基于嵌入式的智能開關(guān)的研究與應(yīng)用可行性報告

1、基于嵌入式的智能開關(guān)的研究與應(yīng)用可行性報告一、立項的背景和意義根據(jù)電氣產(chǎn)品在家庭應(yīng)用模式的不同，現(xiàn)代家居劃分為三個階段。第一個階段是基本家居，電氣產(chǎn)品在保障基本功能運(yùn)用的同時保障安全，比如說開關(guān)的一開一關(guān)讓燈光亮滅；第二階段是舒適型的家居，電氣產(chǎn)品有一些控制的功能，能提高一些人們生活的舒適度，比如遙控窗簾，遙控開關(guān)，不過這些產(chǎn)品互不發(fā)生聯(lián)系。第三個階段就是智能家居，智能家居是一個用弱電控制強(qiáng)電的中控系統(tǒng)控制各方面的電器，是一個程式化和模式化的控制系統(tǒng)，可以根據(jù)需要把家居環(huán)境設(shè)定成不同模式，例如啟動“主人在家模擬模式”，將燈光打開，電視機(jī)打開，放出聲音，讓小偷不敢輕易進(jìn)入；外出之前只要輕按一個鍵

2、就可以關(guān)上所有的燈和應(yīng)該關(guān)閉的電器，并且啟動安防系統(tǒng)進(jìn)入“離家”模式等等，這些都是用程序模式來控制的。隨著人們生活水平的提高、新需求的增長、信息化的發(fā)展以及人們傳統(tǒng)生活的改變，智能家居的觀念已逐步深入人心并刺激市場化的深度發(fā)展。而中國的智能家居市場正進(jìn)入高速發(fā)展的階段。智能開關(guān)是智能家居的重要組成部分，其將取代當(dāng)前家庭上使用的機(jī)械開關(guān)，彌補(bǔ)機(jī)械開關(guān)在操作上的不靈活性、組合方式上的繁復(fù)性和控制方式上的局限性、獨(dú)立性等缺點(diǎn)，成為人們所住的高檔、舒適、溫馨、現(xiàn)代化家庭住宅的亮點(diǎn)。符合現(xiàn)代舒適生活的標(biāo)準(zhǔn)。本課題結(jié)合普通家庭智能家居中智能開關(guān)控制系統(tǒng)的需求，研究和設(shè)計基于嵌入式控制系統(tǒng)和無線傳輸技術(shù)的智

3、能開關(guān)控制器，使其能方便地實現(xiàn)不同生活區(qū)域、不同場合的各種燈具及家用電器的集中控制和聯(lián)合控制。該智能開關(guān)不僅具有現(xiàn)實意義，還有相當(dāng)廣闊的市場前景。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢智能家居的概念很早就出現(xiàn)，市場需求也一直存在，在墻壁開關(guān)市場里，可能會看到很多種不同類別的智能墻壁開關(guān)，隨著市場需要的繼續(xù)增長，相信還會出現(xiàn)不同的智能墻壁開關(guān)新品牌，智能開關(guān)一般從其技術(shù)角度來講主要分為電力載波、無線、有線三個大類，其特點(diǎn)如下：A、電力載波智能墻壁開關(guān)是采用電力線來傳輸信號的，開關(guān)需要設(shè)置編碼器，會受電力線雜波干擾，使工作十分不穩(wěn)定，經(jīng)常導(dǎo)致開關(guān)失控。價格很高，附加設(shè)備較多。B、無線智能墻壁開關(guān)是采用射頻方

4、式來傳輸信號的，開關(guān)經(jīng)常受無線電波干擾，使其頻率不穩(wěn)定而容易失去控制。需配備附加設(shè)備（接受模塊、調(diào)制解調(diào)器、集中控制器）。C、總線智能墻壁開關(guān)是采用信號線來傳輸信號，穩(wěn)定性和抗干擾能力比較強(qiáng)，最早的總線是把所有的電線都集中一個位置,再從這個位置分信號線到每個開關(guān)的位置。總線制的優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性和抗干擾能力強(qiáng)，信號走專門的信號線來傳輸，達(dá)到開關(guān)與開關(guān)之間相互通訊，但價格高昂，不適合本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)?？傮w上來說性能都比較差，由于技術(shù)、制造工藝等因素導(dǎo)致其性能不穩(wěn)定，質(zhì)量無法保證。由以上智能開關(guān)技術(shù)的特點(diǎn)可以將智能墻壁開關(guān)歸結(jié)為兩類技術(shù)方式：1.有線方式：這種方式所有的控制信號必須通過有線方式連接，控制器端的

