CN106091177A - 一种基于移动互联控制的家用智能净化系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移动互联控制的家用智能净化系统，包括光钥匙模块、光控锁模块、中央处理器、现场可编程门阵列电路、电源电路；所述电源电路分别连接中央处理器和现场可编程门阵列电路；所述电源电路内设置有太阳能电池板、稳压电路、电源控制器及直流供电电路；通过所述光钥匙来发出开锁密码，把密码信息加载到所述光钥匙的LED灯上，通过自由空间，将信息传递到所述光控锁的光检测模块上，通过比对信息来控制家用智能净化系统的关闭和开启。该系统节能环保，安全性高。

Description

一种基于移动互联控制的家用智能净化系统

技术领域

本发明涉及可见光通信技术领域，尤其是一种基于移动互联控制的家用智能净化系统。

背景技术

众所周知，净化系统是一种对出入口进行管理的系统。

太阳能（solar energy），是指太阳的热辐射能（参见热能传播的三种方式），主要表现就是常说的太阳光线。在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。自地球上生命诞生以来，就主要以太阳提供的热辐射能生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为制作食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能也包括地球上的风能、化学能、水能等。

太阳能是由太阳内部氢原子发生氢氦聚变释放出巨大核能而产生的，来自太阳的辐射能量。

人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。植物通过光合作用释放氧气、吸收二氧化碳，并把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代演变形成的一次能源。地球本身蕴藏的能量通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源。

净化系统的发展经历了一个很长的过程，从早期的机械家用智能净化系统一直发展到现在基于无线射频的电子家用智能净化系统。机械家用智能净化系统是一个典型的纯粹的机械装置，不管设计的多么精巧，使用的材质多么的坚硬，人们总是可以通过外力把它打开。而且，机械家用智能净化系统不方便进行钥匙的管理。在人流量较多的办公室、酒店等，如果有一个人丢失了钥匙，那么就要进行家用智能净化系统的更换，十分麻烦。出于这些问题的考虑，人们研制了电子磁卡锁和电子密码锁。电子磁卡锁和电子密码锁能很好的解决了上面的问题，使净化系统发展到了一个全新的高度。但是，它们也暴露出了很多缺点和问题。比如，电子磁卡锁的读卡机和卡片的磨损比较大，卡片上的开锁信息容易被复制，在安全方面有着很大的隐患。电子密码锁的在安全性方面的问题就更加的突出，由于它是基于无线技术，密码特别容易被泄露，安全问题不容忽视。目前，采用无线射频技术，该技术有很好的穿透性，然而这一特性又使得无线射频信号容易被电磁干扰，被截获复制。

随着白光 LED 器件的发展，可见光通信技术得到了越来越多的重视。可见光无线通信系统主要由光信号发射端和光信号接收端组成。在发送端，电信号经放大、滤波等处理后，调制到LED器件上实现电光转换。在接收端，通过光电检测器实现光电转换，并经过相关信号处理单元还原出原始信息。

发明内容

本发明的发明目的是，克服现有技术方法的不足，提供了一种节能环保，安全性高，可以广泛的应用于宾馆、写字楼等应用场合，将将可见光通信技术与净化技术相结合的基于可见光通信的节能净化系统。

为实现上述发明目的，提出了如下技术方案：一种基于移动互联控制的家用智能净化系统，包括中央处理器、现场备、LED 灯、接收天线、智能家用智能净化系统、信号处理电路；所述电源电路分别连接中央处理器和现场可编程门阵列电路；所述电源电路内设置有太阳能电池板、稳压电路、电源控制器及直流供电电路；所述中央处理器连接光钥匙模块、信号调制控制设备、LED 灯、接收天线、智能家用智能净化系统、信号处理电路；

所述智能家用智能净化系统包括紫外空气净化器，利用紫外光对空气中的细菌以及有害物质进行灭杀，是空气净化器的执行部件；传感器数据采集模块，用于对外部信号进行采集与处理，包括运动传感器与化学传感器；电源电路模块，对日常交流市电进行降压，为空气净化器各个部件提供相应地工作电压；交流电机控制模块，单片机通过可控硅驱动光耦驱动电机，控制其导通与转速的变化，单片机根据传感器提供的信号、手动按键信号对电机的工作状态进行自动和手动的调整，使得空气净化器在不同的工作模式下运转的时候，电机处于对应档的转速；紫外灯管控制模块，，通过单片机通过可控硅驱动光耦，驱动紫光灯管，并根据灯管的工作状态反馈信号，判断出灯管是否正常工作；红外遥控模块包括红外发射器与接收电路，设置每个按钮发射的红外波形与时序；所述显示器控制模块和按键控制模块用于对空气净化器工作模式的操作和显示；所述光接收模块，用于接收LED灯组发射的LED通信信号，并转换为控制指令；包括紫外空气净化器，利用紫外光对空气中的细菌以及有害物质进行灭杀，是空气净化器的执行部件；传感器数据采集模块，用于对外部信号进行采集与处理，包括运动传感器与化学传感器；电源电路模块，对日常交流市电进行降压，为空气净化器各个部件提供相应地工作电压；交流电机控制模块，单片机通过可控硅驱动光耦驱动电机，控制其导通与转速的变化，单片机根据传感器提供的信号、手动按键信号对电机的工作状态进行自动和手动的调整，使得空气净化器在不同的工作模式下运转的时候，电机处于对应档的转速；紫外灯管控制模块，，通过单片机通过可控硅驱动光耦，驱动紫光灯管，并根据灯管的工作状态反馈信号，判断出灯管是否正常工作；红外遥控模块包括红外发射器与接收电路，设置每个按钮发射的红外波形与时序；所述显示器控制模块和按键控制模块用于对空气净化器工作模式的操作和显示；所述光接收模块，用于接收LED灯组发射的LED通信信号，并转换为控制指令。

