CN105120563A - 一种基于单片机的智能家居照明系统 - Google Patents

一种基于单片机的智能家居照明系统 Download PDF

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杨东
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Abstract

本发明公开了一种基于单片机的智能家居照明系统，包括单片机控制芯片、网络模块、串口通信模块、电路驱动模块、照明模块、路由器、GSM模块和终端，单片机控制芯片分别连接网络模块、串口通信模块和电路驱动模块，电路驱动模块还连接照明模块，网络模块还连接路由器，串口通信模块还连接GSM模块，GSM模块还通过终端连接路由器。本智能家居照明系统是以STC12C5A60S2单片机控制芯片为控制核心，利用WiFi模式与移动通信GSM模块对家居照明系统进行智能控制，实现远程控制与本地控制模式。

Description

一种基于单片机的智能家居照明系统
技术领域
本发明涉及一种照明系统，具体是一种基于单片机的智能家居照明系统。
背景技术
智能照明系统为智能家居的一个分支，智能家居的概念早在20世纪80年代便被提出，随着大量采用电子技术的家用电器面试，自此，住宅电子化开始实现；80年代中期，将家用电器、通信设备与安全防范设备各自独立的功能综合为一体，又形成了住宅自动化概念；至80年代末，由于通信与信息技术的发展，出现了通过总线技术对住宅中各种通信、家电、安防设备进行监控与管理的商用系统，这在美国被成为SmartHome，也就是现在智能家居的原型。
1984年，世界上第一所公认的智能建筑在美国康涅狄格州落成，随后国内外各高校和机构进行了大量关于智能家居或智能家居系统的研究。其中最著名的是美国的X-10电力线载波技术，X-10电力载波通信协议是利用家庭中的电力线路作为载体，进行灯光控制信号的传输，把120kHz的b通过X-10通信协议，编码信号加载至60Hz(我国为50Hz)的线路上，可实现家中各个设备的资源共享。
目前国际上应用最为广泛的是CAN总线，其广泛使用在离散控制领域。CAN总线使用了短帧结构传输信号，传输时间较短；抗干扰能力较强；通讯距离较长，最远可达10km；通讯速率高达40Mbps。采用CAN总线技术开发的分布式楼宇控制系统在家居控制、森林监控、消防警报等检测和监控领域得到了充分应用并取得了良好的效果。
如今，智能家居系统在美国、德国、日本、新加坡等国都有了比较广泛的应用，美国有超过400万户的家庭安装了智能家居系统，新加坡有约30个社区，5000多户家庭采用了智能家居控制系统。
国内智能家居发展至今仅有大约十年的时间，随着人们从陌生到熟悉，从误解到理解，智能家居的发展道路可谓非常坎坷！它经过了早期的概念普及期到现在开始进入快速的发展期。目前，我国智能家居三大企业海尔、克隆、清华同方根据消费者不同的需求，从不同角度研发出适应各自市场的产品——“e家庭”、“集散控制系统”、“e-home”。
照明控制方式的发展则建立在智能家居发展的基础之上，借鉴了舞台灯光控制系统，从传统的开关控制发展到自动照明控制方式，进而再发展到智能照明控制方式。在控制的方式上，从最初的传统手工开关控制，发展到传感器、定时器等智能芯片的开关控制，甚至还出现了环境调光、电位器调光，发展到利用可控硅或晶体管等的智能控制进行调光。这些照明方式不仅实现了照明的自动控制，节约了能源消耗，还大大延长了照明设备的使用寿命，从而发挥了新兴照明设备的经济效益使用效益以及可持续发展的社会效益。
直至今天，国外对于灯光照明控制系统的开发已经有了非常突出的进展。国外早在90年代就开始从事智能照明系统的开发与应用，相继出现了不少智能照明设备、智能照明控制系统以及管理系统，例如澳大利亚奇胜科技的C-BUS总线、瑞士ABB的公司I-BUS总线、日本松下的HBS协议、欧洲EIB安装总线、美国的LonWorks总线等总线控制协议、控制系统。这些协议及系统需要将各个不同的设备仪器通过通信媒介连接起来，根据媒介的不同可以分为：总线类型、电力线载波类型、无线类型等。