5、信號線繁多，一但遇到問題排查相當(dāng)困難。有線方式缺點(diǎn)非常突出，布線繁雜、工作量大、成本高、維護(hù)困難、不易組網(wǎng)。這些缺點(diǎn)最終導(dǎo)致有線方式的智能家居只停留在概念和試點(diǎn)階段，無法大規(guī)模推廣。2.無線方式：用于智能家居的無線系統(tǒng)需要滿足幾個特性：低功耗、穩(wěn)定、易于擴(kuò)展并網(wǎng)；因此是目前研究的熱點(diǎn)所在。從技術(shù)的角度來講，未來的智能家居將朝以下幾個方向發(fā)展：1、未來觸摸控制將成為智能家居普及型的控制方式，通過一個智能觸摸控制屏實現(xiàn)對家庭內(nèi)部為燈光，電器，窗簾，安防，監(jiān)控，門禁等智能控制，這是必配的。2、智能手機(jī)，將成為未來智能家居最重要的移動式智能控制終端，通過手機(jī)的智能家居客戶端軟件或WEB方式，實現(xiàn)對家庭

6、內(nèi)部的遠(yuǎn)程監(jiān)控與控制，實現(xiàn)對家里遠(yuǎn)程開鎖，客人圖像確認(rèn)，遠(yuǎn)程開啟空調(diào)以及暖器設(shè)備。這將成為每個人必需要移動控制方式。3、無線與有線控制系統(tǒng)，將會無縫結(jié)合，干線區(qū)域采用布線控制系統(tǒng)，小區(qū)域采用無線控制系統(tǒng)，這將是未來智能家居控制系統(tǒng)與技術(shù)的發(fā)展方向。三、研究開發(fā)內(nèi)容和技術(shù)關(guān)鍵研究開發(fā)內(nèi)容本系統(tǒng)主要內(nèi)容有：觸摸屏面板、感應(yīng)開關(guān)、無線家電遙控裝置、開關(guān)擴(kuò)展模塊、插座電源控制模塊。主要研究內(nèi)容如下：1. 通用開關(guān)面板：由觸摸屏、通信接口、多路公路輸出部件和相應(yīng)的微處理器構(gòu)成。通過有線或無線方式與其他智能部件通信，面板的按鈕布局可以由用戶根據(jù)需要自定義，面板上每個按鈕所對應(yīng)控制的電器也可以根據(jù)用戶需要進(jìn)

7、行設(shè)置。通用開關(guān)面板有10A繼電器輸出的普通型和晶體管輸出型。2. 開關(guān)擴(kuò)展模塊：沒有按鈕和觸摸屏等輸入部件，只有通信接口、多路功率輸出部件和相應(yīng)的微處理器。當(dāng)用戶某個位置需要控制的電器比較多，可以在通用開關(guān)面板附近再增加一個或多個“開關(guān)擴(kuò)展模塊”來增加控制的電器數(shù)量，由于沒有觸摸屏等輸入部件，造價會相對比較低一點(diǎn)，為用戶節(jié)約投資。也可以在不需要布置面板而需要就近安裝控制開關(guān)的地方單獨(dú)安裝開關(guān)擴(kuò)展模塊?？梢杂?路、4路、8路三種規(guī)格供用戶選用，還可以有2路或4路的大功率的規(guī)格專門用于控制熱水器、浴霸和空調(diào)等功率比較大的電器。3. 無線家電遙控裝置：由通信接口、微處理器、無線接收電路和發(fā)射電路構(gòu)

8、成。通過通信接口和其他智能部件通信，實現(xiàn)控制功能。4. 插座電源控制模塊：直接套插在插座上，是為了給沒有進(jìn)行智能布線的電器插座增加控制功能而另外選配的。插座電源控制模塊可移動性給將來家庭布置的改變帶來便利。關(guān)鍵技術(shù)（1）采用EMC（電磁兼容）技術(shù)保證產(chǎn)品性能的可靠性和質(zhì)量的穩(wěn)定性。（2）專用觸摸屏設(shè)計技術(shù)，觸摸感應(yīng)面板目前主流的技術(shù)是采用電容感應(yīng)技術(shù)來實現(xiàn)。因為手指在感應(yīng)盤上帶來的電容變化極小，而且隨著隔離的絕緣面板厚度增加，電容的大小會成指數(shù)降低。大概隔5mm的鋼化玻璃后，人的手指觸摸只能帶來不到0.5PF的電容變化。對于這樣微小的測量量，濕度、溫度的變化、電磁干擾、電源干擾等都會極大的影響