所述信号调制设备负责调制生成原始的电信号；所述LED 灯是单色的 LED；所述智能家用智能净化系统是可见光波段响应较好的 CCD光电转换器件；所述接收天线是可变倍数的光学镜头；所述信号处理电路与智能家用智能净化系统相适应，用于视频电信号的处理，以及确定接收光斑的形状、大小和平均接收光功率；所述探照灯和所述接收天线之间是大气信道，光源发出的光通过大气信道进行传输；

所述光钥匙模块内设置有智能移动终端，基于智能移动终端操作系统，设计基于虚拟串口的秘钥发送智能移动终端的软件模块，通过智能移动终端的软件模块发送出秘钥信息，秘钥信息由智能移动终端的 min-USB 口输出；所输出的秘钥信息，基于智能移动终端OTG 功能，经过外部驱动模块加载到LED灯上，通过LED来完成秘钥信息的传送；通过所述光钥匙来发出开锁密码，把密码信息加载到所述光钥匙的LED灯上，通过自由空间，将信息传递到所述光控锁的光检测模块上，通过比对信息来控制家用智能净化系统的关闭和开启。

所述的现场可编程门阵列电路，内部包括可配置逻辑模块CLB、输入输出模块IOB和内部连线三个部分；FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块；FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程；为更好的实现本发明，能够满足在光照度不够使太阳能进行发电或夜间时候依然满足对整个系统进行供电

在使用时，多余的电能将被存储在蓄电池组内，而出现太阳能光照不够或阴雨天气或夜间时，蓄电池组将进行释电，并通过电源控制器的输出电路输送至直流供电电路内，对中央处理器及现场可编程门阵列电路进行供电，达到24小时全天候的使整个系统工作。

所述光钥匙模块包括密钥控制模块、处理器模块、LED驱动模块、白光 LED ；所述密钥控制模块控制处理器模块产生秘钥信息，信号通过LED驱动模块，把信号加载到 LED 灯上。所述光控锁模块包括光电检测模块、信号处理模块、处理器模块、光锁受控模块，所述光电检测模块接收到光信号，对光信号进行处理，把信号送入处理器模块，处理器模块对密钥信息进行匹配检测，从而产生受控信号控制光锁的开启或闭合。

所述基于可见光通信的无线净化系统采用 STC12C2052AD 高速单片机做为主控芯片，利用单片机串口通信原理，实现光钥匙模块控制光密码锁模块，从而实现家用智能净化系统的开启或关闭。

本技术方案中待发送密钥为 TTL 电平信号，即+5V 表示高电平“1”，0V 表示低电平“0”。由于 STC12C2052AD 单片机 I/O 口驱动能力有限，无法直接驱动 LED 实现密钥（TTL 电平）信息发送。因此，需设计 LED 驱动电路实现电信号到光信号的转换。基于 TTL信号电平特点，选用低成本、小体积 PNP 型贴片三极管 S8550 及其相关外围器件，构成了LED驱动电路。

光钥匙是基于单片机 STC12C2052AD 设计的一种发送端。光钥匙可以发送不同的密钥，通过不同的密钥不仅可以打开家用智能净化系统，还可以实现其他的功能。所述光钥匙模块不是一个简单的一对一的装置，而是一个一对多的装置。

所述光锁受控模块包括光电接收模块、译码判决模块、处理器模块、光锁受控模块、电源模块；其中，光电检测器来接收携带数据信息的光束，通过光电转换把光信号转换成模拟电信号，通过前置放大模块对电信号进行放大，电信号经过译码判决模块，把模拟信号转换成数字信号，数字信号输入到处理器STC12C2052AD进行处理。

所述远距离可见光通信系统设备主要包括发射端和接收端；发射端可使用OOK、PPM 等调制方式，光源将调制好的光信号以高速、明暗变化的规律进行发射，采用大功率低束散角阵列 LED 作为光源，由于调制速率在一百比特量级，可以采用单片机配合 C++软件编程进行发射端的软硬件设计，实现字符串的发送；接收端，采用 CCD 作为智能家用智能净化系统，硬件设备使用高帧频（100fps 以上）、高灵敏度、高响应度 CCD 相机。相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD 相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收。

所述调制方式是OOK 调制方式；OOK 带宽需求低，而且硬件实现最为简单，解码时候只需要通过直接检测的方法，通过判断光的有无来确定接收到的信息时0或者1。其中，“亮”状态用“1”表示，“灭”状态用“0”表示，

所述发射模块采用白光 LED，为了增大发射功率，使用LED阵列，具体为3*4的LED阵列，每个LED功率能够达到 4W，束散角为5.3o。

所述接收端采用 CCD相机接收，以 100fps 为例，相机在1秒钟之内等间距拍摄100 张图像，光信息被接收下之后，存储在图像当中。

所述光接收天线是一组光学镜头，与 CCD 相机相互配合，配置电动变焦镜头和编码器，可以实现计算机控制自动变焦。

所述远距离可见光通信系统还包括光信号数据采集处理模块，用于通过编写的程序完成对 LED 发来的信号光的采集处理。该程序以 MFC 为框架编写，完成对从相机发送过来的图片信息的分析和处理。当光源和相机的频率同步时，相机能够准确捕捉到光源发送的信息。

