红外-声-光控智能开关的设计与实现

孟宝平　王隆宝　万美琳　李岳彬　卢仕

摘 要：智能家居是家居行业发展的必然趋势，而智能开关又是其中非常重要的一环。市面上现有的智能开关控制方式单一，智能化有待提高。基于此，文中基于51单片机和传感器，设计一款具备远程控制功能的红外-声-光控智能开关，完成了原型制作，并将该系统模拟应用于对照明灯及监控摄像头的开关控制：光线充足时，光控开关断开，照明灯不工作;有声音或者外来红外线时，声控开关和红外热释电感应电子开关双闭合，摄像头工作;光线不足时，光控开关闭合，照明灯开启有声音振动或活体进入传感范围时，声控开关和红外热释电感应电子开关双闭合，摄像头和照明灯同时工作;同时用户可以通过蓝牙在手机端对开关实现人为操控。

关键词：智能家居;智能开关;红外-声-光控;远程控制;摄像头;照明灯

中图分类号：TP391文献标识码：A文章编号：2095-1302（2020）07-00-04

0 引 言

智能家居是今后家居领域发展的必然趋势。行业的竞争日趋激烈，各大科技公司都在积极布局智能家居领域，并推出了一系列优秀的产品。智能开关是智能家居发展的重要环节，但是市面上智能开关类产品大多基于语音控制、手机APP控制或单一传感器控制，例如西门子智能家居系统和小米智能家庭套装。随着行业的发展，控制的对象不断扩展，控制的联动场景要求不断增高，智能家居包含的范围逐渐涵盖了监控安防、灯光控制、窗帘控制、信息家电、场景联动、地板采暖、健康保健等各个方面，现有的智能开关类产品已无法满足要求。

为了解决上述问题，特设计一款智能开关来对复杂的家居系统实现有效的控制。为了实现这一目标，同时使用3个传感器[1]：光敏传感器、声音传感器和红外热释电传感器。通过三种传感器的不同组合，可以实现不同的输出状态。对于模拟的照明-监控开关而言：将声控开关和红外开关并联，即可达到有活物闯入或有声音信号时自动启动监控的目的;将声控开关和光敏开关串联，可以达到夜晚或光照不足时，照明灯自启的目的[2]。此外，该设计的新颖之处在于照明开关既能如上述所说自动触发，又能通过手机蓝牙对此开关进行远程控制，不仅能控制照明灯的亮灭，还能调节其亮度。因此，该设计对于目前智能家居开关控制的进一步优化具有一定的指导意义，具有广阔的发展前景[3]。

1 系统框架设计

如图1所示，系统由控制模块、传感器模块、蓝牙模块和开关模块组成。图2为系统的实物图。该系统的控制核心为51单片机，其作用在于实现各个传感器之间、传感器与外部信号之间的联动：当声音传感器和红外热释电传感器接收到外界的信号后，单片机会自动控制声控开关和红外开关闭合，进一步自行启动监控摄像头;当光敏传感器将光强信息传至单片机后，单片机通过分析得到具体的光照强度数值，并与设定的光强阈值进行比较，只有当光强低于这一阈值，才会使光控开关闭合。蓝牙模块的使用使得该系统不只限于自启动，并且可以用手机进行远程控制，提高了系统的容错性能。