9、測量電路的測量結(jié)果。如果沒有特殊、專業(yè)的處理辦法很難保證觸摸感應(yīng)面板的工作穩(wěn)定尤其是各種惡劣環(huán)境下的長期穩(wěn)定性。（3）利用無線傳感技術(shù)組成小型局域網(wǎng)后將遇到大量的數(shù)據(jù)處理和通信方面的問題，因為每一模塊將既作為主機(jī)又作為從機(jī)和其它模塊共享數(shù)據(jù)。運(yùn)用專門的算法來保證傳輸?shù)目煽啃院蛿?shù)據(jù)處理的實時性。創(chuàng)新點(diǎn)：1） 基于stm32芯片和無線傳感技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，可對整個房間中所有的電器可單獨(dú)控制，也可聯(lián)合控制，另外，智能開關(guān)主要以自動控制為主，手動控制為輔，正常情況可自行工作，偶有特殊情況才需要手動操作。2） 采用stm32ARM芯片和uCgui操作系統(tǒng)，實現(xiàn)觸摸屏開關(guān)面板，分級分層顯示面板界面，擴(kuò)展了

10、按鈕數(shù)量和控制功能。3） 斷電保護(hù)功能 在斷電后，來電時將有聲音提示，并關(guān)閉所有已開啟的電器，保護(hù)電器及燈具，使其免受瞬間高電壓沖擊的影響。四、預(yù)期目標(biāo)（主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、知識產(chǎn)權(quán)申請情況、應(yīng)用前景）技術(shù)指標(biāo)：1、 工作電壓范圍：198242V2、 開關(guān)控制電路數(shù)量：34路3、 開關(guān)繼電器觸點(diǎn)電流：510A（220V）4、本開關(guān)所連的電器（34路）可手動、無線遙控和受其它開關(guān)的異地控制。5、實時互控，每個開關(guān)都可同步顯示其它空間的各電器狀態(tài)，并對其進(jìn)行控制。6、全關(guān)功能，可一鍵關(guān)閉所有的電器，也可以關(guān)閉任意一個房間的電器。7、免打擾自鎖功能，可禁止其它開關(guān)對本開關(guān)進(jìn)行控制。8、斷電保護(hù)，來電時

11、將有聲音提示，并關(guān)閉所有已開啟的電器。9、有無線接收功能（打開/關(guān)閉）。10、為需要的電器設(shè)定開后延時、關(guān)后延時及相應(yīng)的延時時間。11、兩個模式：(1)普通模式。該模式特點(diǎn)是類似于傳統(tǒng)的開關(guān)，設(shè)置簡單、操作方便，可以彌補(bǔ)一般智能開關(guān)過于智能而導(dǎo)致老人和小孩使用不便的缺陷。(2)全局模式。該模式的特點(diǎn)是統(tǒng)籌全局，可以監(jiān)控整個房子的電器狀態(tài)。經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、應(yīng)用前景：1、 我國每年裝修市場開關(guān)需求量大于400萬戶。如果按0.1%的市場占有率 和每戶購買量10-20個計算。產(chǎn)值可達(dá)200萬-400萬。2、 根據(jù)中國電工行業(yè)協(xié)會所做的市場調(diào)查顯示，消費(fèi)者購買的其實并非開關(guān)本身，而是一種對生活、工作環(huán)境的控制