所述远距离可见光通信系统还包括可见光通信数据传输模块，用于完成数据传输时的同步，与自适应传输模块配合，完成速率可变自适应信息传输。包括数据传输准备过程，数据速率识别过程，数据同步过程，数据传输过程。按次序依次为数据传输建立，持续时间为1T ，保护间隔2T ；速率识别码发送时间3T ；保护间隔4T ；数据同步时间；最后进行数据传输。

所述远距离可见光通信系统具体包括：

调制器，用于可见光通信发射端需要将基带信号调制到光载波上，调制器的作用就是要根据不同的调制方式，如 OOK 调制、PPM 调制等，将信息先调制成电信号。调制器硬件上可以采用常用的 51 单片机系列，为了达到更高的速度和精度的要求，还可以选择 FPGA等。

LED 驱动，用于将电信号转化为光信号。LED 驱动模块用于完成对LED 光源的驱动功能，同时将调至好的电信号转化为光信号加载到 LED 光源上。如 51 单片机，其触发方式是 TTL 触发，完成对 LED 光源驱动。

LED，是可见光通信系统的发射装置，为了满足通信系统的需求，应尽可能选择功率大、束散角小、白光 LED 光源。此外，选择阵列形式 LED 光源可以增大光功率，而对束散角一般达到4度。

LED控制器，用来控制光源和相机的设备，完成辅助功能。

大气信道，光源将调至好的信号光发射出去，通过大气信道传输，传输过程中将受到大气信道的影响。

相机镜头，相机镜头即是接收天线，主要完成光信号的捕捉接收功能，镜头能够进行变焦，变化接收视场角，可以放大或者缩小目标。为了便于和 CCD相机相互配合，配置了电动变焦镜头和编码器，可以实现电脑控制自动变焦。

CCD 相机，CCD 是感光元器件，主要是将光信号转化为电信号再成像。

CCD 相机需能够匹配光源的速率， CCD 相机能够完成高帧频采集。CCD 相机通过千兆以太网连接到电脑上，并通过程序完成图像数据的采集和处理。

成像处理过程，用于将接收到的已调光信号进行接收成像，分析其灰度光强度，解调出原始信息，完成信息接收。

所述光电检测器为PIN光电二极管。成本较低，而且易于实现。

该发明的有益效果：

应用人工智能专家系统、知识工程、模式识别、人工神经网络等方法和技术,进行智能化、集成化、协调化、设计和实现的新一代的计算机管理系统。WIFI容易被电磁干扰，传输的方向不可控，密码容易被截获。然而可见光通信是一种点对点的传输模式，具有保密性好的优点。利用紫外线对室内空气进行杀菌与消毒的产品，采用运动传感器和化学传感器两个传感器数据采集模块的集成设计，使得本空气净化器具有自动采集与自动调整工作状态的功能，实现了产品的智能化、节能性与环保的特点。另外远程控制技术与可见光通信技术的结合，实现了对空气净化器的远程设置和开启关闭，使得空气净化器实现了远程智能控制，并且与照明系统结合，实现了无线通信，获得美观、简洁的用户体验。

另外，智能家用智能净化系统能够通过GSM通信模块实现了远程控制，用户可以在回家之前启动智能家用智能净化系统，改善室内空气湿度，在离开家以后关闭，即使忘记出门之前关闭智能家用智能净化系统，也可以通过手机发出控制指令，关闭智能家用智能净化系统，这样能够合理规划智能家用智能净化系统的使用时间，延迟使用寿命以及节约能源。

远距离可见光通信系统，在发射端采用了OOK调制方式，OOK 带宽需求低，而且硬件实现最为简单，解码时候只需要通过直接检测的方法，通过判断光的有无来确定接收到的信息时0或者1；使得发射端成本合理；在接收端，采用 CCD 作为智能家用智能净化系统，硬件设备使用高帧频（100fps 以上）、高灵敏度、高响应度 CCD 相机；相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD 相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收。选择 CCD 作为智能家用智能净化系统，其灵敏度和响应度比传统的 PIN 光电二极管高很多。对比于传统光电二极管，采用 CCD 相机可以使光源的位置可以在图像中清晰的显示出来，这样，只要能够判断出信号的位置，将来可以使用多个光源，在接收端的接受能力之内，成倍的提高传输速率。并且 CCD 作为智能家用智能净化系统还可以同时用于APT 通信系统当中

光钥匙和智能移动终端相结合，可以很好的运用Android系统开发手机AAP光密钥软件，Android系统是基于 Linux 的一个开源的操作系统，主要是使用在移动终端（手机和平板）中。Android系统和其他的系统平台相比，有很大的优势。它的优势最主要的体现在它的开放性。Android系统是完全开源的系统，所有的爱好者和厂商都可以参与到 Android 系统的开发中来，这就为 Android 系统的发展打下了很好基础。Android 系统已经成为了全球装机量第一大的系统。Android 系统的另一大优势就是基于谷歌公司的平台，谷歌公司的地图、搜索、邮箱等服务产品，能够无缝的应用到 Andriod 系统中去。

