基于嵌入式的智能开关的研究与应用可行性报告.docx
《基于嵌入式的智能开关的研究与应用可行性报告.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于嵌入式的智能开关的研究与应用可行性报告.docx（13页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于嵌入式的智能开关的研究与应用可行性报告
基于嵌入式的智能开关的研究与应用可行性报告
一、立项的背景和意义
根据电气产品在家庭应用模式的不同，现代家居划分为三个阶段。
第一个阶段是基本家居，电气产品在保障基本功能运用的同时保障安全，比如说开关的一开一关让灯光亮灭；第二阶段是舒适型的家居，电气产品有一些控制的功能，能提高一些人们生活的舒适度，比如遥控窗帘，遥控开关，不过这些产品互不发生联系。
第三个阶段就是智能家居，智能家居是一个用弱电控制强电的中控系统控制各方面的电器，是一个程式化和模式化的控制系统，可以根据需要把家居环境设定成不同模式，例如启动“主人在家模拟模式”，将灯光打开，电视机打开，放出声音，让小偷不敢轻易进入；外出之前只要轻按一个键就可以关上所有的灯和应该关闭的电器，并且启动安防系统进入“离家”模式等等，这些都是用程序模式来控制的。
随着人们生活水平的提高、新需求的增长、信息化的发展以及人们传统生活的改变，智能家居的观念已逐步深入人心并刺激市场化的深度发展。
而中国的智能家居市场正进入高速发展的阶段。
智能开关是智能家居的重要组成部分，其将取代当前家庭上使用的机械开关，弥补机械开关在操作上的不灵活性、组合方式上的繁复性和控制方式上的局限性、独立性等缺点，成为人们所住的高档、舒适、温馨、现代化家庭住宅的亮点。
符合现代舒适生活的标准。
本课题结合普通家庭智能家居中智能开关控制系统的需求，研究和设计基于嵌入式控制系统和无线传输技术的智能开关控制器，使其能方便地实现不同生活区域、不同场合的各种灯具及家用电器的集中控制和联合控制。
该智能开关不仅具有现实意义，还有相当广阔的市场前景。
二、国内外研究现状和发展趋势
智能家居的概念很早就出现，市场需求也一直存在，在墙壁开关市场里，可能会看到很多种不同类别的智能墙壁开关，随着市场需要的继续增长，相信还会出现不同的智能墙壁开关新品牌，智能开关一般从其技术角度来讲主要分为电力载波、无线、有线三个大类，其特点如下：
A、电力载波智能墙壁开关是采用电力线来传输信号的，开关需要设置编码器，会受电力线杂波干扰，使工作十分不稳定，经常导致开关失控。
价格很高，附加设备较多。
B、无线智能墙壁开关是采用射频方式来传输信号的，开关经常受无线电波干扰，使其频率不稳定而容易失去控制。
需配备附加设备（接受模块、调制解调器、集中控制器）。
C、总线智能墙壁开关是采用信号线来传输信号，稳定性和抗干扰能力比较强，最早的总线是把所有的电线都集中一个位置,再从这个位置分信号线到每个开关的位置。
总线制的优点：
稳定性和抗干扰能力强，信号走专门的信号线来传输，达到开关与开关之间相互通讯，但价格高昂，不适合本系统网络。
总体上来说性能都比较差，由于技术、制造工艺等因素导致其性能不稳定，质量无法保证。
由以上智能开关技术的特点可以将智能墙壁开关归结为两类技术方式：
1.有线方式：
这种方式所有的控制信号必须通过有线方式连接，控制器端的信号线繁多，一但遇到问题排查相当困难。
有线方式缺点非常突出，布线繁杂、工作量大、成本高、维护困难、不易组网。
这些缺点最终导致有线方式的智能家居只停留在概念和试点阶段，无法大规模推广。
2.无线方式：
用于智能家居的无线系统需要满足几个特性：
低功耗、稳定、易于扩展并网；因此是目前研究的热点所在。
从技术的角度来讲，未来的智能家居将朝以下几个方向发展：
1、未来触摸控制将成为智能家居普及型的控制方式，通过一个智能触摸控制屏实现对家庭内部为灯光，电器，窗帘，安防，监控，门禁等智能控制，这是必配的。