然而在灯光调控节能方面的研究上，我国的起步则较晚，技术落后于国外。灯光调控的使用率对比来看，在美国占约70％，在欧洲占约45％，而在亚洲仅占10％～15％，在亚洲，日韩占约15％～20％，而中国占还不到1％。虽然我国照明控制技术起步相对路后，但在控制技术方面的研究也相当迅速，例如发展了IHCC住宅智能中心控制系统等。
LED灯驱动最初选用功率光耦TLP250进行直接驱动，TLP250是一种可输出大电流的功率光耦，原理图如图3所示，其输出电流最高可达1.5A，且可直接由单片机控制芯片I/O口进行控制，大大提高元器件使用效率。
但是在后期系统检测的时候发现，TLP250在连续带载工作10分钟后，输出端三极管会有被击穿的风险，实验中所用的四枚TLP250功率光耦均在连续工作10分钟后，先后被击穿，失去了开关作用。
经过进一步分析，我们得出被击穿的两种可能原因。一是长时间的工作电流导致三极管击穿。测得接通状态下负载电流在100mA至500mA之间，虽然TLP250最高输出电流可达1.5A，但是长时间500mA的电流输出会导致发热量增高，引发击穿的风险。二是LED照明灯可能存在感性负载，在光耦关断的瞬间产生过电压，从而击穿光耦的输出三极管。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于单片机的智能家居照明系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种基于单片机的智能家居照明系统，包括单片机控制芯片、网络模块、串口通信模块、电路驱动模块、照明模块、路由器、GSM模块和终端，所述单片机控制芯片分别连接网络模块、串口通信模块和电路驱动模块，电路驱动模块还连接照明模块，网络模块还连接路由器，串口通信模块还连接GSM模块，GSM模块还通过终端连接路由器。
作为本发明进一步的方案：所述单片机控制芯片STC12C5A60S2。
作为本发明进一步的方案：所述路由器采用FAST-FW150R家用路由器。
作为本发明进一步的方案：所述GSM模块采用移动通信模块GTM900-C。
作为本发明进一步的方案：所述串口通信模块采用RS232。
作为本发明进一步的方案：所述电路驱动模块采用MOSFET-IRF640N，单片机控制芯片I/O口与IRF640之间加上逻辑芯片74HC03N。
作为本发明进一步的方案：所述照明模块采用LED灯。
作为本发明进一步的方案：所述终端采用手机智能终端。
作为本发明再进一步的方案：所述网络模块采用W5500。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本智能家居照明系统是以STC12C5A60S2单片机控制芯片为控制核心，利用WiFi模式与移动通信GSM模块对家居照明系统进行智能控制，实现远程控制与本地控制模式。利用W5500网络芯片和RJ45接口完成与路由器的连接，设计外围照明驱动电路驱动照明LED灯工作。远程采用GTM9000-C模块实现远程客户通信。控制端则使用了智能手机iPhone作为终端控制器，实现家庭Wi-Fi环境中通信与远程移动通信，从搭载的软件App中发出控制指令实现控制的功能。室内家居照明采用各色LED灯实现不同环境的灯光照明，共设计4组灯光照明，比如夜间启动淡蓝色灯光照明，使人容易入睡，主人下班较累时，可以在楼下就启动暖色调灯光系统等。该系统同时采用WiFi模式与移动通信模式远程控制家居照明系统，既可以充分利用家庭宽带系统，节约成本，又可以实现远程开关灯光的控制。
附图说明
图1为基于单片机的智能家居照明系统的电路原理框图；
图2为基于单片机的智能家居照明系统的电路图；
图3为现有的LED照明驱动电路。
图4是图2中的局部电路图；
图5是图2中的局部电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～3，本发明实施例中，一种基于单片机的智能家居照明系统，包括单片机控制芯片、网络模块、串口通信模块、电路驱动模块、照明模块、路由器、GSM模块和终端，单片机控制芯片分别连接网络模块、串口通信模块和电路驱动模块，电路驱动模块还连接照明模块，网络模块还连接路由器，串口通信模块还连接GSM模块，GSM模块还通过终端连接路由器。