所述湿度采集传感器是SHT21传感器，此时不在需要温度传感器；该传感器能够对环境的温度和湿度进行监测，湿度精度±2%(相对湿度20%～80%)， 温度精度±0.3℃(环境温度25～42℃)。传感器经过标定，既能提供I2C数字接口，也能提供PWM模拟输出模式。因为数字通信可大大降低功耗，在正常工作状态下，功耗可在3μW以内，在延长测量间隔的情况下，功耗还可进一步降低。使用 SHT21 过程中， A/D电路进行数字化信号转换。除此之外，SHT21的分辨率还可以通过指令进行8/12bit 到12/14bit的改变，便于检测电量状态，同时输出校验和，有助于提高通信的可靠性。

所述微控制器是采用单片机 ,其CPU由控制器和运算器组成， 主要进行运算及指令识别。存储器为８Ｋ可擦写闪存， 工作电源为+５Ｖ 。其内部有振荡器的反相放大器， 石英晶体和陶瓷谐振器共同构成自激振荡器。引脚简单可靠， 功能强大， 使用方便， 并具有低功耗空闲和掉电模式。

所述温度传感器是DS18B20传感器，DS18B20传感器具有一线接口， 使用简单方便， 在实际使用中无需外部元件， 直接利用数据总线供电， 测量温度范围较大。因此， 使用范围较广， 用途较大。

所述的现场可编程门阵列电路，内部包括可配置逻辑模块CLB、输入输出模块IOB和内部连线三个部分；FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块；FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程；为更好的实现本发明，能够满足在光照度不够使太阳能进行发电或夜间时候依然满足对整个系统进行供电

在使用时，多余的电能将被存储在蓄电池组内，而出现太阳能光照不够或阴雨天气或夜间时，蓄电池组将进行释电，并通过电源控制器的输出电路输送至直流供电电路内，对中央处理器及现场可编程门阵列电路进行供电，达到24小时全天候的使整个系统工作。

利用紫外线对室内空气进行杀菌与消毒的产品，采用运动传感器和化学传感器两个传感器数据采集模块的集成设计，使得本空气净化器具有自动采集与自动调整工作状态的功能，实现了产品的智能化、节能性与环保的特点。另外远程控制技术与可见光通信技术的结合，实现了对空气净化器的远程设置和开启关闭，使得空气净化器实现了远程智能控制，并且与照明系统结合，实现了无线通信，获得美观、简洁的用户体验。

另外，智能家用智能净化系统能够通过远程控制，用户可以在回家之前启动智能家用智能净化系统，改善室内空气湿度，在离开家以后关闭，即使忘记出门之前关闭智能家用智能净化系统，也可以通过手机发出控制指令，关闭智能家用智能净化系统，这样能够合理规划智能家用智能净化系统的使用时间，延迟使用寿命以及节约能源。

本发明中所述基于可见光通信的无线净化系统采用 STC12C2052AD 高速单片机做为主控芯片，利用单片机串口通信原理，实现光钥匙模块控制光密码锁模块，从而实现家用智能净化系统的开启或关闭。和传统的 51 单片机相比，STC12C2052AD 具有以下优点：（1）性价比高，STC12C2052AD 的电路比较简单，价格相对比较低廉；（2）STC12C2052AD 采用单时钟/机器周期的模式，一些指令的执行和51单片机相比，速度是51 单片机的 3~24倍；（3）对于传统 51 单片机编写的程序可以直接用于 STC12C2052AD 单片机，不需要重新进行编写程序。

光钥匙可以发送不同的密钥，通过不同的密钥不仅可以打开家用智能净化系统，还可以实现其他的功能。所述光钥匙模块不是一个简单的一对一的装置，而是一个一对多的装置。

附图说明

图1是基于可见光通信的净化系统框图；

图2是处理器模块电路图；

图3是LED驱动电路图；

图4是人机交互电路图；

图5是电源电路；

图6是光电检测模块电路图；

图7是电压比较电路图；

图8是家用智能净化系统及LED驱动电路；

图9是电压转化电路；

图10是反压电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种基于移动互联控制的家用智能净化系统作进一步详尽描述：

1、如图1所示， 一种基于移动互联控制的家用智能净化系统，包括中央处理器、现场备、LED 灯、接收天线、智能家用智能净化系统、信号处理电路；所述电源电路分别连接中央处理器和现场可编程门阵列电路；所述电源电路内设置有太阳能电池板、稳压电路、电源控制器及直流供电电路；所述中央处理器连接光钥匙模块、信号调制控制设备、LED 灯、接收天线、智能家用智能净化系统、信号处理电路；

所述智能家用智能净化系统包括微控制器、家用智能净化系统开关以及光接收模块，所述光接收模块从LED灯组中接收LED通信信号，对所述LED通信信号处理后获得控制指令，并将所述控制指令输送到微控制器，所述微控制器根据所述控制指令生成家用智能净化系统开关的执行指令，所述家用智能净化系统开关是电磁继电器，所述电磁继电器与家用智能净化系统的加湿装置连接；

