物联网智能家电控制开关设计

程治永

（深圳市富视康智能股份有限公司，广东 深圳 518000）

0 引 言

智能家居作为综合互联网技术、通信技术、自动控制技术等高新技术的集合体，正逐渐替代传统家居系统，应用在各种住宅建筑上。智能家居主要依托于各类智能化产品，如何对这些设备进行合理控制，使家电更加智能、更加安全可靠，是智能家居发展和研究的重点之一。对物联网下智能家电的控制开关设计和研究，有助于推动智能家居自动化、智能化的发展，发挥出智能家居在居家生活中的优势。

1 研究背景

1.1 控制开关现状

控制开关指的是一类用于电气控制或过程控制的特殊开关，具有控制电路通断、隔离强弱电、定位-复位操作及闭锁操作等功能。传统家居电器的控制开关都设置在本地，通过在机壳内和墙壁上布线，使用线缆插座实现连接。墙壁开关的设计思路较为简单，布线方式直接，因此广泛应用在普通家居装修上。随着用户对家电需求的增大，传统开关的弊端也逐渐暴露。

（1）连接日益复杂。传统开关对单个电气设备的连接较为方便，但电器的增多意味着线路网络的复杂度变高，布线过程中需要尽量缩短传输距离，同时避免交叉和大量弯折等，这为家庭电路网络的构建和设计带来了挑战。

（2）传统墙壁开关的使用寿命短。对于需要反复启停操作的电器设备，使用过程中会极大降低开关的灵敏度，缩短开关的使用寿命，容易引发安全事故；同时，开关及连接线缆长期暴露在空气中，会对安全性造成一定影响，例如浴室内照明开关及热水器开关，如果防水、防尘工作不到位，开关会受到水蒸气侵蚀而失去保护作用，从而引发安全故障。

1.2 物联网技术

物联网意为万物互联，指的是设备互联构成的网络，并实现设备间以及云端通信的一种新兴技术。物联网技术将日常生活中的各类设备和事物通过互联网连接起来，通过微型传感器和处理芯片，这些物件可以自动智能地与互联网进行数据传输，由此实现事物的自动化和智能化。

物联网系统通过对数据的实时收集和交换实现运作。一个物联网系统包含智能设备、应用程序和图形界面3个部分[1]。智能设备是一类装备有传感器、可连入网关的、具有计算能力的设备，包括家电、安全摄像头、可穿戴设备等，它们可以从环境中收集数据并通过网络实现系统间通信；应用程序是一类软硬件的结合，具有整合智能设备数据、进行智能决策和执行控制命令的功能，能够对环境做出响应；图形界面是用户和设备的连接通道，将各种数据展现给用户，同时对用户的控制命令进行管理统筹并传送到下级执行单位。

1.3 智能家居

通过物联网技术将家庭内各类设备互相连接，形成一套集照明控制、空调控制、影音服务和安全防范等功能于一体的家居服务系统，构成了智能家居[2]。相比传统家居设计，智能家居不仅保留了居住功能，同时拥有电子设备的智能控制，兼具环境监控、安全警报、全屋信息化、智能化功能，为住户提供多方位信息交互功能和控制手段。此外，智能家居也可以节省能源，避免资源浪费，带来经济效益。

智能家居作为一个新生产业，目前仍处于发展阶段。我国已有大量厂商和品牌在智能家居设备方向活跃，但其软硬件的兼容和配合仍需要持续优化。因此，对其操作系统及相关控制设备的研究，为提高智能家居运行的安全性和稳定性、推动行业发展有着极为重要的意义。

2 物联网控制开关设计

2.1 设计思路

在物联网技术与互联网技术的推动下，智能家电的控制方案有了更多的选择和应用。智能家居的控制开关设计，需要综合考虑以下因素。

（1）针对智能家居的使用场景，具备多点控制功能。传统开关只能实现一对一控制，针对智能家居生态中设备种类繁多的场景，其控制开关必须实现多个设备的分别控制，互不影响。

（2）控制开关如何融入智能家电生态。传统开关不具备联网监测等功能，只能通过人工控制开合，不利于家居智能化的推进。智能家电控制开关需要具备联入物联网平台的功能，从而实现与设备间的通信，更好地与智能家居设备配合。

（3）具备远程控制功能。控制开关必须具备远程操控的能力，不受空间约束，从而让用户实现对家电设备远距离的控制，提升设备使用的便利性，提高生活品质。

综上所述，基于无线技术的控制开关不需要传统物理线束连接，且可以依托互联网平台融入到物联网智能家电生态中，是目前智能家电控制开关的设计方向[3]。无线技术包括调频无线技术、红外无线技术和蓝牙无线技术3种，在自动控制、远距离通信、日常生活等场景都有着广泛应用。

无线控制开关方案相比传统设计，主要有以下优势：首先不需要物理线束连接，因此设备安装灵活，控制方便，可以在任何空间位置实施开关动作；其次，无线控制开关具有高兼容性，依托互联网平台，可以和所有支持联网的智能设备联动，通过局域网通信实现对家电的智能化控制，还可以通过图形界面实现用户交互；同时，无线控制开关集成度高、成本低，不需要繁杂的电子设备支持，因此符合绿色节能的设计理念。