2、智能手机，将成为未来智能家居最重要的移动式智能控制终端，通过手机的智能家居客户端软件或WEB方式，实现对家庭内部的远程监控与控制，实现对家里远程开锁，客人图像确认，远程开启空调以及暖器设备。
这将成为每个人必需要移动控制方式。
3、无线与有线控制系统，将会无缝结合，干线区域采用布线控制系统，小区域采用无线控制系统，这将是未来智能家居控制系统与技术的发展方向。
三、研究开发内容和技术关键
研究开发内容
本系统主要内容有：
触摸屏面板、感应开关、无线家电遥控装置、开关扩展模块、插座电源控制模块。
主要研究内容如下：
1.通用开关面板：
由触摸屏、通信接口、多路公路输出部件和相应的微处理器构成。
通过有线或无线方式与其他智能部件通信，面板的按钮布局可以由用户根据需要自定义，面板上每个按钮所对应控制的电器也可以根据用户需要进行设置。
通用开关面板有10A继电器输出的普通型和晶体管输出型。
2.开关扩展模块：
没有按钮和触摸屏等输入部件，只有通信接口、多路功率输出部件和相应的微处理器。
当用户某个位置需要控制的电器比较多，可以在通用开关面板附近再增加一个或多个“开关扩展模块”来增加控制的电器数量，由于没有触摸屏等输入部件，造价会相对比较低一点，为用户节约投资。
也可以在不需要布置面板而需要就近安装控制开关的地方单独安装开关扩展模块。
可以有2路、4路、8路三种规格供用户选用，还可以有2路或4路的大功率的规格专门用于控制热水器、浴霸和空调等功率比较大的电器。
3.无线家电遥控装置：
由通信接口、微处理器、无线接收电路和发射电路构成。
通过通信接口和其他智能部件通信，实现控制功能。
4.插座电源控制模块：
直接套插在插座上，是为了给没有进行智能布线的电器插座增加控制功能而另外选配的。
插座电源控制模块可移动性给将来家庭布置的改变带来便利。
关键技术
（1）采用EMC（电磁兼容）技术保证产品性能的可靠性和质量的稳定性。
（2）专用触摸屏设计技术，触摸感应面板目前主流的技术是采用电容感应技术来实现。
因为手指在感应盘上带来的电容变化极小，而且随着隔离的绝缘面板厚度增加，电容的大小会成指数降低。
大概隔5mm的钢化玻璃后，人的手指触摸只能带来不到0.5PF的电容变化。
对于这样微小的测量量，湿度、温度的变化、电磁干扰、电源干扰等都会极大的影响测量电路的测量结果。
如果没有特殊、专业的处理办法很难保证触摸感应面板的工作稳定尤其是各种恶劣环境下的长期稳定性。
（3）利用无线传感技术组成小型局域网后将遇到大量的数据处理和通信方面的问题，因为每一模块将既作为主机又作为从机和其它模块共享数据。
运用专门的算法来保证传输的可靠性和数据处理的实时性。
创新点：
1）基于stm32芯片和无线传感技术实现远程控制，可对整个房间中所有的电器可单独控制，也可联合控制，另外，智能开关主要以自动控制为主，手动控制为辅，正常情况可自行工作，偶有特殊情况才需要手动操作。
2）采用stm32ARM芯片和uCgui操作系统，实现触摸屏开关面板，分级分层显示面板界面，扩展了按钮数量和控制功能。
3）断电保护功能
在断电后，来电时将有声音提示，并关闭所有已开启的电器，保护电器及灯具，使其免受瞬间高电压冲击的影响。
四、预期目标（主要技术经济指标、知识产权申请情况、应用前景）
技术指标：
1、工作电压范围：
198~242V
2、开关控制电路数量：
3~4路
3、开关继电器触点电流：
5~10A（220V）
4、本开关所连的电器（3~4路）可手动、无线遥控和受其它开关的异地控制。
5、实时互控，每个开关都可同步显示其它空间的各电器状态，并对其进行控制。
6、全关功能，可一键关闭所有的电器，也可以关闭任意一个房间的电器。
7、免打扰自锁功能，可禁止其它开关对本开关进行控制。
8、断电保护，来电时将有声音提示，并关闭所有已开启的电器。
9、有无线接收功能（打开/关闭）。
10、为需要的电器设定开后延时、关后延时及相应的延时时间。
11、两个模式：