所述智能家用智能净化系统还包括水位传感器、温度传感器、湿度采集传感器、声光报警器以及显示电路，当所述智能净化器根据控制指令开始工作时，微控制器向所述水位传感器、温度传感器、湿度采集传感器发出执行指令，获得家用智能净化系统内的水量数据信号、室温信号以及室内湿度信号，微处理器对所述水量数据信号、室温信号以及室内湿度信号进行放大、测量、A/D 包括紫外空气净化器，利用紫外光对空气中的细菌以及有害物质进行灭杀，是空气净化器的执行部件；传感器数据采集模块，用于对外部信号进行采集与处理，包括运动传感器与化学传感器；电源电路模块，对日常交流市电进行降压，为空气净化器各个部件提供相应地工作电压；交流电机控制模块，单片机通过可控硅驱动光耦驱动电机，控制其导通与转速的变化，单片机根据传感器提供的信号、手动按键信号对电机的工作状态进行自动和手动的调整，使得空气净化器在不同的工作模式下运转的时候，电机处于对应档的转速；紫外灯管控制模块，，通过单片机通过可控硅驱动光耦，驱动紫光灯管，并根据灯管的工作状态反馈信号，判断出灯管是否正常工作；红外遥控模块包括红外发射器与接收电路，设置每个按钮发射的红外波形与时序；所述显示器控制模块和按键控制模块用于对空气净化器工作模式的操作和显示；所述光接收模块，用于接收LED灯组发射的LED通信信号，并转换为控制指令；包括紫外空气净化器，利用紫外光对空气中的细菌以及有害物质进行灭杀，是空气净化器的执行部件；传感器数据采集模块，用于对外部信号进行采集与处理，包括运动传感器与化学传感器；电源电路模块，对日常交流市电进行降压，为空气净化器各个部件提供相应地工作电压；交流电机控制模块，单片机通过可控硅驱动光耦驱动电机，控制其导通与转速的变化，单片机根据传感器提供的信号、手动按键信号对电机的工作状态进行自动和手动的调整，使得空气净化器在不同的工作模式下运转的时候，电机处于对应档的转速；紫外灯管控制模块，，通过单片机通过可控硅驱动光耦，驱动紫光灯管，并根据灯管的工作状态反馈信号，判断出灯管是否正常工作；红外遥控模块包括红外发射器与接收电路，设置每个按钮发射的红外波形与时序；所述显示器控制模块和按键控制模块用于对空气净化器工作模式的操作和显示；所述光接收模块，用于接收LED灯组发射的LED通信信号，并转换为控制指令。

所述信号调制设备负责调制生成原始的电信号；所述LED 灯是单色的 LED；所述智能家用智能净化系统是可见光波段响应较好的 CCD光电转换器件；所述接收天线是可变倍数的光学镜头；所述信号处理电路与智能家用智能净化系统相适应，用于视频电信号的处理，以及确定接收光斑的形状、大小和平均接收光功率；所述探照灯和所述接收天线之间是大气信道，光源发出的光通过大气信道进行传输；

所述光钥匙模块内设置有智能移动终端，基于智能移动终端操作系统，设计基于虚拟串口的秘钥发送智能移动终端的软件模块，通过智能移动终端的软件模块发送出秘钥信息，秘钥信息由智能移动终端的 min-USB 口输出；所输出的秘钥信息，基于智能移动终端OTG 功能，经过外部驱动模块加载到LED灯上，通过LED来完成秘钥信息的传送；通过所述光钥匙来发出开锁密码，把密码信息加载到所述光钥匙的LED灯上，通过自由空间，将信息传递到所述光控锁的光检测模块上，通过比对信息来控制家用智能净化系统的关闭和开启。

所述湿度采集传感器是SHT21传感器，此时不在需要温度传感器；该传感器能够对环境的温度和湿度进行监测，湿度精度±2%(相对湿度20%～80%)， 温度精度±0.3℃(环境温度25～42℃)。传感器经过标定，既能提供I2C数字接口，也能提供PWM模拟输出模式。因为数字通信可大大降低功耗，在正常工作状态下，功耗可在3μW以内，在延长测量间隔的情况下，功耗还可进一步降低。使用 SHT21 过程中， A/D电路进行数字化信号转换。除此之外，SHT21的分辨率还可以通过指令进行8/12bit 到12/14bit的改变，便于检测电量状态，同时输出校验和，有助于提高通信的可靠性。

所述微控制器是采用单片机 ,其CPU由控制器和运算器组成， 主要进行运算及指令识别。存储器为８Ｋ可擦写闪存， 工作电源为+５Ｖ 。其内部有振荡器的反相放大器， 石英晶体和陶瓷谐振器共同构成自激振荡器。引脚简单可靠， 功能强大， 使用方便， 并具有低功耗空闲和掉电模式。

所述温度传感器是DS18B20传感器，DS18B20传感器具有一线接口， 使用简单方便， 在实际使用中无需外部元件， 直接利用数据总线供电， 测量温度范围较大。因此， 使用范围较广， 用途较大。

所述的现场可编程门阵列电路，内部包括可配置逻辑模块CLB、输入输出模块IOB和内部连线三个部分；FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块；FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程；为更好的实现本发明，能够满足在光照度不够使太阳能进行发电或夜间时候依然满足对整个系统进行供电

在使用时，多余的电能将被存储在蓄电池组内，而出现太阳能光照不够或阴雨天气或夜间时，蓄电池组将进行释电，并通过电源控制器的输出电路输送至直流供电电路内，对中央处理器及现场可编程门阵列电路进行供电，达到24小时全天候的使整个系统工作。

所述远距离可见光通信系统设备主要包括发射端和接收端；发射端可使用OOK、PPM 等调制方式，光源将调制好的光信号以高速、明暗变化的规律进行发射，采用大功率低束散角阵列 LED 作为光源，由于调制速率在一百比特量级，可以采用单片机配合 C++软件编程进行发射端的软硬件设计，实现字符串的发送；接收端，采用 CCD 作为智能家用智能净化系统，硬件设备使用高帧频（100fps 以上）、高灵敏度、高响应度 CCD 相机。相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD 相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收。