2.2 模块选取

无线智能家电控制开关包括主机模块、从机模块、信息处理模块和用户界面，其工作流程如图1所示。用户通过手机应用或开关上的交互界面输入指令，经过信息处理模块后向主机发送控制命令，主机随即向装载在智能家电设备上的从机模块传输控制指令，从而实现对家电的控制。同时，控制开关还通过主机模块与外设传感器通信，实现对环境变量的智能监测和控制，若环境变量触发其控制信号，主机模块可自主向从机通信从而执行相应控制动作。

图1 无线智能家电控制开关工作流程

主从机模块用于无线通信。目前市场上常采用蓝牙模块或Wi-Fi模块进行通信，物联网蓝牙方案可采用高度集成BLE5.0蓝牙模块，支持SPI/UART/TWI通信协议，可以嵌入大多数智能家电设备中，其通信性能良好、功耗低、接收灵敏度高、传输距离远、封装小[4]。IoT-WiFi方案可采用内置无线网络协议IEEE802.11协议栈以及TCP/IP协议栈的无线Wi-Fi模块，能够实现用户串口或TTL电平数据到无线网络之间的转换。

信息处理模块可采取单片机或arduino硬件平台，其体积小、集成度高、使用便捷，适合物联网智能家电应用场景。

传感器模块可选取温湿度传感器、光照传感器及智能摄像机等设备，与控制开关搭配实现对外部环境的感知和智能动作。

用户交互可通过开发相应软件和应用程序，实现手机移动端的实时信息查看和人工操作等功能。控制开关采集到的环境信息及家电运转情况，通过互联网平台发送至用户手机应用程序，实现用户对智能家电设备的远程监控；同时用户可以在手机端输入指令，通过互联网与控制开关进行通信，实现远方遥控智能设备。

3 应用场景

无线智能家电控制开关可广泛应用于各类家庭住宅及办公场景。家庭应用中，借助家庭网关这一核心部件构建家庭局域网，实现家庭内部智能设备的数据交换以及与外部网络的通信，从而构建全屋智能生态。无线控制开关可以对接入局域网内的智能家电进行监测和自动控制，实现诸如屋内灯光调节、空调系统的智能启停、电器省电模式切换等功能。

其中一个应用场景是结合智能摄像头，构造全屋家庭监控及安防系统。智能摄像头可选取深圳富视康公司生产的826系列夜视智能摄像机，其工作示意如图2所示。826夜视智能摄像机拥有移动侦测、夜视录像功能，支持多终端同时查看画面，可上传录像文件到云端，实现回放及后期处理等需求。配合无线控制开关，摄像头可以在全屋无人值守的情况下实时传输监控画面到用户手机端，方便用户对家中各个设备进行可视化监督，并及时采取措施，例如远程关闭屋内灯源以达到节省能源的目的。同时智能摄像头具备的运动传感器可以对运动中的物体进行捕捉，在陌生人闯入的情况下，可以实时将监控画面传输至用户手机并发出警报，同时控制开关自动执行电子门锁关闭等动作。

图2 826夜视智能摄像机工作示意

除此之外，摄像头可通过外接同系列RF盒子，搭配各类RF智能家电，从而实现无人值守时的居家控制和远程操控，无需用户在现场处理各类情况。RF外接盒子及相关产品搭配如图3所示。

图3 富视康公司生产的RF外接盒子及相关联动设备

4 系统优势

采用无线控制开关技术联合物联网智能家电，实现全屋自动化、智能化，不仅给用户带来便利，同时也优化了生活环境。

（1）无线控制开关技术实现无接触远距离操控，使家电使用更加便捷。在住宅区内用户可通过蓝牙连接模式实现多设备控制；在户外可通过Wi-Fi模块远程传输指令，不受空间约束。这种控制方式提供了更多便利，同时避免物理连接的烦琐和安全隐患，大大提升了人们的生活品质。

（2）无线控制开关技术配合传感器实现智能控制，成本更低，更加环保节能[5]。控制开关搭配温湿度传感器，可实现空调设备的自动调温；搭配光照传感器，可实现室内光源亮度调节；搭配运动传感器和摄像头，可实现人体探测从而进行通断电操作。智能化家居可以更好地节省家庭开支，提升电器使用寿命，符合绿色环保的理念。

（3）无线控制开关具备高兼容性和可扩展性，因此应用场景比传统家居设备更加广泛。结合新型物联网技术和互联网平台，控制开关可以兼容绝大多数联网设备，不仅发挥其控制功能，更可以扩展为家庭终端，对数据实时采集、监测并执行动作，使家居环境更安全可靠，居住条件更舒适。

5 结 论

随着物联网技术的飞速发展，智能化家居也拥有了更广泛的应用空间。对智能家电的控制，是实现全屋生态统一的关键研究方向。采取无线控制开关技术代替传统有线技术，并且接入互联网平台，可以更好地实现智能家电的控制，为未来普及智能家居技术、提升物联网智能家电的自动化和智能化水平具有长远意义。