一种网络化的家用智能化配电箱设计

张亚楠，陆一歌，殷业瑜，徐月叶指导教师：丁尧

（南京大学金陵学院，南京　210089）

一种网络化的家用智能化配电箱设计

张亚楠，陆一歌，殷业瑜，徐月叶指导教师：丁尧

（南京大学金陵学院，南京210089）

0　引言

本项目设计的智能化配电箱以一个房间作为控制单元，设置一个支持AP功能的含控制器配电箱，对房间内用电设备进行控制，同时模拟遥控器对如空调电视等可遥控设备进行遥控操作，对二次设备控制以实现对窗户、窗帘的操作。

智能家居控制系统是计算机技术、网络技术、自控技术等在人居环境中的综合应用表现，随着网络和智能手机的普及，使得智能家居的推广具有了理论技术基础。同时，随着人们生活节奏的加快和对生活质量要求的提高，也使得智能家居控制系统具有一定的市场需求[1]。目前国内市场关于智能家居的控制多集中在对电路通断的控制上，安装方便，在取电和用电单元之间增加控制模块即完成控制动作。但其一对一的工作模式造成模块体积大，控制对象和数量单一等不足，而且控制起来较麻烦，安装影响美观，因此推广起来具有一定的难度。

1　系统总体设计

考虑到家庭使用的具体情况，本设计采用基于RT5350与Wi-Fi技术的一体化设计。主要包括如下四个部分：第一是智能家居中央控制系统、第二是无线通信与网络中继模块、第三是传感器信息采集与终端设备控制模块、第四是人机交互界面。系统结果如图1所示。

图1　系统结构示意图

从上图可以看出，整个系统可以分为感知和操作两个大类，其中感知包括：光照（亮度）、温度、湿度、可燃气体检测、红外线检测五个部分，操作包括照明类的电气通断控制和报警类的驱动控制。光照传感器采集的光照强度数据会触发智能家居控制部分对灯光调节的控制[2]。触发空调的调节是由于温湿度采集的相关数据实现对空调的智能控制。当可燃气体浓度超过安全范围时就会触发报警系统。红外线传感器装置在窗口与门口，用户不在家时启动，当有人进入时就会触发报警装置，发送报警信息给用户。

智能家居最常用的无线控制方式主要有红外、蓝牙、Wi-Fi三种[3]，而现有这三种常用的短距离无线通信技术不能满足某些要求。Wi-Fi具有应用广泛，实际利用率高的优点，可以快速让人们上手，但蓝牙、Wi-Fi如果应用到智能家居领域较 ZigBee技术相比扩展性能差[4]，一个网端最多对应10个端口。而ZigBee的最大优点就是能无限制地接入新的端口，嵌入到各种家居设备中，ZigBee通讯技术成本低、网络容量大、工作频段灵活、安全性能高等特点让其在智能家居领域有很大的发挥空间。结合以上信息，本论文选择用ZigBee无线通讯方式工作来实现家居的智能化控制。上述三种技术比较如表1所示。

表1　 Wi-Fi、ZigBee、Bluetooth三种技术比较

2　各智能模块的硬件实现

本项目产品的系统结构示意图如上述图1所示，可以分为家居控制、无线网络通信、传感信息采集、人机互动平台四个部分。光照传感器采集的光照强度数据会触发智能家居控制部分对灯光调节的控制。触发空调的调节是由于温湿度采集的相关数据实现对空调的智能控制。当可燃气体浓度超过安全范围时就会触发报警系统。红外线传感器装置在窗口与门口，用户不在家时启动，当有人进入时就会触发报警装置，发送报警信息给用户。

2.1组网通信模块

关于组网所用的RT5350，是一种基于Wi-Fi的片上网络系统，其与目前常用的ZigBee、Bluetooth技术的比较如表2所示。综合来看，基于Wi-Fi的通信技术比较适合目前家用智能系统的组网要求。

2.2传感器电路设计

传感器主要感知家中环境，为智能家居的动作作业提供判断依据。主要包括温湿度传感器、光照传感器、红外传感器、气体检测模块、蜂鸣报警等模块。

表2　 Wi-Fi、ZigBee、Bluetooth参数对比

2.2传感器电路设计

传感器主要感知家中环境，为智能家居的动作作业提供判断依据。主要包括温湿度传感器、光照传感器、红外传感器、气体检测模块、蜂鸣报警等模块。

（1）温湿度监测

温湿度检测采用SHT11模块，该模块提供数字串口、接口简单、可靠性高、集成度高[5]，温度和湿度的感测信号变换都集成在一个芯片上，简化系统设计。

SHT11温湿度传感器的驱动程序要实现初始化、读操作、写操作以及线性校正的功能。初始化函数首先就是要完成传感器的硬件初始化工作：首先，通过I/O引脚打开传感器电源开关[6]。其次，等待传感器度过11ms休眠期。在等待的期间，RT5350不向传感器发送任何命令，并保持I/O端口寄存器配置不变，以确保数总线稳定。