所述调制方式是OOK 调制方式；OOK 带宽需求低，而且硬件实现最为简单，解码时候只需要通过直接检测的方法，通过判断光的有无来确定接收到的信息时0或者1。其中，“亮”状态用“1”表示，“灭”状态用“0”表示，

所述发射模块采用白光 LED，为了增大发射功率，使用LED阵列，具体为3*4的LED阵列，每个LED功率能够达到 4W，束散角为5.3o。

所述接收端采用 CCD相机接收，以 100fps 为例，相机在1秒钟之内等间距拍摄100 张图像，光信息被接收下之后，存储在图像当中。

所述光接收天线是一组光学镜头，与 CCD 相机相互配合，配置电动变焦镜头和编码器，可以实现计算机控制自动变焦。

所述远距离可见光通信系统还包括光信号数据采集处理模块，用于通过编写的程序完成对 LED 发来的信号光的采集处理。该程序以 MFC 为框架编写，完成对从相机发送过来的图片信息的分析和处理。当光源和相机的频率同步时，相机能够准确捕捉到光源发送的信息。

所述远距离可见光通信系统还包括可见光通信数据传输模块，用于完成数据传输时的同步，与自适应传输模块配合，完成速率可变自适应信息传输。包括数据传输准备过程，数据速率识别过程，数据同步过程，数据传输过程。按次序依次为数据传输建立，持续时间为1T ，保护间隔2T ；速率识别码发送时间3T ；保护间隔4T ；数据同步时间；最后进行数据传输。

所述远距离可见光通信系统具体包括：

调制器，用于可见光通信发射端需要将基带信号调制到光载波上，调制器的作用就是要根据不同的调制方式，如 OOK 调制、PPM 调制等，将信息先调制成电信号。调制器硬件上可以采用常用的 51 单片机系列，为了达到更高的速度和精度的要求，还可以选择 FPGA等。

LED 驱动，用于将电信号转化为光信号。LED 驱动模块用于完成对LED 光源的驱动功能，同时将调至好的电信号转化为光信号加载到 LED 光源上。如 51 单片机，其触发方式是 TTL 触发，完成对 LED 光源驱动。

LED，是可见光通信系统的发射装置，为了满足通信系统的需求，应尽可能选择功率大、束散角小、白光 LED 光源。此外，选择阵列形式 LED 光源可以增大光功率，而对束散角一般达到4度。

LED控制器，用来控制光源和相机的设备，完成辅助功能。

大气信道，光源将调至好的信号光发射出去，通过大气信道传输，传输过程中将受到大气信道的影响。

相机镜头，相机镜头即是接收天线，主要完成光信号的捕捉接收功能，镜头能够进行变焦，变化接收视场角，可以放大或者缩小目标。为了便于和 CCD相机相互配合，配置了电动变焦镜头和编码器，可以实现电脑控制自动变焦。

CCD 相机，CCD 是感光元器件，主要是将光信号转化为电信号再成像。

CCD 相机需能够匹配光源的速率， CCD 相机能够完成高帧频采集。CCD 相机通过千兆以太网连接到电脑上，并通过程序完成图像数据的采集和处理。

成像处理过程，用于将接收到的已调光信号进行接收成像，分析其灰度光强度，解调出原始信息，完成信息接收。

如图2所示，所述基于可见光通信的无线净化系统采用 STC12C2052AD 高速单片机做为主控芯片，STC12C2052AD共有20个管脚，VCC（20管脚）和+5V电源相连，GND（10管脚）接参考低。处于设计方便的目的，其余管脚全部通过标号引出，相同标号表示两者之间具有相同的电气连接。C5，Y1，C6 组成晶振电路，它产生单片机所需要的时钟频率。C1，R1组成复位电路和STC12C2052AD 的 Rst 管脚（1 管脚）相连接。下载接口与 USB 转TTL（PL2303/CH340）下载线相连，便于向单片机烧写程序时使用。

P3.0/Rx D（2管脚）为串口数据的输入端I/O 接口。

P3.1/Tx D（3 管脚）为串口数据输出端 I/O 接口。P3.2/INT0（管脚 6）为外部中断 0 I/O 口。P3.3/INT1（管脚 7）为外部中断1 I/O 口。P3.4/T0（8管脚）为外计算器外部时钟输入脚/定时器和计数器 0 外部时钟输入I/0 口。P3.5/T1（管脚 9）为脉冲调制输出1/可编程门阵列输入脚/定时器和计数器 1 外部时钟输入 I/O 口。

P1.0~P1.7 为标准I/O 口/AD 转换通道。

发射端电路信号主要是通过 STC12C2052AD 进行处理，通过 P3.1/Tx D（3 管脚）口把处理好的信号发出，然后通过驱动电路，把信号加载到 LED 灯上发出。

如图3所示，S8550L 基极管脚（1 脚）通过限流电阻 R2 与单片机 P3.1（Tx D）管脚相连。其发射极管脚（2脚）与 LED 光源低电平输入管脚相连。电容C4 起滤波作用，滤除电源高频噪声。集电极管脚（3脚）接地。当 P3.1 口输出高电平时，三极管S8550L 处于截止状态，即LED 灭，输出为“0”。当P3.1 口输出为低电平时，三极管S8550L 处于饱和状态，即LED 亮，输出为“1”。此种方式设计，是因为 STC12C2052AD 的 Tx D(p3.1)口默认为高电平，使用这种 PNP 型的三极管方式进行设计能够很有效的降低功率。

