CN107132801A - 一种基于Arduino的远程开关装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Arduino的远程开关装置，包括控制开关的控制端和给控制端发出指令的智能终端，其特征是，所述控制端和智能终端通过网关进行信息互通，所述控制端主要包括控制端Arduino控制芯片、控制端无线收发模块、继电器模块；所述网关主要包括网关Arduino控制芯片、网关无线收发模块、通信模块。优点：1）终端通过无线网络对控制器实现远程操作，大大加强装置的便捷性；2）控制器上传感器数据都可以返回给终端，可以实现实时监控。

Description

一种基于Arduino的远程开关装置

技术领域

本发明涉及一种基于Arduino的远程开关装置，属于控制技术领域。

背景技术

远程开关系统可以在人们出门在外时，可以通过电话、电脑来远程操控您的智能家居或者其他电子设备。远程开关可以通过多种不同方式进行操作，比如面板操作（保留原有的插座和开关）和智能手机远程控制，为用户省电节能。远程开关主要以无线信号发射的方式，无线智能开关或者插座接收信号，接收速度快且准确。

远程开关使用无线传输技术。无线传输技术是2.4GHz，即非联网解决方案。2.4GHz无线技术是近年来新兴的无线传输技术。2.4GHz无线技术为双向传输，单向传输速率可达2Mbps，而且由于采用了自调频技术，使干扰的影响大为降低。

在自动化电路中，开关发挥着重要的控制和保护作用。传统开关在停电时，你必须关闭所有开关才能离开，否则会造成电的浪费；遇到一些特殊情况，我们不能及时断开电源，存在很大的安全隐患。设计这种远程开关，我们使用移动设备对设备进行远程控制以及保护。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于Arduino的远程开关机装置，用于实现对电路的远程控制。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于Arduino的远程开关装置，包括控制开关的控制端和给控制端发出指令的智能终端，其特征是，所述控制端和智能终端通过网关进行信息互通，所述控制端主要包括控制端Arduino控制芯片、控制端无线收发模块、继电器模块，所述控制端Arduino控制芯片分别连接控制端无线收发模块和继电器模块；所述网关主要包括网关Arduino控制芯片、网关无线收发模块、通信模块，所述网关无线收发模块、通信模块分别与所述网关Arduino控制芯片连接；所述网关通过通信模块接收智能终端的IP网络数据，网关Arduino mini控制芯片将的IP网络数据转换成串口数据，再通过网关无线收发模块传递给控制端无线收发模块；所述继电器模块主要包括继电器和传感器，所述继电器用于对装置所需要控制的用电器进行开关操作，所述传感器用于采集继电器进行开关操作的开关状态信息，并将开关状态信息传输给控制端Arduino控制芯片，再依次通过控制端无线收发模块、网关无线收发模块传输给网关。

进一步的，还包括电源模块，用于保护整个电路的安全，并为装置的每个模块供电。

进一步的，所述Arduino控制芯片采用MEGA328P Arduino mini控制芯片。

进一步的，所述通信模块采用ESP8266WIFI通信模块。

进一步的，所述无线收发模块采用NRF2401+无线收发模块。

进一步的，所述电源模块采用HLK-PM01将220V交流电转换成5V 直流电为装置供电并保护整个装置的电路安全。

进一步的，所述继电器的采用稳压管LE33ACZ作为驱动继电器的开关。

进一步的，所述网关还设有串口通信模块，用于PC机直接给网关发出开机或者关机的指令。

本发明所达到的有益效果：

1）该装置支持自组织无线传感网络，使用ISM频段的单片无线收发器芯片，避免使用IEEE802.11无线协议，对WiFi信号无干扰。极大地降低了通信芯片的传输功耗。该装置的平均耗电量小于10uW。2）网关模块兼容TCP/IP协议，支持使用以太网、移动通信4G网进行远程控制，通用性较强。3）该装置硬件结构简单，可靠性高，使用的电子元件价格低廉，单个开关节点的成本可控制在30元以内。软件系统可以通过SPI接口升级，维护简单。

附图说明

图1图1为本发明实施例提供的一种远程开关方法的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种远程开关装置的框图；