其基本设计如图2所示。

图2　温湿度传感器电路图

其工作流程为：SHT11上电后需要11ms的休眠期，随后RT5350发送采集启动指令，进行温度测量、相对湿度测量并进行校验和线性校正。其工作流程如图3所示。

图3　温湿度监测模块工作流程图

（2）光照亮度监测

光线传感采用BH1750FVI模块，其分辨率高，可以完成大范围的光照强度变化检测，输出对应亮度的数字值，智能家居系统可以根据亮度变化，线性调节家中照片以实现恒光控制。BH1750FVI电路如图4所示，其工作流如图5所示。

图4　光照亮度监测电路图

图5　光照亮度监测工作流程图

（3）红外入侵监测

入侵监测主要通过RE200B与BISS0001组合构成红外设施热释电模块，该模块通过外接少量元器件就可以与RT5350构成人体红外检测模块，该模块通过外加菲涅尔透镜延长探测半径，探测半径理论可以达到10m，并且提高检测精度。该模块电路如图6所示，工作流程如图7所示。

图6　红外入侵监测模块电路图

图7　入侵监测系统工作流程图

（4）气体检测模块

气体检测，特别是可燃气体检测是家庭安防的重要组成部分，本系统采用MQ-X检测器可以完成对可燃气体的检测，当MQ-X元件检测到可燃气体超过警戒值时，DOUT引脚输出低电平，通过与外部连接完成报警。该模块电路如图8所示，工作流程如图9所示。

图8　气体检测模块电路图

图9　气体检测模块工作流程图

（5）报警系统

报警系统主要是当智能家居的传感器监测到有异常时，发出报警信号，进而触发相关报警设备发出声光等报警动作，从而实现对家庭的安防工作。本项目实验平台通过输出信号来驱动蜂鸣器实现报警。具体电路如图10所示，工作流程如图11所示。

图10　报警系统简易电路

图11　报警系统工作流程图

3　结语

本文主要通过对一种网络化的家用智能化配电箱设计的大学生创新创业训练计划项目的研究背景做出了相应的分析，对智能家居的发展前景进行展望，提出以RT53550为核心的智能家居系统，并结合多方面知识完成对该项目的设计思路，进而整理出本文的内容分布。

首先通过对智能家居系统的需求分析，提出系统设计框架。结合设计框架完成系统功能模块架构，然后对相关技术进行比较，从技术特性、网络结构等方面选择Wi-Fi技术为本系统核心。其次，分析了智能家居系统硬件组成。对本系统主要通信芯片RT5350与各个传感器芯片进行了简要的介绍。完成RT5350外围电路、传感器电路、报警电路等主要电路设计，完成各检测模块选型。其中传感器电路设计主要包括温湿度传感器、光照传感器、红外传感器、气体检测模块、蜂鸣报警等模块。通过对上述各个模块原理及工作流程的分析，完成该创新创业训练计划项目。

[1]田丰庆.家居智能安全系统设计[D].南京理工大学.2011.

[2]董伟.通信电源、空调集中监控系统研究[D].河北工业大学.2008.

[3]王晴天.基于ZigBee和以太网的家居信息采集系统设计[D].郑州大学.2014.

[4]郭杰翔,李晓白，路辉.自动测试系统测试适配器通用端口的自动设计[J].测试技术学报，2008,(2):127-132.

[5]黄慧锋.CMOS兼容湿度传感器封装的研究[D].东南大学，2005.

[6]高英明.无线传感器网络能量管理技术与理论研究[D].大连理工大学，2009.

[7]孙浩博.基于红外传感器的LED智能隧道灯具[J].城市建设理论研究，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）

江苏省高等学校大学生创新创业训练计划资助项目（No.201513646007Y）

2015-12-01

2015-12-20

针对家庭内部的应用环境，对智能家居控制系统进行分析和研究，提出一种低成本、易扩展，适用于家庭应用的家居控制系统。智能家居控制系统是计算机技术、网络技术、自控技术等在人居环境中的综合应用表现，随着网络和智能手机的普及，使得智能家居的推广具有理论技术基础。

智能家居；配电箱

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.