如图4所示，人机互动电路包括开关按键、电阻和 74LVC1G11GW 芯片；组成。三个开关按键，S1 和单片机 STC12C2052AD 的 P1.0 口相连；S2 和单片机 STC12C2052AD 的P1.1 口相连；S3 和单片机 STC12C2052AD 的 P1.2 口相连。电阻主要起到一个限流的功能。74LVC1G11GW 芯片可以提供一个三输入与门，工作在 1.65V 到 5.5V 的电压范围上。将按键S1，S2，S3 分别和芯片 74LVC1G11GW 的 1、3、6 脚相连，组成了一个三输入的与门电路。单片机 STC12C2052AD 的中断 0（P3.2）与芯片 74LVC1G11 的 4 脚相连，实现 S1、S2、S3任意按键都可以触发外部中断 0，来唤醒单片机。通过上述电路设计，实现了一个光钥匙的不同用途，极大的节省了资源。

如图5所示电源电路，不仅实现了升压的功能，还实现了对蓄电池的充电功能。当K 开关打到 1 上时，可以对蓄电池进行充电。当开关 K 打到 3 上时，可以对 3.8V 电压进行 5V 升压。升压电路主要由 CE8301 芯片、电感 L1、二极管 D2 以及电容 C1，C2 组成的。L1 主要用来升压，二极管的作用是防止电流回流，两个电容作为滤波器件来使用。通过电路在 CE8301的 2 端口可以得到 5V 的电压，来对单片机 STC12C2052AD 和三极管S8550L 进行供电，保证器件的正常运行。

如图6所示，光电检测模块主要由前置跨阻放大电路、高通滤波器和主放大电路组成。OPA658 是一种超宽带，低功耗，底电流反馈的运算放大器，具有高转换率和低差分增益/相位误差的优点。选用 OPA658 组成前置跨阻放大电路，通过反馈电阻R6 和补偿电容C9 实现微弱光电流信号到电压信号的转换。电容 C12 和 R8 构成高通滤波器，用于滤除电压信号中的直流分量和低频背景光噪声。低噪声 OP37 运放采用同向放大，构成主放大器。电阻 R6、R4 控制放大倍数，实现对信号的放大作用，便于译码判决模块准确还原出原始信息。

如图7所示，电压比较电路由 LM311 芯片、电容、电阻组成。LM311 引脚 2 和电阻R9和 R11 相连，确定了门限电压即 R11 端分的的电压，约为 200mv。当引脚 3 输入的电压大于200mv 时，就把它设置为 0 电平。当引脚 3 输入的电压小于 200mv 时，就把它设置为 1 电平。“1”电平和“0”电平从引脚 7 输出。电容 C16 和电阻 R13 构成高通滤波器，滤除输入电压信号中的直流分量。电阻 R10，是一个上拉电阻，起稳定电压输出作用。通过这个电路，可以把模拟信号转换成相应的数字信号，然后把转换好的信号，输入到单片机的Rx D(P3.0)口对信号进行相应的处理。

如图8所示，单片机 P1.1 口为开锁信号输出管脚，其通过一限流电阻 R2 与三极管 S2（S8550L）基极相连，继电器2 脚、5 脚控制其4 脚、6 脚的导通。二极管D1（1N4148）为续流二极管，保障继电器的稳定工作。P6（电控锁接口）1 脚与电控锁正极相连。当 P1.1 口为低电平时，三极管 S8550L 导通，继电器4、6 脚导通，即电控锁闭合，实现开锁功能。当P1.1 口为高电平时，三极管 S8550L 截止，继电器 4、6 脚断开，即电控锁释放，实现关锁功能。为实现 1把光钥匙控制多把锁或多个用电器的功能，在原型系统设计中，除实现光秘钥开家用智能净化系统的演示功能外，还同时设计了光钥匙发送不同光密钥信息打开不同的 LED 灯功能。图中P1.0 口、P1.2 口分别通过三极管 S8550L 控制 LED 的亮或灭。

如图9所示，12V 转 5V 电路主要由 ams1117-5.0 芯片，以及相关的电容组成。输入 12V 电压接ams1117-5.0 的 3 脚，电容 C3、C4 实现滤波功能。ams1117-5.0 的 1 脚接地。ams1117-5.0 的 2 脚输出 5V 电压，电容 C1、C2 起滤波作用。

如图10所示，反压电路由 TC7662 芯片、电容组成。反压芯片（TC7662）的 8 脚和正的5V 电压相接，2 脚和 4 脚之间接上一个 10uf 的电容（C11），3 脚和 5 脚接地，C8、C12 两个100n F 的电容做滤波电容使用，输出引脚（5 脚）就可以输出-5V 的电压。这个-5V 的电压，可以用来给 opa658 和比较器 LM311 进行供电。

Claims (5)

1.一种基于移动互联控制的家用智能净化系统，其特征在于，包括家用智能净化系统、中央处理器、现场备、LED 灯、接收天线、信号处理电路；所述电源电路分别连接中央处理器和现场可编程门阵列电路；所述电源电路内设置有太阳能电池板、稳压电路、电源控制器及直流供电电路；所述中央处理器连接光钥匙模块、信号调制控制设备、LED 灯、接收天线、智能家用智能净化系统、信号处理电路；

