基于无线网络的智能开关控制系统
2014-10-17彭大成彭晨任仁凯
彭大成 彭晨 任仁凯
摘 要： 现有的智能家居中的阀门或者开关一般用的是手动遥控，虽然可以远程操控，但是依旧摆脱不了对多种开关繁琐的操作。为了克服以上缺点，在无线网络环境下开发了一个根据家中人数情况自动运行的智能开关控制系统。系统硬件由主控板、发射板、接收板、驱动板、人体检测装置、无线收发装置和开关器件驱动装置等组成。在主控板的单片机中烧录控制程序系统就可以投入运行。该系统利用抗干扰激光技术自动统计进出大门的人数，实现根据人数情况自动开合开关的功能，在测试实验中连续运行30个小时后，运行稳定，误码率低。该系统解决了智能家居的开关智能控制问题，具有安全、高效的优点。
关键词： 智能开关控制； 无线网； 激光技术； 单片机
中图分类号： TN92?34； TP29 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）19?0132?04
Intelligent switch control system based on wireless network
PENG Da?cheng， PENG Chen， REN Ren?kai
（School of electrical and automation engineering， Nanjing Normal University， Nanjing 210042， China）
Abstract： The remote manual control is generally used for valve or switch in the smart home. Although they can be controlled remotely， people still cant operate them in a easy way. An intelligent switch control system was developed in wireless network， which can operate automatically according to the number of people at home. The system consists of the main control board， emission board， receiving board， driver board， human body detection device， wireless transceiver and switch drive device. This system can be put into operation after burning the control program to the micro control unit （MCU）. The anti?interference laser technology is used in the system to count the number of people in and out of the door to realize the functions of automatically turning?on or ?off the switch according to the number of people at home. It had low error rate worked stable in a test of 30 h. This system solved the on?off intelligent control problem of the smart home. It is safe and efficient.
Keywords： intelligent switch control； wireless network； laser technology； MCU
0 引 言
随着科技的发展，与智能家居相关的设备逐渐走入了人们的家中。南京物联传感技术有限公司提出的自我搭建智能家居的平台，使得手动搭建智能家居变成可能[1]；海尔推出的智能云家电，实现了家电终端生产与智能家居平台的结合[2]。这些产品的优点在于实现了家居生活的智能和远程控制，但是目前很少有商家能考虑到家中开关的智能控制，开关的智能控制能从源头上解决安防问题，并且更加稳定。