单片机控制芯片STC12C5A60S2。
路由器采用FAST-FW150R家用路由器。
GSM模块采用移动通信模块GTM900-C。
串口通信模块采用RS232。
电路驱动模块采用MOSFET-IRF640N，单片机控制芯片I/O口与IRF640之间加上逻辑芯片74HC03N。
照明模块采用LED灯。
终端采用手机智能终端。
网络模块采用W5500。
LED灯驱动最初选用功率光耦TLP250进行直接驱动，TLP250是一种可输出大电流的功率光耦，原理图如图3所示，其输出电流最高可达1.5A，且可直接由单片机控制芯片I/O口进行控制，大大提高元器件使用效率。
但是在后期系统检测的时候发现，TLP250在连续带载工作10分钟后，输出端三极管会有被击穿的风险，实验中所用的四枚TLP250功率光耦均在连续工作10分钟后，先后被击穿，失去了开关作用。
经过进一步分析，我们得出被击穿的两种可能原因。一是长时间的工作电流导致三极管击穿。测得接通状态下负载电流在100mA至500mA之间，虽然TLP250最高输出电流可达1.5A，但是长时间500mA的电流输出会导致发热量增高，引发击穿的风险。二是LED照明灯可能存在感性负载，在光耦关断的瞬间产生过电压，从而击穿光耦的输出三极管。
此后改进照明驱动电路，如图2、5所示为单片机控制芯片P0.0口控制的LED照明灯的驱动电路，选用MOSFET-IRF640N替换光耦TLP250进行驱动。本次设计的四枚LED照明灯分别由一个驱动电路进行驱动。图2中IRF640N为N沟道MOSFET，25摄氏度条件下持续输出电流可达18A，栅极击穿电压高达200V。单片机控制芯片I/O口与IRF640之间加上逻辑芯片74HC03N，74HC03N为二输入四与非门逻辑芯片，较之74LS03二输入四与非门芯片具有高速开关特性，此外，该芯片为OC门漏极输出，当输入低电平时输出为高阻状态，需接一个1K的上拉电阻，方能正常输出高电平。74HC03N在电路中作为IRF640的驱动芯片，同时兼具隔离单片机控制芯片信号的作用，将两个二输入与非门的输入输出端短接，使其并联工作，增加芯片工作的可靠性。与照明LED灯并联的FR107为快恢复二极管，反向耐压1000V，正向连续电流1A，在此起到续流的作用，用以避免LED照明灯中可能存在的感性负载所导致的关断时的过电压。在此基础上额外并联一个100μF的极性电容至LED照明灯，用以缓解PWM输出，高占空比时照明灯的闪烁现象。
此系统中各种芯片及电路需要独立的电源系统，主要用到两种电源，分别是12V和5V直流电。12V电源由AD-DC模块产生，该模块由220V交流电输入，经整流降压输出12V直流电，最大负载电流2A，除了为照明电路供电，还作为12V-5V降压模块的输入端。以LM2596-ADJ为核心的降压模块为系统供5V电源，LM2596-ADJ是德州仪器(TI)公司的降压开关型集成稳压芯片，可输出5V电压为单片机控制芯片等芯片供电。
因为我国家用电标准是220V、50Hz的交流电，整个智能家居照明系统可直接在家庭中使用，无需额外电源配合。
目前用于家用无线设备通讯的技术主要有3种：ZigBee技术、WIFI技术、BlueTooth蓝牙技术。
ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，蜜蜂使用飞翔和“嗡嗡”地抖动翅膀这种“舞蹈”行为与同伴传递花粉所在方位的信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式与群体中的其他个体进行信息的传递，也就是通信。ZigBee技术的优点是传输距离近、复杂程度低、自组织、低功耗、工作频段灵活可靠，缺点是传输范围小、数据传输速率低、系统兼容性差。ZigBee技术主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。综上，ZigBee是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。
