CN103687244A

CN103687244A - 智能家居照明集中控制主机及其线路铺设方法

Info

Publication number: CN103687244A
Application number: CN201310702265.1A
Authority: CN
Inventors: 于维佳
Original assignee: Liuzhou Railway Vocational Technical College
Current assignee: Liuzhou Railway Vocational Technical College
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-12-19
Also published as: CN103687244B

Abstract

一种智能家居照明集中控制主机及其线路铺设方法，涉及一种照明控制系统及其铺线方法，主机包括无线数据通信模块、中央控制模块、继电器驱动模块、照明接口模块。方法包括在照明线路的火线、零线入户处，专设一个空气开关，该空气开关的火线出线端接入智能家居照明集中控制主机，由主机内将火线分配到照明接口模块，再从照明接口模块的各个接口出线，出线分散地分配至室内各路照明灯具上，使每一路照明灯具专用一根火线，零线共用；在灯具预留墙上安装便于手动控制灯具的开关面板。本发明能智能的对家庭照明方式进行动态调节，便于嵌入智能家居系统中，可靠性强，具有良好的兼容性与扩展性能，成本低廉，可使后期使用维护方便，安全隐患减少。

Description

智能家居照明集中控制主机及其线路铺设方法

技术领域

本发明涉及一种照明控制系统及其铺线方法，尤其是一种智能家居照明集中控制主机及其线路铺设方法。

背景技术

智能家居是基于物联网技术的一项新兴产业，照明控制技术是智能家居的一个重要研究方向。一般照明控制系统由传感器、控制器与灯具等设备组成。智能家居照明控制系统的主要功能是为用户提供方便、智能的家庭照明体验。通常在家用智能家居系统中，照明控制系统负责根据环境量变化、时间推移情况、人员分布状态、用户使用习惯等参数变量，对各类照明设施进行实时监控与自动控制。在现有产品中，美国某公司为商用与家用场合提供了比较先进的解决方案，该公司的“PAC2”灯光控制主机是一种智能照明控制装置，通过专用软件进行设置，具有串口通信、以太网连接功能，内建8路继电器，可以与该公司的“CAEN”系列自动化安装箱联网使用，联网后可对照明设施进行控制。但该设施价格不菲，更适用于商用场合而非普通家用；类似产品在国内尚未得到普及，究其原因，主要是成本太高、维护困难、无法获得良好的用户体验、技术方案难以嵌入家庭装修方案、施工难度大。

授权公告号为CN202998601U的实用新型专利是一种智能家居照明控制系统，该系统结构上包括控制中心与至少一个智能终端，二者依靠zigbee协议通信。其存在的问题有：首先智能终端必须安装在用户原有的开关暗盒处，装置的体积受到限制的后果是增加了开发、施工成本；其次，在使用过程中系统故障时，用户无法手动操纵灯具，只能等待技术人员对智能终端进行检修，特别是当灯具开启后遇到故障无法关闭的情况，存在极大的安全隐患。这种产品系统的主机不直接控制任何照明线路，通过主机命令终端对照明线路进行分布式控制，虽能够在不修改室内照明电路的情况下将照明控制系统嵌入智能家居平台中。但这种做法其实是将后期维护检修的风险转嫁到了用户身上，造成了用户使用上的麻烦与维护的困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种适用于普通家庭的智能家居照明集中控制主机及其线路铺设方法，使其具有成本低廉、可靠性强、使用维护方便的特点。

解决上述技术问题的技术方案是：一种智能家居照明集中控制主机，包括无线数据通信模块、中央控制模块、继电器驱动模块、照明接口模块，其中：

所述的无线数据通信模块用于接收室内环境信息或指令，并将该信息或指令传送至中央控制模块，同时中央控制模块将状态信息通过该无线数据通信模块广播至智能家居无线网络中的各个节点；

所述的中央控制模块接收到无线数据通信模块传来的信息或命令，并对继电器驱动模块发出驱动信号；

所述的继电器驱动模块接收到驱动信号后对照明接口模块发出接通或关断的控制信号；

所述的照明接口模块接收到接通或关断的控制信号后，对各路照明灯进行开启或关闭。

本发明的进一步技术方案是：该智能家居照明集中控制主机还包括有串口通信模块，中央控制模块通过该串口通信模块与PC机连接，以方便升级调试。

本发明的进一步技术方案是：该智能家居照明集中控制主机还包括有显示模块，该显示模块与中央控制模块连接，用于显示当前主机状态信息。

本发明的进一步技术方案是：所述中央控制模块包括C8051F410单片机，该单片机内建32kB Flash，用于保存预置照明方案、用户使用习惯；单片机还搭建有实时时钟电路，用于每天按照对应时间段自动记录用户使用习惯，达到自动学习的功能。