现代家庭中的阀门和开关的控制至关重要，大量媒体报道过由于电源没有关闭造成的漏电和火灾，或者冬天出门时候由于忘记关闭阀门而造成的水管破裂[3]。目前市场有关家中开关器件和阀门的产品比较少，杭州晶控电子有限公司智能家居平台实现了对于家中开关和阀门的远程控制，人们从手机和电脑上就可以控制家中的开关器件，但是在手动控制的情况下依然会出现人为忘记开合开关引起的不必要的事故或者麻烦。采用自动开关控制系统后，人们不需要对家中的电气开关和阀门进行控制，该系统的传感器会自动检测到家中的人数，从而对家中阀门和开关的开合进行控制。智能开关控制系统节省了劳动力，增加了生活的安全性。文献[4]强调家中阀门安全性的自动检测危险的阀门。文献[5?6]侧重于从公共场所安全的角度来设计的门禁系统。由于是在公共场所，所以要对进出人员特征进行识别，如摄像头检测人脸特征或者指纹检测器检测出指纹特征。而本文侧重于对家庭中的阀门和开关器件的统一控制和危险预防，家庭不是公共场合，对人员特征的识别可以减弱而方便性却可以变强。采用自动开关控制系统在节省人力和能源的情况下还做到了对于危险事件的预防。
1 系统硬件框架
系统结构如图1所示。系统由主控板、第一发射板、第二发射板、接收板、驱动板、人体检测装置、无线收发装置和开关器件驱动装置组成。人体检测装置的发射端分别设置在第一发射板（c）和第二发射板（d）上，接收端分别设置在主控板（a）和接收板（b）上；无线收发装置的发射端设置在主控板（a）上，接收端设置在驱动板上（驱动板不在图中显示，而是在控制终端，驱动板和开关器件与整个系统的关系如图2所示）；开关器件驱动装置设置在驱动板上并与开关器件相连；主控板中包括主控制模块、电源模块和数据显示模块，主控板和第一发射板、接收板和第二发射板分别安装在门框（e）两边并且高度两两对应。门框的边缘安装检测门开闭状态的传感器，当家中的门关闭的时候，节能模块启动，关闭系统的供电，在关闭前系统每隔5 ms就会将所有数据存储于单片机的E2PROM中。当门再次开启时，单片机首先会读取存储于E2PROM中的数据，继上次记录的数据继续运行。系统在运行过程中如果运行时间过长或者有类似人的物体经过，在统计人数的时候会出现错误。当错误出现的时候，只需清空家中的人数后按下清零按钮就可以将人数与房屋中具体人数对应上。如果系统的程序运行出现了错误，则按下故障处理按钮就可以使程序正常运行。
1.1 主控板模块
本文选择的是飞思卡尔的XS128单片机，此单片机为16位单片机，工作频率在20～40 MHz之间。自带有E2PROM，AD，IO，SPI等模块。XS128芯片为以后的模块扩展提供了便利的条件。系统由如下几部分组成。
1.2 传感器模块
传感器主要功能是要确定人行走的方向，可以用超声波、红外或者激光器件来检测。超声波器件的优点是只需在一边安装传感器的发射和接收装置，在安装上比较简洁；缺点是由于人衣服以及体型的变化，会造成严重的误检测。红外传感器可以采用漫反射和直射两种安装方式，优点是肉眼看不见，不会打扰到人们的视线，缺点是无论用哪种安装方式，失误率也很高。激光传感器也可以选择漫反射和直射两种安装方式，经过试验，决定采用出错率比较低的直射方式，缺点是需要采用在门框两边一收一发的安装方式，安装比较繁琐。发射端对发射出的光做调制处理，把发射出的光调制成频率为180 kHz波长为650 nm的调制光，其原理图如图3所示。MOD1是可以发出频率为180 kHz波形的调制管，[L1]是可以发出波长为650 nm波段光的激光管。用调制管控制激光管通断，就可以调制成频率为180 kHz波长为650 nm的调制光。
接收端传感器对应接收频率为180 kHz波长为650 nm的调制光信号，其电路图如图4所示。REC1是对波长为650 nm的光敏感同时只能通过频率为180 kHz的光传感器，通过增加光携带的信息，解决了与太阳光混淆的问题。最终决定采用两边分别两个激光管，一收一发来检测人体的移动方向。激光传感器用波长为650 nm的激光管，接收传感器用接收频率为180 kHz光的传感器，激光管采用频率为180 kHz的调制管来控制其闪动的频率。如果接收管接收到波长为650 nm频率为180 kHz的调制光，则会由高电平变成低电平，主控芯片接收到相应信号以后则对人数进行判断。
1.3 开关器件控制器
开关器件控制器装有对应主板无线发射的接收模块，该接收模块有相应的地址。当发出的信号对应接收端的地址后，该接收端的电平输出端则会根据发送端输出的信号驱动继电器来控制开关器件的开闭。如果控制端出现错误，则可以启动开关器件控制器上面的故障处理开关，启动以后，开关器件的开闭完全靠手动，不受任何信号的影响。
1.4 节能以及故障处理模块
系统的节能模块会检测门的打开和关闭状态。当门处于打开状态时，需要检测人的进出，传感器和主板处于完全工作状态。当每次有数据改变时，单片机就将数据存储在E2PROM中，方便掉电存储。当门开关传感器感应到门处于关闭状态时，此时不需要检测人的进出，传感器和主板可以完全断电，等到检测到门开启的时候，主板和传感器同时供电，主板中XS128芯片从上次存储的E2PROM中读取数据后继续上次工作状态运行。当传感器计数出现错误的时候，有两种故障处理方式，一种是软处理，另外一种是硬处理。软处理不需要影响到程序的运行状态，当按钮按下时，故障程序启动，故障程序会根据按下的时间改变人数，直到改变成正常的人数。当出现程序上面不可避免的错误时，需要用复位按钮从程序上复位，程序所有数据清零从头开始重新计数；当系统的硬件出现不可恢复的故障时，按下硬故障按钮，系统就可以绕过控制器件手动控制。