图3为本发明实施例提供的一种传感器节点与网关的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种远程开关装置的节点入网流程图；

图5为本发明实施例提供的一种网关接收开关机指令并发送给控制器的流程图；

图6为本发明实施例提供的一种远程开关装置网关初始化流程图；

图7为本发明实施例提供的一种远程开关装置处理串口数据流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

图1为本发明实施例提供的一种远程开关方法的示意图，该方法包括以下步骤：

步骤101，网关接收终端发出的IP网络数据并转换成串口数据；

步骤102，通过无线收发模块将串口数据发送给控制器；

步骤103，控制器处理串口数据使用驱动单片机来驱动控制开关；

步骤104，控制器收集开关状态信息并返回给网关。

图2为本发明实施例提供的一种远程开关装置的硬件框图，该方法包含以下步骤：

步骤201，USB串口为Arduino提供串口通信（烧录代码）以及5V供电的功能；

步骤202，SPI接口是以主从方式工作的，允许一个主设备和多个从设备进行通信，主设备通过不同的SS信号线（用于主设备片选从设备, 使被选中的从设备能够被主设备所访问）选择不同的从设备进行通信。SPI接口实现单片机Arduino与无线模块NRF2401+的通信；

步骤203，利用三极管LE33ACZ放大电路驱动固态继电器开关；

步骤204，继电器具有控制系统（输入回路）和被控制系统（输出回路），通常应用于自动化电路中，实际上是用较小的电流去控制较大的电流的一种“自动开关”。控制装置利用继电器模块作为220V的电源开关，实现电源控制功能（5v直流电与220v交流电之间的转换）；

步骤205，为了能够提供整个控制模块的电源输入，使用超小型电源模块HLK-PM01，将220V交流电转换成5V的直流电给控制器的各个模块供电；

步骤206， NRF2401+是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。这个模块用于发送端与接收端之间的信号发送和接收；

步骤207，ESP8266是个具有完整功能且成体系的Wi-Fi，该模块使用TCP/IP协议，单片机可对WIFI通信模块ESP8266进行网关的设置；

步骤208，利用步骤207，终端设备接入Internet，通过ESP8266WIFI通信模块可使用服务器来远程控制单片机。

步骤209，网关装置设置了与PC机的串口通信，PC机通过串口输入可以直接对网关发出串口数据。

需要说明的是，在图2中，除了电源模块HLK-PM01在保护整个装置的电路安全之外，电路中另外加入了0.5A 220V的保险管和470V的压敏电阻来进一步保证电路的安全。

图3为本发明实施例提供的一种传感器节点与网关的示意图，该方式包含以下步骤：

步骤301, 每个节点分配一个唯一的传感器id或地址，用于点对点信息的发送和接收。可以通过程序分配一个静态id或者让控制器自动分配给传感器一个id;

步骤302，传感器第一次启动，通过发出一个寻找父节点的信号来确定往返网关的路径，中继器或者网关会监听这些信号，并响应传感器的求助信号。他们会返回信号给传感器，并通知传感器和他们的距离，从而确定出传感器与网关的最短路径。无论是直接到网关还是通过最靠近网关的中继器节点。如果传感器节点随后与网关或中继器传感器节点失去联系，它将自动重复此过程以确定到网关的最佳路径。如果连续发送3个消息都失败，则认为传感器节点与网关的联系丢失；

步骤303，网关或者中继点会维护自己的路由表，以便知道将信号定向发送到它周围的其他网络地址。网关或者中继点对通过的信号收集和整理，自动创建出属于自己的路由表。

需要说明的是，在图3中，网关或者中继点在给传感器节点分配完地址之后就形成它们自己的路由表，这样做的目的是减低了信号传输过程中被干扰的可能性。

图4为本发明实施例提供的一种远程开关装置的节点入网流程图，该方法包括以下步骤：步骤401，子节点上电，发出ping message到节点网并设置与父节点的最大距离为255；

步骤402，网关或者中继器节点监听来自节点网的信号并回应；

步骤403，子节点监听节点网返回的ping message，如果有父节点存在，则将父节点的信息写入节点网，同时停止继续寻找父节点，如果不存在父节点，则等待2秒后跳出。