12、方式，消費(fèi)者渴望得到一種隨心所欲的控制方式。根據(jù)這個認(rèn)識，為客戶提供控制方式的解決方案才是最重要的。一個開關(guān)控制一個燈的傳統(tǒng)開關(guān)在多方面已不能滿足人們的需求，智能家居從開關(guān)開始，智能開關(guān)應(yīng)運(yùn)而生。這也是電工行業(yè)發(fā)展的重要趨勢。3、 總結(jié)經(jīng)驗，發(fā)表學(xué)術(shù)論文1篇；申請專利1-2個。五、研究方案、技術(shù)路線、組織方式與課題分解1、研究方案參見圖1，智能開關(guān)連接圖。本系統(tǒng)采用模塊設(shè)計。人機(jī)交互模塊：由觸摸屏、通信接口、多路輸出部件和相應(yīng)的微處理器構(gòu)成。用戶可通過觸摸屏了解系統(tǒng)工作情況，并根據(jù)自己的需求對系統(tǒng)設(shè)置，對系統(tǒng)內(nèi)的燈具及電器開關(guān)進(jìn)行控制；擴(kuò)展模塊：包括開關(guān)擴(kuò)展模塊與插座控制模塊，實現(xiàn)開關(guān)與控制電

13、器的擴(kuò)展功能；無線遙控模塊：包括無線發(fā)送模塊與無線接收控制模塊，實現(xiàn)開關(guān)的無線遙控。系統(tǒng)連接：無線收發(fā)控制模塊觸摸屏面板開關(guān)擴(kuò)展模塊Wifi用手持設(shè)備（可用平板電腦）插座電源控制模塊 圖1 智能開關(guān)連接圖2、課題分解 項目成立課題研究工作小組,將課題可分解為以下子課題： （1）智能開關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)的子課題； （2）智能開關(guān)應(yīng)用軟件的研究與實現(xiàn)的子課題。3、技術(shù)路線（1）智能開關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)子課題技術(shù)方案如下圖2通用開關(guān)面板控制系統(tǒng)框圖 （2）智能開關(guān)應(yīng)用軟件的研究與實現(xiàn)子課題如下： 普通模式 智能模式六、計劃進(jìn)度安排起始年月進(jìn)度目標(biāo)要求2012.1至2012.6在項目要求分析和生產(chǎn)過程調(diào)研的基

14、礎(chǔ)上，根據(jù)生產(chǎn)技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行系統(tǒng)方案設(shè)計，相關(guān)設(shè)備和器件的選型，確定設(shè)計方案，及各子課題的詳細(xì)設(shè)計。2012.6至2012.12根據(jù)設(shè)計方案對主電路、驅(qū)動電路、基本控制電路進(jìn)行試制、調(diào)試和改進(jìn)，試制新型智能開關(guān)。2013.1至2013.9對主電路、驅(qū)動電路、綜合控制電路、各項保護(hù)措施進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。將試制成功的智能開關(guān)試用于實際家居中，總結(jié)改進(jìn)。2013.10至2013.12完成課題，推廣應(yīng)用，申報專利、組織專家鑒定、驗收。七、現(xiàn)有工作基礎(chǔ)和條件1、項目的前期工作基礎(chǔ)本項目組人員與申報企業(yè)有過較長時間的接觸，已做了大量的前期調(diào)研工作，同時成功地開發(fā)了“智能開關(guān)照明系統(tǒng)”。目前該項目的前期研究已

15、經(jīng)開始，已經(jīng)取得初步的成果，如觸摸屏控制問題、智能燈具開關(guān)驅(qū)動控制問題、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用問題、系統(tǒng)應(yīng)用軟件的開發(fā)等等。 2、項目組已承擔(dān)相近的科技項目目前，我們在電力、電子、電器方面的研究項目有：漏電斷路器控制板智能高溫老化檢測系統(tǒng)研制（浙江省科技廳重大項目）、低壓塑殼斷路器保護(hù)特性智能在線校驗系統(tǒng)的研制（浙江省科技廳項目）、低壓塑殼斷路器瞬時保護(hù)特性智能在線校驗系統(tǒng)（市科技局項目）、高壓開關(guān)柜內(nèi)接頭溫度在線檢測系統(tǒng)（市科技局項目）、基于ARM的電能質(zhì)量在線監(jiān)測控制儀（市科技局項目）、線路板智能老化系統(tǒng)（共535.512萬元，浙江正泰電氣股份有限公司）、線路板智能高溫老化系統(tǒng)（19.8萬元，浙江