2 软件设计
2.1 软件总框架
系统的软件部分由两个部分组成，人数检测部分和可恢复故障处理部分。
2.2 人数检测部分
人数检测部分的程序主要功能是根据传感器反馈给单片机的数据来计算人数的多少。
如图2所示，两边传感器对应安装后，接通电源。当接收管和发射管之间没有阻挡的时候，接收管A，B，C，D都接收到了发射管发送出的信号，根据上述性质，输出端为低电平。
光电传感器判断人是否经过的方法如图5所示。只有在两组传感器都完成图5所示的过程后才会在人数计数的数组中改变人数。当有人经过时，首先传感器A和C被阻挡住；过一段时间后传感器A，B，C，D都被阻挡住，当人继续向前的时候，传感器A和C会接收到信号，而传感器B和D仍然被阻挡住；随着人离开了门框，传感器A，B，C，D都会同时接收到发出的信号。完成整个过程后，主控板会识别出刚才的信号。如果两组传感器方向一致，会在人数计数数组上加1；如果上述过程的方向反向运行，则会在人数计数数组上减1。
具体代码如下：
if（0==PTT_PTT0 && 1==PTT_PTT1 && 0==state_out[0]）
{state_in[0]=1； }
if（1==state_in[0]）
{if（1==PTT_PTT0 && 0==PTT_PTT1）
{state_in[1]=1； } }
if（1==PTT_PTT0 && 0==PTT_PTT1 && 0==state_in[0]）
{state_out[0]=1； }
if（1==state_out[0]）
{if（0==PTT_PTT0 && 1==PTT_PTT1）
{state_out[1]=1； }
}
in=state_in[0]+state_in[1]；
out=state_out[0]+state_out[1]；
if（0==PTT_PTT0 && 0==PTT_PTT1）
{delay++；
if（in==2）
{ num[0]++；
state_in[0]=0；
state_in[1]=0；
in=0；
state_out[0]=0；
state_out[1]=0；
out=0； }
if（out==2）
{ num[0]--；
state_out[0]=0；
state_out[1]=0；
out=0；
state_in[0]=0；
state_in[1]=0；
in=0； }
if（delay>500）
{ delay=0；
in=0；
state_out[0]=0；
state_out[1]=0；
out=0；
state_in[0]=0；
state_in[1]=0； } }
2.3 可恢复故障处理部分
故障处理部分有两种处理故障的方式，一种是可恢复故障，另外一种是不可恢复硬性故障。
故障产生的原因多种多样，可能是由于物体的经过导致传感器误认为是人体，也有可能是人在传感器检测范围内时间过长导致的误检测，还有可能是无线信号传输不稳定造成的故障。由于货物或者动物的影响，门禁系统可能会把其他的东西误认为是人，所以在0.5～1 m处安装了两组传感器。只有在短时间内两种传感器都有相同方向感应的时候，人数计数器才会进行计数。当遇到特征与人类似的干扰时，人数计数器还会识别错误；如果出现特别大的干扰造成的错误，则需要手动恢复。自恢复按钮帮助我们恢复故障，当出现故障的时候，只需要在家中没人的时候，按下自恢复按钮，系统自己就会恢复运行。
3 实 例
智能开关控制系统实际运行时，准确无误地检测出了人的行走方向，并且根据房间内人的数量准确地控制了开关器件的打开或者关闭。其内部电路板参考图如图6，图7所示。
超过一天的连续测试才出现了问题，误码率在1%以下。当门关闭的时候系统的电源会被切断，传感器和无线器件会处于休息状态；不连续工作情况下系统几乎不会出现错误。
4 结 语
基于无线网络的智能开关控制系统安装简单，价格低廉，线路简单可靠，可恢复能力强。该系统能很好地检测出人相对于房间的行进方向并且准确地做出判断；缺点是当有类似于人的物体经过时，会受到干扰而产生错误计数。如果用现在流行的红外线加摄像头检测方法，通过检测人体特定的红外线，再加上摄像头的图像识别就可以很好地检测出人相对于房屋的进出。为了适应智能家居概念的兴起，可能会在控制主板上加入网络通信模块，使之在智能家居平台协调下运行。
注：本文通讯作者为彭晨。
参考文献
[1] 朱俊岗.浅析物联网背景下的智能家居发展[J].中国公共安全：综合版，2012（13）：167?169.
[2] 陈莉.海尔智能云家电中国首发[J].电器，2013（4）：36?37.
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[4] 李传海，谢健德，吕俊，等.家用燃气安全阀的研究与设计[J].电子测试，2013（6）：136?137.
[5] 曾党泉.基于物联网技术的校园安防系统的研究与设计[J].现代电子技术，2013，36（24）：43?46.