所述智能家用智能净化系统包括紫外空气净化器，利用紫外光对空气中的细菌以及有害物质进行灭杀，是空气净化器的执行部件；传感器数据采集模块，用于对外部信号进行采集与处理，包括运动传感器与化学传感器；电源电路模块，对日常交流市电进行降压，为空气净化器各个部件提供相应地工作电压；交流电机控制模块，单片机通过可控硅驱动光耦驱动电机，控制其导通与转速的变化，单片机根据传感器提供的信号、手动按键信号对电机的工作状态进行自动和手动的调整，使得空气净化器在不同的工作模式下运转的时候，电机处于对应档的转速；紫外灯管控制模块，，通过单片机通过可控硅驱动光耦，驱动紫光灯管，并根据灯管的工作状态反馈信号，判断出灯管是否正常工作；红外遥控模块包括红外发射器与接收电路，设置每个按钮发射的红外波形与时序；所述显示器控制模块和按键控制模块用于对空气净化器工作模式的操作和显示；所述光接收模块，用于接收LED灯组发射的LED通信信号，并转换为控制指令；包括紫外空气净化器，利用紫外光对空气中的细菌以及有害物质进行灭杀，是空气净化器的执行部件；传感器数据采集模块，用于对外部信号进行采集与处理，包括运动传感器与化学传感器；电源电路模块，对日常交流市电进行降压，为空气净化器各个部件提供相应地工作电压；交流电机控制模块，单片机通过可控硅驱动光耦驱动电机，控制其导通与转速的变化，单片机根据传感器提供的信号、手动按键信号对电机的工作状态进行自动和手动的调整，使得空气净化器在不同的工作模式下运转的时候，电机处于对应档的转速；紫外灯管控制模块，，通过单片机通过可控硅驱动光耦，驱动紫光灯管，并根据灯管的工作状态反馈信号，判断出灯管是否正常工作；红外遥控模块包括红外发射器与接收电路，设置每个按钮发射的红外波形与时序；所述显示器控制模块和按键控制模块用于对空气净化器工作模式的操作和显示；所述光接收模块，用于接收LED灯组发射的LED通信信号，并转换为控制指令。

2.所述信号调制设备负责调制生成原始的电信号；所述LED 灯是单色的 LED；所述智能家用智能净化系统是可见光波段响应较好的 CCD光电转换器件；所述接收天线是可变倍数的光学镜头；所述信号处理电路与智能家用智能净化系统相适应，用于视频电信号的处理，以及确定接收光斑的形状、大小和平均接收光功率；所述探照灯和所述接收天线之间是大气信道，光源发出的光通过大气信道进行传输；

所述光钥匙模块内设置有智能移动终端，基于智能移动终端操作系统，设计基于虚拟串口的秘钥发送智能移动终端的软件模块，通过智能移动终端的软件模块发送出秘钥信息，秘钥信息由智能移动终端的 min-USB 口输出；所输出的秘钥信息，基于智能移动终端OTG 功能，经过外部驱动模块加载到LED灯上，通过LED来完成秘钥信息的传送；通过所述光钥匙来发出开锁密码，把密码信息加载到所述光钥匙的LED灯上，通过自由空间，将信息传递到所述光控锁的光检测模块上，通过比对信息来控制家用智能净化系统的关闭和开启。

3.根据权利要求1所述的一种基于移动互联控制的家用智能净化系统，其特征在于，所述远距离可见光通信系统设备主要包括发射端和接收端；发射端可使用OOK、PPM 等调制方式，光源将调制好的光信号以高速、明暗变化的规律进行发射，采用大功率低束散角阵列LED 作为光源，由于调制速率在一百比特量级，可以采用单片机配合 C++软件编程进行发射端的软硬件设计，实现字符串的发送；接收端，采用 CCD 作为智能家用智能净化系统，硬件设备使用高帧频100fps 以上、高灵敏度、高响应度 CCD 相机；相机以与光源相同帧频进行拍摄，并且设计软件对CCD 相机进行数据的采集和处理，将调制信号的规律呈现出来，得到相应的灰度值，从而完成信息的传递过程，实现字符串的接收；所述充电插口设置于闭合门的侧端；所述的现场可编程门阵列电路，内部包括可配置逻辑模块CLB、输入输出模块IOB和内部连线三个部分；FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块；FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。

4.根据权利要求2所述的一种基于移动互联控制的家用智能净化系统，其特征在于，所述基于可见光通信的无线净化系统采用 STC12C2052AD 高速单片机做为主控芯片，利用单片机串口通信原理，实现光钥匙模块控制光密码锁模块，从而实现家用智能净化系统的开启或关闭。

5.根据权利要求3所述的一种基于移动互联控制的家用智能净化系统，其特征在于，待发送密钥为 TTL 电平信号，即+5V 表示高电平“1”，0V 表示低电平“0”；所述LED驱动模块包括PNP 型贴片三极管 S8550 及其相关外围器件，用于实现电信号到光信号的转换；

所述光钥匙模块一个一对多的装置；光钥匙是基于单片机 STC12C2052AD 设计的一种发送端； 所述光锁受控模块包括光电接收模块、译码判决模块、处理器模块、光锁受控模块、电源模块；其中，光电检测器来接收携带数据信息的光束，通过光电转换把光信号转换成模拟电信号，通过前置放大模块对电信号进行放大，电信号经过译码判决模块，把模拟信号转换成数字信号，数字信号输入到处理器STC12C2052AD进行处理；

所述光电检测器为PIN光电二极管。