16、德力西電器股份有限公司）、超級節(jié)能電磁鐵（15萬元，浙江天正電氣股份有限公司）。本項目組主要依托溫州大學(xué)的浙江省低壓電器技術(shù)創(chuàng)新服務(wù)平臺和浙江省電壓電器智能技術(shù)重點(diǎn)實驗室，研究內(nèi)容包括科技創(chuàng)新和社會服務(wù)兩個方面。曾從事過其他電器設(shè)備的開發(fā)與研制，對電力電子、自動控制、電器測試和產(chǎn)品開發(fā)有較強(qiáng)的實力。并且可以大學(xué)的科研重點(diǎn)實驗室的設(shè)備和技術(shù)力量。八、科技開發(fā)經(jīng)費(fèi)預(yù)算 區(qū)級科技計劃項目經(jīng)費(fèi)概算表 金額單位：萬元 序號概算科目名稱合計區(qū)財政撥款經(jīng)費(fèi)自籌經(jīng)費(fèi)（1）（2）（3）（4）1一、經(jīng)費(fèi)支出（合計）40152521、設(shè)備費(fèi)15153（1）購置設(shè)備費(fèi)154（2）試制設(shè)備費(fèi)5（3）設(shè)備租賃費(fèi)62、能源

17、材料費(fèi)7.515.312.273、設(shè)計試驗費(fèi)2284、信息費(fèi)1.481.4895、會議調(diào)研費(fèi)3.21.22106、租賃費(fèi)117、驗收費(fèi)22128、人員費(fèi)6.572.254.32139、其它2.242.241二、經(jīng)費(fèi)來源（合計）4021、申請區(qū)財政經(jīng)費(fèi)1533、自籌經(jīng)費(fèi)254（1）單位自有貨幣資金255（2）其他資金區(qū)財政科技經(jīng)費(fèi)撥付進(jìn)度申請第一年第二年金 額96比例（）6040注：支出概算按照經(jīng)費(fèi)開支范圍確定的支出科目和不同經(jīng)費(fèi)來源編列，同一支出科目一般不同時在財政撥款經(jīng)費(fèi)和自籌經(jīng)費(fèi)中概算。九、工業(yè)項目科技開發(fā)費(fèi)概算說明嵌入式智能開關(guān)的研制項目經(jīng)費(fèi)總額為40萬元，現(xiàn)對各項支出的主要用途及測算理

18、由說明如下：本課題總經(jīng)費(fèi)40萬。 其中：設(shè)備費(fèi) 15萬元， 占總額 37.5%；材料費(fèi) 7.51萬元， 占總額 18.775%；設(shè)計試驗費(fèi) 2萬元， 占總額 5%；信息費(fèi) 1.48萬元, 占總額 3.7%；會議調(diào)研費(fèi) 3.2萬元， 占總額 8.0%；驗收費(fèi) 2萬元， 占總額 5%；人員費(fèi) 6.57萬元， 占總額 16.425%；其它 2.24萬元 占總額 5.6%； 1、設(shè)備費(fèi)15萬元主要購買光色電綜合測試系統(tǒng)，分布光度計用于開發(fā)過程中研究嵌入式智能開關(guān)。其中:序號儀器名稱規(guī)格型號生產(chǎn)廠家數(shù)量單價（萬元）合計(萬元)1燈具光色電綜合測試系統(tǒng)ZWL-9200GT杭州中為1662分布光度計ZWL-

19、9107臥式杭州中為199總計15 2、能源材料費(fèi)7.51萬元本項目研制基于嵌入式的智能開關(guān)1套 系統(tǒng)由外殼、控制電路、觸摸屏、無線模塊和傳感器模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊機(jī)構(gòu)組成：觸摸屏 20個 1.8萬元無線模塊 20個 1.5萬元燈具、導(dǎo)線 1萬元電子元器件 1.2萬元PCB設(shè)計加工 0.8萬元 其他器件 0.7萬元其他 0.51萬元 3、設(shè)計試驗費(fèi)2萬元預(yù)計型式試驗、認(rèn)證檢驗1萬元；機(jī)械和電路板外加工費(fèi)0.7萬元；其它費(fèi)用0.3萬元。 4、信息費(fèi)1.48萬元(1)專家咨詢費(fèi)0.6萬元以每年3次計，2年計6次，每次1天，每次1人，按800元/天/人，計0.48萬元；(2)圖書、資料購買費(fèi)：0.4萬元。 5、會議調(diào)研費(fèi) 3.2萬元 其中：差旅費(fèi)1.6萬元，會議費(fèi)1.6萬元 差旅費(fèi)預(yù)算如下：