（1）普通模式。
该模式特点是类似于传统的开关，设置简单、操作方便，可以弥补一般智能开关过于智能而导致老人和小孩使用不便的缺陷。
（2）全局模式。
该模式的特点是统筹全局，可以监控整个房子的电器状态。
经济指标、应用前景：
1、我国每年装修市场开关需求量大于400万户。
如果按0.1%的市场占有率和每户购买量10-20个计算。
产值可达200万-400万。
2、根据中国电工行业协会所做的市场调查显示，消费者购买的其实并非开关本身，而是一种对生活、工作环境的控制方式，消费者渴望得到一种随心所欲的控制方式。
根据这个认识，为客户提供控制方式的解决方案才是最重要的。
一个开关控制一个灯的传统开关在多方面已不能满足人们的需求，智能家居从开关开始，智能开关应运而生。
这也是电工行业发展的重要趋势。
3、总结经验，发表学术论文1篇；申请专利1-2个。
五、研究方案、技术路线、组织方式与课题分解
1、研究方案
参见图1，智能开关连接图。
本系统采用模块设计。
人机交互模块：
由触摸屏、通信接口、多路输出部件和相应的微处理器构成。
用户可通过触摸屏了解系统工作情况，并根据自己的需求对系统设置，对系统内的灯具及电器开关进行控制；
扩展模块：
包括开关扩展模块与插座控制模块，实现开关与控制电器的扩展功能；
无线遥控模块：
包括无线发送模块与无线接收控制模块，实现开关的无线遥控。
系统连接：
图1智能开关连接图
2、课题分解
项目成立课题研究工作小组,将课题可分解为以下子课题：
（1）智能开关的设计与实现的子课题；
（2）智能开关应用软件的研究与实现的子课题。
3、技术路线
（1）智能开关的设计与实现子课题技术方案如下
图2通用开关面板控制系统框图
（2）智能开关应用软件的研究与实现子课题如下：
普通模式智能模式
六、计划进度安排
起始年月
进度目标要求
2012.1至2012.6
在项目要求分析和生产过程调研的基础上，根据生产技术指标，进行系统方案设计，相关设备和器件的选型，确定设计方案，及各子课题的详细设计。
2012.6至2012.12
根据设计方案对主电路、驱动电路、基本控制电路进行试制、调试和改进，试制新型智能开关。
2013.1至2013.9
对主电路、驱动电路、综合控制电路、各项保护措施进行改进和优化。
将试制成功的智能开关试用于实际家居中，总结改进。
2013.10至2013.12
完成课题，推广应用，申报专利、组织专家鉴定、验收。
七、现有工作基础和条件
1、项目的前期工作基础
本项目组人员与申报企业有过较长时间的接触，已做了大量的前期调研工作，同时成功地开发了“智能开关照明系统”。
目前该项目的前期研究已经开始，已经取得初步的成果，如触摸屏控制问题、智能灯具开关驱动控制问题、嵌入式系统应用问题、系统应用软件的开发等等。
2、项目组已承担相近的科技项目
目前，我们在电力、电子、电器方面的研究项目有：
漏电断路器控制板智能高温老化检测系统研制（浙江省科技厅重大项目）、低压塑壳断路器保护特性智能在线校验系统的研制（浙江省科技厅项目）、低压塑壳断路器瞬时保护特性智能在线校验系统（市科技局项目）、高压开关柜内接头温度在线检测系统（市科技局项目）、基于ARM的电能质量在线监测控制仪（市科技局项目）、线路板智能老化系统（共535.512万元，浙江正泰电气股份）、线路板智能高温老化系统（19.8万元，浙江德力西电器股份）、超级节能电磁铁（15万元，浙江天正电气股份）。
本项目组主要依托温州大学的浙江省低压电器技术创新服务平台和浙江省电压电器智能技术重点实验室，研究内容包括科技创新和社会服务两个方面。
曾从事过其他电器设备的开发与研制，对电力电子、自动控制、电器测试和产品开发有较强的实力。
并且可以大学的科研重点实验室的设备和技术力量。
八、科技开发经费预算
区级科技计划项目经费概算表金额单位：
万元
序号
概算科目名称
合计
区财政拨款
经费
自筹经费
（1）
（2）
（3）
（4）
1
一、经费支出（合计）
40