2 系统功能实现

2.1 硬件电路设计

如图3所示，该系统的硬件部分主要是由51控制系统、整流稳压电路、继电器模块、传感器模块、蓝牙模块和开关模拟部分组成。

2.1.1 桥式整流电路设计

设计整流稳压电路的目的是为51系统、各种传感器、继电器模块提供工作电压。该电路主要由整流桥，滤波电容和降压芯片7805组成[4]。由于电网电压输入为220 V交流，与各传感器和控制系统所需的电压数值差别很大，所以需要通过电源变压器降压后再对交流电压进行处理，变压器二次电压的有效值决定于后面电路的需要[5]。如图4所示，当变压器二次电压处于正半周并且数值大于电容两端电压时，二极管D1和D3导通，对2 000 μF电容进行充电。在理想情况下，当变压器二次电压升到峰值后电容开始放电，在一段时间内uc下降的趋势与二次电压下降的趋势相同，当二次电压到某一数值后uc下降的趋势低于二次电压，此时uc大于二次电压从而导致D1和D3截止，此后uc通过负载慢慢放电。当二次电压负半周变化恰好大于uc时，D2和D4导通再次对C充电uc上升到峰值后下降，降到某一值后D2和D4截止，电容再次放电，放电到一定数值时D1和D3导通，继续重复上述过程，从而达到了整流与滤波的作用。再经过7805稳压器的稳压作用，最终在输出端输出稳定的5 V直流电。

2.1.2 声控开关功能設计

本系统采用的声控传感器是LM393芯片，利用驻极体话筒采集周围环境的声音信号。模块输出为单路信号输出，且辅以信号指示：当外界没有声音时，输出信号为高电平，声音指示灯不亮;当有声音信号时，输出信号为低电平，声音指示灯亮。将其输出端接至继电器，即可实现外部的声音信号自动触发继电器开关闭合的功能。

2.1.3 光控开关设计

本系统所选用的数字光强度模块BH1750FVI是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。这种集成电路可以根据收集的光线强度数据来调整液晶或者键盘背光灯的亮度。利用BH1750FVI的高分辨率可以探测较大范围的光照强度变化，可测试光强范围为0～65 535 Lux;传感器内置16 bit A/D转换器，直接向外输出数字值。不区分环境光源，接近于视觉灵敏度的分光特性。可对广泛的亮度进行1 Lux的精确测定。

如图5所示为I2C总线时序图，将51单片机作为主机，光强度传感器作为从机。主机向从机写入数据时，SDIN上的每一位数据在SCLK高电平期间被写入从机。从主机角度出发，即是需要在SCLK低电平期间改变需要写入的数据。当主机读取从机数据时，从机在SCLK低电平期间将光照强度数据输出到SDA总线上，且在SCLK的高电平期间保持光照强度数据的稳定。

2.1.4 红外热释电感应开关设计

本系统所使用的热释电探测器是一种新型的光热探测器，它是基于热电晶体的热释电效应来探测辐射能量的器件。由于晶体存在宏观的电偶极矩，在垂直于自发极化矢量Ps的晶体表面上产生面束缚电荷，一面是正束缚电荷，另一面是负束缚电荷。面束缚电荷电荷密度等于自发极化矢量Ps。由于外部自由电荷的中和作用，平常不能察觉面束缚电荷的存在。当晶体吸热使温度上升ΔT时（在居里温度Tc以下），晶体分子固有的电偶极矩随温度变化而变化，使得宏观的电偶极矩改变ΔPs，因而，原先被中和的晶体两段面出现电量相等、符号相反的电荷ΔQ。然而，ΔQ也会逐渐被外部电荷中和，其平均寿命在秒至千秒数量级。当用斩波器调制入射光，使矩形光脉冲（周期小于ΔQ的平均壽命）作用到热电晶体表面的黑吸收层上时，交变的ΔT使得晶体表面始终存在正比于入射光强的极化电荷，由于热释电信号正比于器件的升温随时间的变化率，因此它只能探测调制辐射。这类器件探测率高，是光热探测器中性能最好的，因此得到了广泛的应用[6]。具体的测量原理为：人体进入其感应范围则输出高电平（3.3 V），人体离开感应范围则输出低电平（0 V），探测器可由跳线决定是从人体第一次进入范围开始延时还是人体离开范围开始延时，两个电位器分别可以调节探测器的灵敏度和延时时间。

2.1.5 蓝牙控制模块功能设计

此开关系统采用HC-05蓝牙串口通信模块，是基于Bluetooth Specification V2.0 带EDR蓝牙协议的数传模块。无线的工作频段为2.4 GHz ISM，调制方式是GFSK。模块最大发射功率为4 dBm，板载PCB天线，可以实现10 m距离通信。设置MCU为主机，通信模块为从机，配对码一致，波特率一致，上电即可自动连接。且主机第一次连接后，会自动记忆配对对象[7]。此外，在手机端开发了控制界面，用户可以自由选择照明灯的亮灭和亮度。如图6所示为手机端控制界面，不同的按钮分别对应断开/开启蓝牙、打开/关闭照明、调亮/调暗照明的功能。

