智能家用電器開關控制系統設計

李麗秀，陳生暢，肖世雄，王佳興，盧振宇，劉鋒墅

（1.華南理工大學物理與光電學院，廣東廣州，510641；2.華南理工大學電子與信息學院，廣東廣州，510641；3.華南理工大學機械與汽車工程學院，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，也增添了許多安全隱患。因此，在家中無人時，應及時切斷電源，這不僅節省電力，還能預防火災的發生。人們對便捷安全的家居生活的需求正促使了智能家居的出現。智能家居是指將家中的通訊設備、家用電器等借助一定的通訊媒介相連起來以完成監控和控制等。智能家居在中國發展迅速，據估測，到 2020年時，大中型城市中60%的住宅將會應用智能家居控制系統。

然而，現有的智能家居控制系統基本局限為內網控制的方式，即設備與控制終端處于同一局域網內。雖然實現了無線遠程控制，但是這種“遠程”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，本設計是采用互聯網通信技術，將家用電器、各類傳感器和用戶的手機等通過新的方式聯接在一起，實現外網終端訪問內網設備，讓人們在任何有網絡信號（包括移動通信和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 系統組成

基于APP的智能家用電器開關控制系統主要由家用電器、嵌入式控制電路、WIFI路由器、服務器端及手機APP客戶端五部分組成。其基本結構圖如圖1所示：其中，（a）圖為智能家用電器開關控制系統的原理圖。嵌入式控制電路通過與家用電器相連實時檢測家用電器的工作狀態，用戶通過手機APP客戶端發送控制指令，指令經由服務器和WIFI路由器下達，嵌入式控制電路執行相應控制動作，完成對家用電器的遠程控制。（b）圖為嵌入式控制電路的具體結構，嵌入式控制電路的核心為單片機控制電路，外圍電路為各類檢測電路和開關控制電路。整個嵌入式控制電路主要完成對家用電器運行狀態的實時檢測以及執行服務器發送的指令。

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壓電路[1]，單片機控制電路和監測電路等。通過嵌入式控制電路，將完成對家用電器運行狀態的實時檢測并上報至服務器。同時，執行從服務器下傳的操作指令，完成對不同家用電器的開關控制。

圖1 智能開關控制系統結構圖

1.1.1 整流濾波和穩壓電路

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

1.1.2 單片機控制電路

單片機控制電路主要功能是完成對過電壓的瞬時值和峰值的檢測、過電壓次數的檢測、電源輸出電壓和電流及溫度的檢測，并通過在遠端顯示出各個電壓值的大??；同時通過接口和遠端實現通訊，在有過電壓的時候通過控制回路斷開電源，實現對用電設備的智能保護。

1.1.3 監測電路

① 過電壓監測電路

過電壓監測電路：過電壓保護的基本原理是在瞬態過電壓發生的時候（微秒或納秒級）通過過電壓檢測電路對這個信號進行檢測，過電壓檢測電路中主要的元件是壓敏電阻，壓敏電阻相當于很多串并聯在一起的雙向抑制二極管，電壓超過箝位電壓時，壓敏電阻導通；電壓低于箝位電壓時，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，響應時間在納秒級。

② 輸出電壓電流檢測電路

檢測電路實時對電壓電流值進行采樣，并在采樣后將結果傳輸至單片機進行后續的處理，并能夠在狀態異常情況下自動斷開電源，保護用電設備，確保用電安全，并啟動報警電路。

③ 溫度檢測電路

檢測電路實時對智能家用電器開關控制系統工作溫度值進行采樣，并在采樣后將結果傳輸至單片機進行后續的處理，當工作溫度值大于所設置的閾值溫度時，即狀態異常情況下，控制系統自動斷開電源，保護用電設備，確保用電安全，并啟動報警電路。

④ 報警電路

過電壓檢測電路或者輸出電壓電流、溫度檢測電路發生異常導致狀態異常時電路電源無法自動切開，對用電設備造成傷害，單片機控制報警電路執行；同時，將報警信息傳遞給通信設備（APP）。

1.2 手機APP客戶端

手機APP客戶端，是基于Android開發平臺，采用Java語言設計的[3]。通過操作手機APP客戶端，實時監控家用電器的運行狀態，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操作頁面

手機APP操作界面圖如圖2所示，打開手機APP客戶端，進入登錄界面，登錄家庭賬戶，選擇并綁定進行遠程控制的家庭。輸入要WIFI路由器的名稱及密碼，智能家用電器開關控制系統自動搜索并連接到WIFI路由器，連接以后即可使用手機對接入智能家用電器開關控制系統的家用電器進行遠程控制。

1.3 服務器端

服務器端，是家用電器與手機APP客戶端進行信息通訊的媒介。采用服務器和廣域網通訊方式，消除距離限制，只要是有網絡的地方即可上傳和下載數據信息，實現對家用電器的遠程監控。

從服務器端可以查看家用電器的設備日志和使用情況，其中設備日志記錄了手機APP客戶端下達到家用電器的控制指令以及家用電器主動上報到手機APP客戶端的設備信息；除此之外，服務器端記錄了家用電器的使用情況，包括啟動時間、持續時間、使用次數等等，以便進行定時維護和故障排查；也可通過手機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發現故障。

2 系統調試

通過前面的制作過程，得到完整實物電路和手機APP客戶端并進行調試，調試過程主要包括：嵌入式控制電路單獨功能調試、手機APP客戶端和服務器連接調試、嵌入式控制電路和服務器連接調試、整體結構改進優化。其中，嵌入式控制電路調試主要檢驗硬件電路能否實現輸出電壓電流檢測、過電壓監測、溫度檢測以及報警功能，該步驟對實現開關控制系統功能多樣性起到關鍵作用；手機APP客戶端和服務器連接調試、嵌入式控制電路和服務器連接調試實現嵌入式控制電路和手機APP客戶端通過服務端進行溝通和信息傳遞；整體結構改進優化主要是在成功實現預期功能基礎上進一步提高工作響應速度、穩定性。

通過嵌入式控制電路，完成對家用電器運行狀態的檢測并上報至服務器，服務器再將數據傳輸至手機APP客戶端。同時，可以執行從服務器下傳的操作指令，進行不同家用電器的開關控制，最終實現使用安卓智能手機作為控制終端，遠程控制家用電器開關的功能。調試結果表明：采用互聯網通信技術，把家用電器、各類傳感器和用戶的手機等通過服務器的方式聯接在一起，實現外網終端訪問內網設備，進而實現在有網絡信號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 結束語

本設計將家用電器、嵌入式控制電路、WIFI路由器、服務器端及手機APP客戶端組成了基于APP的智能家用電器開關控制系統。根據前期的電路仿真和實物測試優化，成功采用互聯網通信技術，把家用電器、各類傳感器和用戶的手機等通過服務器的方式聯接在一起，實現外網終端訪問內網設備，進而實現在有網絡信號的地方就可以隨心所欲地操控家用電器，達到預期設計的目標。所設計的電路簡單，實物小巧，符合當前智能家居的潮流。操作方便，安全快捷，能夠準確地實現所需要的功能，具有極大的實用價值和發展前景。