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[9] 杨伟伸.家用手动燃气阀门启闭可控结构形式的分析[C]//中国土木工程学会城市燃气分会应用专业委员会2009年会论文集.南宁：中国土木工程学会，2009：139?143.
[10] 董明.自动门禁控制系统设计[J].中国科技信息，2011（12）：101?102.
[11] 巩元鹏，丁香乾，王晓东.基于JESS的智能家居安防系统设计[J].现代电子技术，2012，35（5）：134?136.
[12] 刘畅，李晓东，毕云峰.基于LabVIEW虚拟仪器技术的指纹识别报警系统设计[J].现代电子技术，2012，35（4）：188?191.
[13] 张大为，王珺，刘迪.基于单片机的射频卡读卡器设计[J].现代电子技术，2011，34（20）：57?59.
[14] 张洁，刘苹，冉会中.智能门禁控制器的设计与实现[J].现代电子技术，2012，35（14）：14?15.
in=0；
state_out[0]=0；
state_out[1]=0；
out=0； }
if（out==2）
{ num[0]--；
state_out[0]=0；
state_out[1]=0；
out=0；
state_in[0]=0；
state_in[1]=0；
in=0； }
if（delay>500）
{ delay=0；
in=0；
state_out[0]=0；
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out=0；
state_in[0]=0；
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2.3 可恢复故障处理部分
故障处理部分有两种处理故障的方式，一种是可恢复故障，另外一种是不可恢复硬性故障。
故障产生的原因多种多样，可能是由于物体的经过导致传感器误认为是人体，也有可能是人在传感器检测范围内时间过长导致的误检测，还有可能是无线信号传输不稳定造成的故障。由于货物或者动物的影响，门禁系统可能会把其他的东西误认为是人，所以在0.5～1 m处安装了两组传感器。只有在短时间内两种传感器都有相同方向感应的时候，人数计数器才会进行计数。当遇到特征与人类似的干扰时，人数计数器还会识别错误；如果出现特别大的干扰造成的错误，则需要手动恢复。自恢复按钮帮助我们恢复故障，当出现故障的时候，只需要在家中没人的时候，按下自恢复按钮，系统自己就会恢复运行。
3 实 例
智能开关控制系统实际运行时，准确无误地检测出了人的行走方向，并且根据房间内人的数量准确地控制了开关器件的打开或者关闭。其内部电路板参考图如图6，图7所示。
超过一天的连续测试才出现了问题，误码率在1%以下。当门关闭的时候系统的电源会被切断，传感器和无线器件会处于休息状态；不连续工作情况下系统几乎不会出现错误。
4 结 语
基于无线网络的智能开关控制系统安装简单，价格低廉，线路简单可靠，可恢复能力强。该系统能很好地检测出人相对于房间的行进方向并且准确地做出判断；缺点是当有类似于人的物体经过时，会受到干扰而产生错误计数。如果用现在流行的红外线加摄像头检测方法，通过检测人体特定的红外线，再加上摄像头的图像识别就可以很好地检测出人相对于房屋的进出。为了适应智能家居概念的兴起，可能会在控制主板上加入网络通信模块，使之在智能家居平台协调下运行。
注：本文通讯作者为彭晨。
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[14] 张洁，刘苹，冉会中.智能门禁控制器的设计与实现[J].现代电子技术，2012，35（14）：14?15.
in=0；
state_out[0]=0；
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if（out==2）
{ num[0]--；
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2.3 可恢复故障处理部分
故障处理部分有两种处理故障的方式，一种是可恢复故障，另外一种是不可恢复硬性故障。
故障产生的原因多种多样，可能是由于物体的经过导致传感器误认为是人体，也有可能是人在传感器检测范围内时间过长导致的误检测，还有可能是无线信号传输不稳定造成的故障。由于货物或者动物的影响，门禁系统可能会把其他的东西误认为是人，所以在0.5～1 m处安装了两组传感器。只有在短时间内两种传感器都有相同方向感应的时候，人数计数器才会进行计数。当遇到特征与人类似的干扰时，人数计数器还会识别错误；如果出现特别大的干扰造成的错误，则需要手动恢复。自恢复按钮帮助我们恢复故障，当出现故障的时候，只需要在家中没人的时候，按下自恢复按钮，系统自己就会恢复运行。
3 实 例
智能开关控制系统实际运行时，准确无误地检测出了人的行走方向，并且根据房间内人的数量准确地控制了开关器件的打开或者关闭。其内部电路板参考图如图6，图7所示。
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4 结 语
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