智能家用电器开关控制系统设计

智能应用

随着家用电器的大量普及，给人们的生活带来了极大便利的同时，也增添了许多安全隐患。因此，在家中无人时，应及时切断电源，这不仅节省电力，还能预防火灾的发生。人们对便捷安全的家居生活的需求正促使了智能家居的出现。智能家居是指将家中的通讯设备、家用电器等借助一定的通讯媒介相连起来以完成监控和控制等。智能家居在中国发展迅速，据估测，到 2020年时，大中型城市中60%的住宅将会应用智能家居控制系统。

然而，现有的智能家居控制系统基本局限为内网控制的方式，即设备与控制终端处于同一局域网内。虽然实现了无线远程控制，但是这种“远程”却十分有限，这种意义下的智能家居控制并非完全智能。因此，本设计是采用互联网通信技术，将家用电器、各类传感器和用户的手机等通过新的方式联接在一起，实现外网终端访问内网设备，让人们在任何有网络信号（包括移动通信和WIFI）的地方可以随心所欲地操控家用电器，让智能家居真正走出家门。

1 系统组成

基于APP的智能家用电器开关控制系统主要由家用电器、嵌入式控制电路、WIFI路由器、服务器端及手机APP 客户端五部分组成。其基本结构图如图1所示：其中，（a）图为智能家用电器开关控制系统的原理图。嵌入式控制电路通过与家用电器相连实时检测家用电器的工作状态，用户通过手机APP客户端发送控制指令，指令经由服务器和WIFI 路由器下达，嵌入式控制电路执行相应控制动作，完成对家用电器的远程控制。（b）图为嵌入式控制电路的具体结构，嵌入式控制电路的核心为单片机控制电路，外围电路为各类检测电路和开关控制电路。整个嵌入式控制电路主要完成对家用电器运行状态的实时检测以及执行服务器发送的指令。■1.1 嵌入式控制电路

嵌入式控制电路，主要包括整流滤波和稳压电路[1]，单片机控制电路和监测电路等。通过嵌入式控制电路，将完成对家用电器运行状态的实时检测并上报至服务器。同时，执行从服务器下传的操作指令，完成对不同家用电器的开关控制。

（a）系统原理图

（b）嵌入式控制电路结构图

图1 智能开关控制系统结构图

1.1.1 整流滤波和稳压电路

在正常的情况下，220V的交流输入电压经过整流、滤波，DC\DC变换[2]、稳压电路后可得到一个稳定的5V直流输出电压，可直接作为手机等设备的充电端口，也可作为继电器的控制电源。

1.1.2 单片机控制电路

单片机控制电路主要功能是完成对过电压的瞬时值和峰值的检测、过电压次数的检测、电源输出电压和电流及温度的检测，并通过在远端显示出各个电压值的大小；同时通过接口和远端实现通讯，在有过电压的时候通过控制回路断开电源，实现对用电设备的智能保护。

1.1.3 监测电路

① 过电压监测电路

过电压监测电路：过电压保护的基本原理是在瞬态过电

智能家用电器开关控制系统设计

李丽秀1，陈生畅2，肖世雄3，王佳兴2，卢振宇2，刘锋墅2（1.华南理工大学物理与光电学院，广东广州，510641；2.华南理工大学电子与信息学院，广东广州，510641；3.华南理工大学机械与汽车工程学院，广东广州，510641）

资助项目：2018国家级大学生创新创业项目（201810561035）；华南理工大学校级教改项目（j2jw-Y9160780、x2wl-Y1171560)）；华南理工大学探索性实验项目（x2wl-Y1160420）；华南理工大学2018本科教育产学研合作项目（x2wl-Y9180770）。

摘要：本文在智能家居以及智能手机广泛普及的大背景下，以时下相当流行的智能家居作为切入点，提出一种基于安卓智能手机的具有远程监视和远程控制功能的智能家用电器开关控制系统，以实现使用安卓智能手机作为控制终端，远程监视和远程控制家用电器开关的功能。该控制系统利用互联网通信技术，通过接入服务器实现外网终端对内网设备的远程访问，从而实现真正意义的远程开关控制。