步骤404，根据节点网返回给子节点的ping message，将父节点的地址分配给子节点；

步骤405，根据地址的匹配，子节点与父节点自动之间创建路由表，以便以后的信号发送与接收。

需要说明的是，在图4中，网关分配id还有另外一种非自动方式：可以通过程序烧写进EPPROM的方法，直接设定一个静态id给传感器节点，然后请求网关将对应id分配于传感器节点，从而完成传感器节点与网关的匹配连接。

图5为本发明实施例提供的一种网关接收开关机指令并发送给控制器的流程图，该方式包含以下步骤：

步骤501，网关初始化，目的是给传感器节点分配ID，寻找父节点。

步骤502，配置回调信号的参数，设置这个信号的当前节点地址以及要将信号发送过去的节点地址（父节点），同时设置信号是否允许中继模式；

步骤503，配置网关参数，为网关设置输入和输出参数；

步骤504，设置中断参数，在程序运行中应对一些内部或者外部特殊事件，使得单片机及时处理这些事件；

步骤505，串口显示回调信号的信息；

步骤506，网关将终端发来的网络数据转换成串口数据进行处理来得到开关机的指令；

步骤507，网关进行判断是否需要进行开机或者关机操作，假如不需要操作，则返回到步骤506，假如需要对开关进行操作，则将串口数据通过无线收发模块发送给控制器；

步骤508，重置信号并等待下一个处理信号，使得开关状态不发生紊乱，保证远程开关装置的可靠性。

需要说明的是，在图5中，步骤501的具体流程见图6；步骤 506的具体流程见图7。

本发明另一个实施例还提出了一种终端通过Internet接入网关进行监控的系统，该系统包括：

终端通过TCP/IP协议与网关相连，利用ESP8266WIFI通信模块，网关通过云服务器与智能终端进行通信。网关将开关状态信息返回给终端，实现了终端对开关状态的实时监控。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1. 一种基于Arduino的远程开关装置，包括控制开关的控制端和给控制端发出指令的智能终端，其特征是，所述控制端和智能终端通过网关进行信息互通，所述控制端主要包括控制端Arduino控制芯片、控制端无线收发模块、继电器模块，所述控制端Arduino控制芯片分别连接控制端无线收发模块和继电器模块；所述网关主要包括网关Arduino控制芯片、网关无线收发模块、通信模块，所述网关无线收发模块、通信模块分别与所述网关Arduino控制芯片连接；所述网关通过通信模块接收智能终端的IP网络数据，网关Arduino mini控制芯片将IP网络数据转换成串口数据，再通过网关无线收发模块传递给控制端无线收发模块；所述继电器模块主要包括继电器和传感器，所述继电器用于对装置所需要控制的用电器进行开关操作，所述传感器用于采集继电器进行开关操作的开关状态信息，并将开关状态信息传输给控制端Arduino控制芯片，再依次通过控制端无线收发模块、网关无线收发模块传输给网关。

2.根据权利要求1所述的一种基于Arduino的远程开关装置，其特征是，还包括电源模块，用于保护整个电路的安全，并为装置的每个模块供电。

3. 根据权利要求1所述的一种基于Arduino的远程开关装置，其特征是，所述Arduino控制芯片采用MEGA328P Arduino mini控制芯片。

4.根据权利要求1所述的一种基于Arduino的远程开关装置，其特征是，所述通信模块采用ESP8266WIFI通信模块。

5.根据权利要求1所述的一种基于Arduino的远程开关装置，其特征是，所述无线收发模块采用NRF2401+无线收发模块。

6. 根据权利要求1所述的一种基于Arduino的远程开关装置，其特征是，所述电源模块采用HLK-PM01将220V交流电转换成5V 直流电为装置供电并保护整个装置的电路安全。

7.根据权利要求1所述的一种基于Arduino的远程开关装置，其特征是，所述继电器的采用稳压管LE33ACZ作为驱动继电器的开关。

8.根据权利要求1所述的一种基于Arduino的远程开关装置，其特征是，所述网关还设有串口通信模块，用于PC机直接给网关发出开机或者关机的指令。