本发明的进一步技术方案是：所述的继电器驱动模块包括74HC595芯片和ULN2803芯片，74HC595芯片用于将串口数据输入转串口数据输出；ULN2803芯片用于驱动电磁继电器线圈。

本发明的进一步技术方案是：所述的照明接口模块包括电磁继电器、PCB板、故障切换开关，所述的PCB板与中央控制模块之间采用插槽方式连接，以方便添加、裁剪接口数量；所述的故障切换开关在用户遇到故障时，将照明线路恢复到手动控制的模式。

本发明的进一步技术方案是：所述的无线数据通信模块采用nRF24L01电路模块，该nRF24L01电路模块通过SN74LVC4245芯片、TXB0102芯片与单片机连接。

本发明的进一步技术方案是：所述的串口通信模块包括MAX3232串口通信芯片，用于在使用中的系统升级与调试维护工作。

本发明的进一步技术方案是：所述的显示模块包括LCD液晶显示模组。

本发明的更进一步技术方案是：一种智能家居照明集中控制主机的线路铺设方法，在照明线路的火线、零线入户处，专设一个方便住户日后维护室内照明线路的空气开关，该空气开关的火线出线端接入智能家居照明集中控制主机，在智能家居照明集中控制主机内由中央控制模块将火线分配到照明接口模块，再从照明接口模块的各个接口出线，出线分散地分配至室内各路照明灯具上，使每一路照明灯具专用一根火线，零线共用；在灯具预留墙上安装便于手动控制灯具的开关面板。

由于采用上述结构，本发明之智能家居照明集中控制主机及其线路铺设方法与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.可靠性强：

本发明能够通过无线通信接收室内环境信息或指令并自动处理这些信息或指令，同时通过改变家庭装修室内照明线路铺设方法，使得对室内照明设施的集中式监测与控制，实现对各个灯具开启、关闭的独立管理。主机能够预置情景模式，并根据时间推移、人员分布情况、用户使用习惯等信息动态地对灯具进行控制，实现智能家居照明控制。主机在发生故障时，拥有一种简单的故障屏蔽机制，能够使用户能够通过最简单的方法，对照明设施进行手动控制，当主机恢复工作后，能使用户通过最简单的方法再次将照明控制权交给主机。另外，主机拥有LCD显示，能显示系统工作状态；主机具备串口通信接口，能利用PC机方便地进行升级、调试。因此，本发明能智能的对家庭照明方式进行动态调节，便于嵌入智能家居系统中，可靠性强，具有良好的兼容性与扩展性能。

2. 成本低廉：

本发明可根据具体应用场合，主机的接口数量可以扩充或减少，避免了资源浪费，节约了用户安装成本。而且本发明改变了家庭装修中照明线路布线方法，通过“一进多出”的线路铺设方法，并通过照明集成控制主机对家庭室内照明设施进行集中式的管理和控制，使得智能家居照明控制方案得以嵌入家庭装修方案，利用这种控制方法，可以极大地减少用户在使用过程中的麻烦，并降低了维修成本，提高了智能家居系统的健壮性与可靠性。

3.使用维护方便：

本发明将入户照明主线路接入主机，由主机接管所有室内照明线路，能够对各个照明设施进行集中式的控制。该主机的技术特点使得可以嵌入家庭装修中照明布线工程中，由于是集中式管理照明线路，因此在家庭装修中无需使用特殊的暗盒、开关面板。在智能系统故障失效时，用户可简单地通过主机预置的开关进入故障模式，此时通过墙上的开关面板可以手动开启、关闭灯具。因此，本发明可使后期使用维护方便，安全隐患得到大大减少。

4. 可获得良好的用户体验：

本发明对单片机进行开发，通过LCD显示主机工作状态，可以由用户预设照明方案，并能智能学习用户使用习惯，从而获得良好的用户体验。

下面，结合附图和实施例对本发明之智能家居照明集中控制主机及其线路铺设方法的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1：实施例一所述本发明之智能家居照明集中控制主机的总体结构框图，

图2：实施例一所述本发明的中央控制模块、显示模块与串口通信模块的电路原理图，

图3：实施例一所述本发明的无线数据通信模块的电路原理图，

图4：实施例一所述本发明的继电器驱动模块的电路原理图，

图5：实施例一所述本发明的照明接口模块的电路原理图（一组8位）。

图6：实施例二所述本发明之智能家居照明集中控制主机的线路铺设方法的示意图。

具体实施方式

实施例一：

一种智能家居照明集中控制主机，包括无线数据通信模块、中央控制模块、继电器驱动模块、照明接口模块、串口通信模块、显示模块，其中：

所述的无线数据通信模块用于接收室内环境信息或指令，并将该信息或指令传送至中央控制模块，同时中央控制模块将工作状态通过该无线数据通信模块广播至智能家居无线网络中的各个节点；该无线数据通信模块采用nRF24L01电路模块，该nRF24L01电路模块使用SN74LVC4245芯片、TXB0102芯片片进行端口电平转换，以便与+5V单片机IO口连接；在2.4GHz通用ISM 频段进行无线通信，抗干扰能力强，通信距离可达100米，适用于低成本的无线通信系统的开发，保证了主机无线通信的可靠性与保密性。