关键词：智能家居；家用电器开关；远程控制

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44 | 电子制作 2018年8月

智能应用

压发生的时候（微秒或纳秒级）通过过电压检测电路对这个信号进行检测，过电压检测电路中主要的元件是压敏电阻，

压敏电阻相当于很多串并联在一起的双向抑制二极管，电压超过箝位电压时，压敏电阻导通；电压低于箝位电压时，压敏电阻截止。这就是压敏电阻的电压箝位作用，压敏电阻工作极为迅速，响应时间在纳秒级。

② 输出电压电流检测电路

检测电路实时对电压电流值进行采样，并在采样后将结果传输至单片机进行后续的处理，并能够在状态异常情况下自

动断开电源，保护用电设备，确保用电安全，并启动报警电路。③ 温度检测电路

检测电路实时对智能家用电器开关控制系统工作温度

值进行采样，并在采样后将结果传输至单片机进行后续的处理，当工作温度值大于所设置的阈值温度时，即状态异常情况下，控制系统自动断开电源，保护用电设备，确保用电安

全，并启动报警电路。

④ 报警电路

过电压检测电路或者输出电压电流、温度检测电路发生异常导致状态异常时电路电源无法自动切开，对用电设备造成伤害，单片机控制报警电路执行；同时，将报警信息传递给通信设备（APP）。 ■1.2 手机APP 客户端

手机APP 客户端，是基于Android 开发平台，采用

Java 语言设计的[3]。通过操作手机APP 客户端，实时监控家用电器的运行状态，下传操作指令控制不同的家用电器，

查看家用电器使用日志和耗电情况。

图2 APP 操作页面

手机APP 操作界面图如图2所示，打开手机APP 客户

端，进入登录界面，登录家庭账户，选择并绑定进行远程控制的家庭。输入要WIFI 路由器的名称及密码，智能家用电器开关控制系统自动搜索并连接到WIFI 路由器，连接以后

即可使用手机对接入智能家用电器开关控制系统的家用电

器进行远程控制。 ■1.3 服务器端

服务器端，是家用电器与手机APP 客户端进行信息通

讯的媒介。采用服务器和广域网通讯方式，消除距离限制，只要是有网络的地方即可上传和下载数据信息，实现对家用电器的远程监控。

从服务器端可以查看家用电器的设备日志和使用情况，

其中设备日志记录了手机APP 客户端下达到家用电器的控制指令以及家用电器主动上报到手机APP 客户端的设备信息；除此之外，服务器端记录了家用电器的使用情况，包括启动时间、持续时间、使用次数等等，以便进行定时维护和故障排查；也可通过手机APP 客户端查看近期家用电器的

耗电情况，包括电流，功率和耗电量等等，以提高家用电器的合理使用和及时发现故障。

2 系统调试

通过前面的制作过程，得到完整实物电路和手机APP

客户端并进行调试，调试过程主要包括：嵌入式控制电路单独功能调试、手机APP 客户端和服务器连接调试、嵌入式控制电路和服务器连接调试、整体结构改进优化。其中，嵌入式控制电路调试主要检验硬件电路能否实现输出电压电流检测、过电压监测、温度检测以及报警功能，该步骤对实现开关控制系统功能多样性起到关键作用；手机APP 客户端和服务器连接调试、嵌入式控制电路和服务器连接调试实现嵌入式控制电路和手机APP 客户端通过服务端进行沟通和信息传递；整体结构改进优化主要是在成功实现预期功能基础上进一步提高工作响应速度、稳定性。

通过嵌入式控制电路，完成对家用电器运行状态的检测

并上报至服务器，服务器再将数据传输至手机APP 客户端。同时，可以执行从服务器下传的操作指令，进行不同家用电器的开关控制，最终实现使用安卓智能手机作为控制终端，远程控制家用电器开关的功能。调试结果表明：采用互联网通信技术，把家用电器、各类传感器和用户的手机等通过服务器的方式联接在一起，实现外网终端访问内网设备，进而实现在有网络信号的地方就可以随心所欲地操控家用电器，

让智能家居真正走出家门。

3 结束语

本设计将家用电器、嵌入式控制电路、WIFI 路由器、服

务器端及手机APP 客户端组成了基于APP 的智能家用电器开关控制系统。根据前期的电路仿真和实物测试优化，成功采用互联网通信技术，把家用电器、各类传感器和用户的手机等通过服务器的方式联接在一起，实现外网终端访问内网设备，进而实现在有网络信号的地方就可以随心所欲地操控家用电器，达到预期设计的目标。所设计的电路简单，实物小巧，

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