2.2 系统软件设计

如图7所示，将该系统模拟应用于照明灯和监控的两种开关控制。

对于照明开关的控制采用蓝牙和传感器双控的方式：当系统初始化完成之后，先检测是否有蓝牙连接，若检测到蓝牙打开，则通过单片机将声控开关和光控开关闭合，同时通过手机来控制灯的开关及亮暗程度。调节照明灯的明暗度是通过手机的信号使得单片机P12端口输出的PWM波的占空比发生变化，间接地改变了照明电路两端的电压，实现了照明的亮暗变化;若蓝牙没有连接，则通过声音传感器和光强传感器控制继电器的通断，进而自动控制照明灯亮灭：只有检测到的光强低于阈值光强30 cd/m2且检测到外部的声音信号时，灯才会打开，延时2 s后自动熄灭。

摄像头开关的控制利用了声音传感器和红外热释电传感器自动触发开关的通断：当检测到有声音信号或活体闯入时，便会立即启动摄像头，实现监控安防的功能[8]。

3 系统功能测试

该系统的整体功能就是在警戒的状态下，能够及时对检测到的声、光、红外信号作出反应，并实现光线充足、有声音振动或者活体闯入时，声控开关和红外热释电感应开关双闭合，摄像头启动;光线不足、有声音振动或外来红外线时，声控开关和红外热释电感应电子开关双闭合，智能家居和照明灯同时启动;同时用手机对照明开关进行远程控制的功能。整体测试结果为：在警戒模式下白天走进监控范围伪装入侵，系统第一时间判断到入侵行为并做出响应，摄像头启动;晚上进行同样的模拟，结果是照明开关和摄像头被同时启动;远程控制功能也如期实现。各模块和传感器的测量结果见表1和表2所列。

由表1输出电压的测定结果可以看出，电桥电路对于交流220 V电压的转换效果比较好，误差在2%以内，且输出的电压满足该系统的工作要求;表2表明红外热释电传感器的有效测量约为6.8 m。

4 结 语

本文设计有效解决了目前市场上智能家居控制的若干问题，实现了对复杂的智能场景的控制，且同时兼备自动触发和远程控制两种模式。该设计不仅增强了不同智能场景的联动性，提高了控制系统的容错率，而且简化了系统的控制方式[9]。但仍可以在如下几个方面进行修改完善，进而使得系统更加完善，人机交互性更强：

（1）手机控制不仅限于蓝牙控制，也可以利用局域网加以控制;

（2）手机不仅可以对照明的亮暗进行控制，也可以对家居开关的工作模式进行设置;

（3）传感器的种类可以根据需要适当扩展，提高系统控制的准确性[10]。

参考文献

[1]王化祥，张淑英.传感器原理及应用[M].天津：天津大学出版社，2016.

[2]焦中平.照明灯声光控制电路及制作[J].科教文汇，2007（5）：200.

[3] Nirmalie Wiratunga，Susan Craw，Bruce Taylor，et al. Case-based reasoning for matching smarthouse technology to people's needs[J]. Knowledge-based systems，2004，17（2）：139-146.

[4]华成英，童诗白.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2006

[5]芦涛.声光控节能灯的制作[J].电子制作，2006（10）：63.

[6]杨亚豪，尤少军，孙华青，等.基于热释电红外传感器的智能照明控制系统设计[J].科技视界，2019（17）：27-28.

[7]邱明松，王望望.家用智能开关的设计与制作[J].计算机产品与流通，2019（7）：147.

[8]刘城龙.基于监控的智能家居系统设计与实现[D].长春：吉林大学，2015.

[9]王嘉鹏.嵌入式系统在物联网中的应用初探[J].信息化建设，2015（12）：93.

[10]张举.基于嵌入式系统视角下的物联网[J].电子技术与软件工程，2017（6）：196-197.