所述的中央控制模块接收到无线数据通信模块传来的信息或命令，同时根据实时时钟信息与内置情景模式信息，随时动态地调整工作状态，并对继电器驱动模块发出驱动信号；该中央控制模块包括C8051F410单片机，该单片机具有抗干扰性能强，防破解能力优秀、封装体积小、成本低等优点；单片机内建32kB Flash，可用于保存预置照明方案、用户使用习惯；单片机集成实时时钟外设，外接32.768kHz晶振与纽扣电池即可搭建实时时钟电路，便于用户建立基于时间的照明方案搭建有实时时钟电路，每天按照对应时间段自动记录用户使用习惯，达到自动学习的功能；

所述的继电器驱动模块接收到驱动信号后对照明接口模块发出接通或关断的控制信号，该继电器驱动模块包括74HC595芯片和ULN2803芯片，74HC595芯片用于将串口数据输入转串口数据输出，4个74HC595芯片采用级联的方式，只需通过单片机的4根IO口线作为输入，便可扩展至32位并行数据输出；ULN2803芯片用于驱动电磁继电器线圈；ULN2803芯片具有8路输出管脚，单管脚驱动电流可达500mA，该芯片足够驱动8个继电器。

所述的照明接口模块接收到接通或关断的控制信号后，对各路照明灯进行开启或关闭，该照明接口模块包括电磁继电器、PCB板、故障切换开关，所述的PCB板与中央控制模块之间采用插槽方式连接，以方便添加、裁剪接口数量；所述的故障切换开关在用户遇到故障时，将照明线路恢复到手动控制的模式；用户通过该故障切换开关可以将照明入户火线与照明接口出线接通，然后通过手动操作墙上开关面板来控制灯具的开启或关闭；

所述的串口通信模块用于将中央控制模块与PC机连接，以方便升级调试，该串口通信模块包括MAX3232串口通信芯片，用于在使用中的系统升级与调试维护工作；

所述的显示模块与中央控制模块连接，用于显示当前主机状态信息，该显示模块包括串口MzLH03-12864的LCD液晶显示模组，128×64的分辨率足够显示主机工作状态。

在图1中，照明线路入户火线连接该智能家居照明集中控制主机，并通过照明接口模块被分配至家庭室内照明设施；中央控制模块通过无线数据通信模块接收信息与命令，同时根据实时时钟信息与内置情景模式信息，对继电器驱动模块进行控制，继电器驱动模块对照明接口模块进行接通或关断的控制，从而达到主机对各路照明灯具的开启或关闭的控制目的。另外，主机中串口通信模块能与PC机连接，方便升级调试；主机还配备显示模块显示相关信息，方便用户了解当前主机状态。

图2为本发明的中央控制模块与串口通信模块的电路原理图，在该图2中，中央控制模块采用C8051F410单片机（U1）搭建电路。该单片机内置的32k Flash可用于保存预置照明情景模式方案，内置的实时时钟使用+3V电池（Battery）与32.768kHz晶振（X1）工作；图中ISP接口为在线编程接口，用于程序开发阶段，由于U1内置振荡电路，通过写专用寄存器最高可设置49MHz系统时钟，因此图中没有外接晶振。C8051F410在本设计中使用的端口电压为+5V，而串口MzLH03-12864LCD液晶显示模组使用+3.3V电压，因此加入了SN74LVC4245（U7）芯片进行端口电平转换。串口通信模块包括MAX3232芯片（U2）与RS232接口，U2负责进行电平转换，使得单片机能够与PC机进行串口通信。

图3为本发明的无线数据通信模块的电路原理图，该模块使用nRF24L01无线数据传输模块设计电路。由于nRF24L01使用+3.3V信号电平，因此利用SN74LVC4245（U5）芯片进行端口电平转换，包括4个输入信号，方向是从单片机流入nRF24L01；另外利用TXB0102芯片进行端口电平转换，包括2个输出信号，方向是从nRF24L01流入单片机。