WIFI是一种可以将各种通讯设备或终端以无线方式互相连接的技术，而其本身是一种高频无线电技术，基于IEEE802.11系列协议，其优势是传输速度快、健康安全、应用普遍、设备兼容性高，缺点是网络覆盖范围有限、移动性不足。
BlueTooth(蓝牙)是一种无线技术标准，能在包括移动电话、手持设备相关外设等之间进行无线信息交换，最初基于IEEE802.15.1标准，如今已不再维持该标准，其优点是适用性广、可建立临时对话、抗干扰能力强，缺点是体积较大、成本高。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够简化设备与因特网Internet之间的通信，从而使数据传输变得更加迅速高效。
根据以上分析，选用WIFI技术作为本次设计的核心通讯技术，主要看中其优点中的应用普遍、设备兼容性高。目前WIFI技术已经应用到各家各户，家庭WIFI网络已经非常普遍，若本次设计的智能家居照明系统应用到各家庭中，不需要搭建额外的网络环境便可使用，减少了约50％的成本。此外，由于是在家庭中使用该网络技术，对覆盖范围要求不高，且对移动性的要求几乎为零，所以WIFI技术所固有的缺点在本次设计的系统中便不复存在。
W5500是一款全硬件TCP/IP嵌入式以太网控制器，支持TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP以及PPPoE协议，为嵌入式系统提供了更加简易的互联网连接方案。W5500集成了TCP/IP协议栈，内部具有32K字节存储器作为TX/RX缓存；支持10/100Mbps的网络传输速度，支持8个独立端口同时运行，使得用户使用单芯片就能够在应用中拓展网络连接，其原理图如图2所示。其中，电源部分由L1117T稳压芯片组成的降压电路构成，用以将外围电路输入的5V电源降压至3.3V为W5500芯片供电，W5500拥有独立晶振提供时钟周期计算。
W5500内嵌32K字节片上缓存，用户只需一些简单的Socket编程就能实现以太网通信，这种方法快捷、简便。W5500提供了SPI(外设串行接口)与MCU主控芯片通信，虽然STC12C5A60S2没有专门用于SPI通信的接口，但是使用软件可以将普通I/O口模拟为SPI接口，从而实现W5500与STC12C5A60S2之间的通信，进以完成单片机控制芯片和网络中控制设备之间的通信。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种基于单片机的智能家居照明系统，包括单片机控制芯片、网络模块、串口通信模块、电路驱动模块、照明模块、路由器、GSM模块和终端，其特征在于，所述单片机控制芯片分别连接网络模块、串口通信模块和电路驱动模块，电路驱动模块还连接照明模块，网络模块还连接路由器，串口通信模块还连接GSM模块，GSM模块还通过终端连接路由器。
2.根据权利要求1所述的基于单片机的智能家居照明系统，其特征在于，所述单片机控制芯片STC12C5A60S2。
3.根据权利要求1所述的基于单片机的智能家居照明系统，其特征在于，所述路由器采用FAST-FW150R家用路由器。
4.根据权利要求1所述的基于单片机的智能家居照明系统，其特征在于，所述GSM模块采用移动通信模块GTM900-C。
5.根据权利要求1所述的基于单片机的智能家居照明系统，其特征在于，所述串口通信模块采用RS232。
6.根据权利要求1所述的基于单片机的智能家居照明系统，其特征在于，所述电路驱动模块采用MOSFET-IRF640N，单片机控制芯片I/O口与IRF640之间加上逻辑芯片74HC03N。
7.根据权利要求1所述的基于单片机的智能家居照明系统，其特征在于，所述照明模块采用LED灯。
8.根据权利要求1所述的基于单片机的智能家居照明系统，其特征在于，所述终端采用手机智能终端。
9.根据权利要求1所述的基于单片机的智能家居照明系统，其特征在于，所述网络模块采用W5500。
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