紅外-聲-光控智能開關的設計與實現

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發展的必然趨勢，而智能開關又是其中非常重要的一環。市面上現有的智能開關控制方式單一，智能化有待提高。基于此，文中基于51單片機和傳感器，設計一款具備遠程控制功能的紅外-聲-光控智能開關，完成了原型制作，并將該系統模擬應用于對照明燈及監控攝像頭的開關控制：光線充足時，光控開關斷開，照明燈不工作;有聲音或者外來紅外線時，聲控開關和紅外熱釋電感應電子開關雙閉合，攝像頭工作;光線不足時，光控開關閉合，照明燈開啟有聲音振動或活體進入傳感范圍時，聲控開關和紅外熱釋電感應電子開關雙閉合，攝像頭和照明燈同時工作;同時用戶可以通過藍牙在手機端對開關實現人為操控。

關鍵詞：智能家居;智能開關;紅外-聲-光控;遠程控制;攝像頭;照明燈

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

0 引 言

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

為了解決上述問題，特設計一款智能開關來對復雜的家居系統實現有效的控制。為了實現這一目標，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，可以實現不同的輸出狀態。對于模擬的照明-監控開關而言：將聲控開關和紅外開關并聯，即可達到有活物闖入或有聲音信號時自動啟動監控的目的;將聲控開關和光敏開關串聯，可以達到夜晚或光照不足時，照明燈自啟的目的[2]。此外，該設計的新穎之處在于照明開關既能如上述所說自動觸發，又能通過手機藍牙對此開關進行遠程控制，不僅能控制照明燈的亮滅，還能調節其亮度。因此，該設計對于目前智能家居開關控制的進一步優化具有一定的指導意義，具有廣闊的發展前景[3]。

1 系統框架設計

如圖1所示，系統由控制模塊、傳感器模塊、藍牙模塊和開關模塊組成。圖2為系統的實物圖。該系統的控制核心為51單片機，其作用在于實現各個傳感器之間、傳感器與外部信號之間的聯動：當聲音傳感器和紅外熱釋電傳感器接收到外界的信號后，單片機會自動控制聲控開關和紅外開關閉合，進一步自行啟動監控攝像頭;當光敏傳感器將光強信息傳至單片機后，單片機通過分析得到具體的光照強度數值，并與設定的光強閾值進行比較，只有當光強低于這一閾值，才會使光控開關閉合。藍牙模塊的使用使得該系統不只限于自啟動，并且可以用手機進行遠程控制，提高了系統的容錯性能。

2 系統功能實現

2.1 硬件電路設計

如圖3所示，該系統的硬件部分主要是由51控制系統、整流穩壓電路、繼電器模塊、傳感器模塊、藍牙模塊和開關模擬部分組成。

2.1.1 橋式整流電路設計

設計整流穩壓電路的目的是為51系統、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]。由于電網電壓輸入為220 V交流，與各傳感器和控制系統所需的電壓數值差別很大，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，當變壓器二次電壓處于正半周并且數值大于電容兩端電壓時，二極管D1和D3導通，對2 000 μF電容進行充電。在理想情況下，當變壓器二次電壓升到峰值后電容開始放電，在一段時間內uc下降的趨勢與二次電壓下降的趨勢相同，當二次電壓到某一數值后uc下降的趨勢低于二次電壓，此時uc大于二次電壓從而導致D1和D3截止，此后uc通過負載慢慢放電。當二次電壓負半周變化恰好大于uc時，D2和D4導通再次對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，放電到一定數值時D1和D3導通，繼續重復上述過程，從而達到了整流與濾波的作用。再經過7805穩壓器的穩壓作用，最終在輸出端輸出穩定的5 V直流電。

2.1.2 聲控開關功能設計

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

2.1.3 光控開關設計

本系統所選用的數字光強度模塊BH1750FVI是一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器集成電路。這種集成電路可以根據收集的光線強度數據來調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度變化，可測試光強范圍為0～65 535 Lux;傳感器內置16 bit A/D轉換器，直接向外輸出數字值。不區分環境光源，接近于視覺靈敏度的分光特性。可對廣泛的亮度進行1 Lux的精確測定。

如圖5所示為I2C總線時序圖，將51單片機作為主機，光強度傳感器作為從機。主機向從機寫入數據時，SDIN上的每一位數據在SCLK高電平期間被寫入從機。從主機角度出發，即是需要在SCLK低電平期間改變需要寫入的數據。當主機讀取從機數據時，從機在SCLK低電平期間將光照強度數據輸出到SDA總線上，且在SCLK的高電平期間保持光照強度數據的穩定。

2.1.4 紅外熱釋電感應開關設計

本系統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，在垂直于自發極化矢量Ps的晶體表面上產生面束縛電荷，一面是正束縛電荷，另一面是負束縛電荷。面束縛電荷電荷密度等于自發極化矢量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量級。當用斬波器調制入射光，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用[6]。具體的測量原理為：人體進入其感應范圍則輸出高電平（3.3 V），人體離開感應范圍則輸出低電平（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節探測器的靈敏度和延時時間。

2.1.5 藍牙控制模塊功能設計

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

2.2 系統軟件設計

如圖7所示，將該系統模擬應用于照明燈和監控的兩種開關控制。

對于照明開關的控制采用藍牙和傳感器雙控的方式：當系統初始化完成之后，先檢測是否有藍牙連接，若檢測到藍牙打開，則通過單片機將聲控開關和光控開關閉合，同時通過手機來控制燈的開關及亮暗程度。調節照明燈的明暗度是通過手機的信號使得單片機P12端口輸出的PWM波的占空比發生變化，間接地改變了照明電路兩端的電壓，實現了照明的亮暗變化;若藍牙沒有連接，則通過聲音傳感器和光強傳感器控制繼電器的通斷，進而自動控制照明燈亮滅：只有檢測到的光強低于閾值光強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。

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

3 系統功能測試

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

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

4 結 語

本文設計有效解決了目前市場上智能家居控制的若干問題，實現了對復雜的智能場景的控制，且同時兼備自動觸發和遠程控制兩種模式。該設計不僅增強了不同智能場景的聯動性，提高了控制系統的容錯率，而且簡化了系統的控制方式[9]。但仍可以在如下幾個方面進行修改完善，進而使得系統更加完善，人機交互性更強：

（1）手機控制不僅限于藍牙控制，也可以利用局域網加以控制;

（2）手機不僅可以對照明的亮暗進行控制，也可以對家居開關的工作模式進行設置;

（3）傳感器的種類可以根據需要適當擴展，提高系統控制的準確性[10]。

參考文獻

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