15
25
2
1、设备费
15
15
3
（1）购置设备费
15
4
（2）试制设备费
5
（3）设备租赁费
6
2、能源材料费
7.51
5.31
2.2
7
3、设计试验费
2
2
8
4、信息费
1.48
1.48
9
5、会议调研费
3.2
1.2
2
10
6、租赁费
11
7、验收费
2
2
12
8、人员费
6.57
2.25
4.32
13
9、其它
2.24
2.24
1
二、经费来源（合计）
40
2
1、申请区财政经费
15
3
3、自筹经费
25
4
（1）单位自有货币资金
25
5
（2）其他资金
区财政科技经费拨付进度申请
第一年
第二年
金额
9
6
比例（％）
60
40
注：
支出概算按照经费开支范围确定的支出科目和不同经费来源编列，同一支出科目一般不同时在财政拨款经费和自筹经费中概算。
九、工业项目科技开发费概算说明
嵌入式智能开关的研制项目经费总额为40万元，现对各项支出的主要用途及测算理由说明如下：
本课题总经费40万。
其中：
设备费15万元，占总额37.5%；
材料费7.51万元，占总额18.775%；
设计试验费2万元，占总额5%；
信息费1.48万元,占总额3.7%；
会议调研费3.2万元，占总额8.0%；
验收费2万元，占总额5%；
人员费6.57万元，占总额16.425%；
其它2.24万元占总额5.6%；
1、设备费15万元
主要购买光色电综合测试系统，分布光度计用于开发过程中研究嵌入式智能开关。
其中:
序号
仪器名称
规格型号
生产厂家
数量
单价
（万元）
合计
（万元）
1
灯具光色电综合测试系统
ZWL-9200GT
杭州中为
1
6
6
2
分布光度计
ZWL-9107卧式
杭州中为
1
9
9
总计
15
2、能源材料费7.51万元
本项目研制基于嵌入式的智能开关1套
系统由外壳、控制电路、触摸屏、无线模块和传感器模块、网络通信模块机构组成：
触摸屏20个1.8万元
无线模块20个1.5万元
灯具、导线1万元
电子元器件1.2万元
PCB设计加工0.8万元
其他器件0.7万元
其他0.51万元
3、设计试验费2万元
预计型式试验、认证检验1万元；
机械和电路板外加工费0.7万元；
其它费用0.3万元。
4、信息费1.48万元
（1）专家咨询费0.6万元
以每年3次计，2年计6次，每次1天，每次1人，按800元/天/人，计0.48万元；
（2）图书、资料购买费：
0.4万元。
5、会议调研费3.2万元其中：
差旅费1.6万元，会议费1.6万元
差旅费预算如下：
考察学习、业务调研、参加国内的学术和技术交流会议、市内交通等：
每年参加国内的学术和技术交流会议2次，每次会期2天，承担单位有2家，平均每家派2人参加，共2次/年×2家×2人/家＝8人次/年，平均1000元/人次（含交通费、住宿费、出差补助），2年总计为8人次/年×1000元/人次×2年＝1.6万；
会议费预算如下：
主要用于项目组汇报研讨交流会议，每年4次，每个单位每次派1人参加，会期2天，本项目组2个参与单位在2年间共4次/年×1人/单位×2单位×2天/次×2年＝32人·天，以500元/天/人计，计500元/天/人计×32人·天＝1.6万元。
6、验收费2万元。
7、劳务费6.57万元
（1）课题组临时聘用人员1人，1000元/人/月，按20月计：
2万元；
（2）研发人员补助费：
2人，500元/人/月，每年按12个月计，2年计：
2.4万元；
（3）财务、分析、技术工人补助费，1人，900元/人/月，每年按12个月计，2年计：
2.17万元。
8、其他费用2.24万元
（1）资料、文件、图纸、论文等的复印、打印、装订费：
打印0.7元/张计，
年每家参加单位需1元/张×3000张=0.3万元，2家单位2年计0.3×2×2＝1.2万元；
（2）文献查新费、信息资料的检索费：
研发期内委托查新机构进行国内查新等，0.5万元；
（3）运输搬运费等0.54万元。
升级会员 