图4为本发明的继电器驱动模块的电路原理图，包括4片74HC595串口/并口转换芯片（A1、A2、A3、A4）级联，用于扩展单片机的IO口线。4片74HC595芯片级联的具体实施方式为：A1的串口输入端口14脚直接与单片机U1的9脚相连、A1的串口输出端口9脚与A2串口输入端口14脚相连、A2的串口输出端口9脚与A3串口输入端口14脚相连、A3的串口输出端口9脚与A4串口输入端口14脚相连；其中A1、A2、A3、A4的10、11、12脚分别直接与U1单片机的10~12脚相连；这样实现用单片机4位IO口输入32位输出。ULN2803达林顿管驱动芯片（ULN01、ULN02、ULN03、ULN04）用于驱动继电器线圈，每片芯片直接对应驱动8个继电器，芯片输出端口接4个插槽，用于连接后级模块。

图5为本发明的照明接口模块的电路原理图，该图5中给出一组共8位接口的电路原理图，每一组模块在制作PCB时包括10脚的插脚（插脚1）。图中画出一组照明接口电路，包含8位的照明接口，对应8个电磁继电器（Relay01 ~ Relay08），入户线火线L进入主机后与继电器动作端口相连，当继电器动作时，L接入照明接口（照明接口01~08），此时灯具启动。图中给出故障切换开关01~08。当主机故障时：若继电器无法动作导致灯具无法开启使用，此时按下故障切换开关可以接通火线与照明接口，此时用户可以手动开启灯具；若故障导致继电器不正常动作，用户希望关闭灯具时，可以通过墙上开关面板进行手动关灯操作，避免了危险的发生。

实施例二：

一种智能家居照明集中控制主机的线路铺设方法，其示意图参见图6所示，左虚线框内是照明线路的火线、零线入户处，按照家庭装修入户线路铺设方法在该火线、零线入户处专设一个空气开关，以方便住户日后维护室内照明线路。图6中右侧虚线框内标明室内照明线路布线施工方法：该空气开关QF的火线出线端接入智能家居照明集中控制主机，在智能家居照明集中控制主机内由中央控制模块将火线分配到照明接口模块，再从照明接口模块的各个接口出线，出线分散地分配至室内各路照明灯具上，使每一路照明灯具专用一根火线，零线共用；在灯具预留墙上安装便于手动控制灯具的开关面板。

Claims

1.一种智能家居照明集中控制主机，其特征在于：包括无线数据通信模块、中央控制模块、继电器驱动模块、照明接口模块，其中：

2.根据权利要求1所述的智能家居照明集中控制主机，其特征在于：该智能家居照明集中控制主机还包括有串口通信模块，中央控制模块通过该串口通信模块与PC机连接，以方便升级调试。

3.根据权利要求1所述的智能家居照明集中控制主机，其特征在于：该智能家居照明集中控制主机还包括有显示模块，该显示模块与中央控制模块连接，用于显示当前主机状态信息。

4.根据权利要求1所述的智能家居照明集中控制主机，其特征在于：所述中央控制模块包括C8051F410单片机，该单片机内建32kB Flash，用于保存预置照明方案、用户使用习惯；单片机还搭建有实时时钟电路，用于每天按照对应时间段自动记录用户使用习惯，达到自动学习的功能。

5.根据权利要求1所述的智能家居照明集中控制主机，其特征在于：所述的继电器驱动模块包括74HC595芯片和ULN2803芯片，74HC595芯片用于将串口数据输入转串口数据输出；ULN2803芯片用于驱动电磁继电器线圈。

6.根据权利要求1所述的智能家居照明集中控制主机，其特征在于：所述的照明接口模块包括电磁继电器、PCB板、故障切换开关，所述的PCB板与中央控制模块之间采用插槽方式连接，以方便添加、裁剪接口数量；所述的故障切换开关在用户遇到故障时，将照明线路恢复到手动控制的模式。

7.根据权利要求1所述的智能家居照明集中控制主机，其特征在于：所述的无线数据通信模块采用nRF24L01电路模块，该nRF24L01电路模块通过SN74LVC4245芯片、TXB0102芯片与单片机连接。

8.根据权利要求2所述的智能家居照明集中控制主机，其特征在于：所述的串口通信模块包括MAX3232串口通信芯片，用于在使用中的系统升级与调试维护工作。

9.根据权利要求4所述的智能家居照明集中控制主机，其特征在于：所述的显示模块包括LCD液晶显示模组。

10.一种智能家居照明集中控制主机的线路铺设方法，其特征在于：在照明线路的火线、零线入户处，专设一个方便住户日后维护室内照明线路的空气开关，该空气开关的火线出线端接入智能家居照明集中控制主机，在智能家居照明集中控制主机内由中央控制模块将火线分配到照明接口模块，再从照明接口模块的各个接口出线，出线分散地分配至室内各路照明灯具上，使每一路照明灯具专用一根火线，零线共用；在灯具预留墙上安装便于手动控制灯具的开关面板。