模塊、蜂鳴報警等模塊。

（1）溫濕度監測

溫濕度檢測采用SHT11模塊，該模塊提供數字串口、接口簡單、可靠性高、集成度高[5]，溫度和濕度的感測信號變換都集成在一個芯片上，簡化系統設計。

SHT11溫濕度傳感器的驅動程序要實現初始化、讀操作、寫操作以及線性校正的功能。初始化函數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[6]。其次，等待傳感器度過11ms休眠期。在等待的期間，RT5350不向傳感器發送任何命令，并保持I/O端口寄存器配置不變，以確保數總線穩定。

其基本設計如圖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發送采集啟動指令，進行溫度測量、相對濕度測量并進行校驗和線性校正。其工作流程如圖3所示。

圖3　溫濕度監測模塊工作流程圖

（2）光照亮度監測

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度變化檢測，輸出對應亮度的數字值，智能家居系統可以根據亮度變化，線性調節家中照片以實現恒光控制。BH1750FVI電路如圖4所示，其工作流如圖5所示。

圖4　光照亮度監測電路圖

圖5　光照亮度監測工作流程圖

（3）紅外入侵監測

入侵監測主要通過RE200B與BISS0001組合構成紅外設施熱釋電模塊，該模塊通過外接少量元器件就可以與RT5350構成人體紅外檢測模塊，該模塊通過外加菲涅爾透鏡延長探測半徑，探測半徑理論可以達到10m，并且提高檢測精度。該模塊電路如圖6所示，工作流程如圖7所示。

圖6　紅外入侵監測模塊電路圖

圖7　入侵監測系統工作流程圖

（4）氣體檢測模塊

氣體檢測，特別是可燃氣體檢測是家庭安防的重要組成部分，本系統采用MQ-X檢測器可以完成對可燃氣體的檢測，當MQ-X元件檢測到可燃氣體超過警戒值時，DOUT引腳輸出低電平，通過與外部連接完成報警。該模塊電路如圖8所示，工作流程如圖9所示。

圖8　氣體檢測模塊電路圖

圖9　氣體檢測模塊工作流程圖

（5）報警系統

報警系統主要是當智能家居的傳感器監測到有異常時，發出報警信號，進而觸發相關報警設備發出聲光等報警動作，從而實現對家庭的安防工作。本項目實驗平臺通過輸出信號來驅動蜂鳴器實現報警。具體電路如圖10所示，工作流程如圖11所示。

圖10　報警系統簡易電路

圖11　報警系統工作流程圖

3　結語

本文主要通過對一種網絡化的家用智能化配電箱設計的大學生創新創業訓練計劃項目的研究背景做出了相應的分析，對智能家居的發展前景進行展望，提出以RT53550為核心的智能家居系統，并結合多方面知識完成對該項目的設計思路，進而整理出本文的內容分布。

首先通過對智能家居系統的需求分析，提出系統設計框架。結合設計框架完成系統功能模塊架構，然后對相關技術進行比較，從技術特性、網絡結構等方面選擇Wi-Fi技術為本系統核心。其次，分析了智能家居系統硬件組成。對本系統主要通信芯片RT5350與各個傳感器芯片進行了簡要的介紹。完成RT5350外圍電路、傳感器電路、報警電路等主要電路設計，完成各檢測模塊選型。其中傳感器電路設計主要包括溫濕度傳感器、光照傳感器、紅外傳感器、氣體檢測模塊、蜂鳴報警等模塊。通過對上述各個模塊原理及工作流程的分析，完成該創新創業訓練計劃項目。

[1]田豐慶.家居智能安全系統設計[D].南京理工大學.2011.

[2]董偉.通信電源、空調集中監控系統研究[D].河北工業大學.2008.

[3]王晴天.基于ZigBee和以太網的家居信息采集系統設計[D].鄭州大學.2014.

[4]郭杰翔,李曉白，路輝.自動測試系統測試適配器通用端口的自動設計[J].測試技術學報，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，2005.

[6]高英明.無線傳感器網絡能量管理技術與理論研究[D].大連理工大學，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）

江蘇省高等學校大學生創新創業訓練計劃資助項目（No.201513646007Y）

2015-12-01

2015-12-20

針對家庭內部的應用環境，對智能家居控制系統進行分析和研究，提出一種低成本、易擴展，適用于家庭應用的家居控制系統。智能家居控制系統是計算機技術、網絡技術、自控技術等在人居環境中的綜合應用表現，隨著網絡和智能手機的普及，使得智能家居的推廣具有理論技術基礎。

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.