基于物联网的即插即用式智能开关的设计
随着物联网时代的到来，物联网技术的多方面应用引起了社会的广泛关注，智能开关随之出现在大众的眼前。然而，当今大多数的智能开关虽然满足了人们对远程控制开关的基本需求，却还存在着一些不够完善的方面。比如说，当用户想将家里的普通开关改头换面成智能开关时，绝大多数的智能开关都需要先将旧的开关移除，才能再安装新的智能开关，除非再次重新安装，否则这是个不可逆的过程，这就提高了工作量也存在着一定的安装风险，同时，由于这种智能开关是固定在墙上的，所以用户需要将家里所有可能会需要远程控制的开关都换成智能开关，这也增加了购买的成本，考虑到群众普遍的“以备不时之需”的心理，也势必会存在着一定的资源浪费。
新型的即插即用式智能开关可以有效地解决现有的智能开关存在的上述问题。即插即用式智能开关的实现过程是，先将一个含有机械装置的盒子罩在传统的开关上[1]，再依赖机械装置去拨动开关上的按钮，以达到远程控制的效果。显而易见的是，即插即用式智能开关的安装不是建立在移除旧开关的基础之上，同时这个安装过程是可逆的，当用户不再需要远程控制某个开关，可以把盒子取下来，把它罩在需要远程控制的开关上，这样也实现了同一个智能开关的重复利用，也就减少了用户的购买成本。此外，该即插即用式智能开关在实现远程控制功能的的同时，还加入了环境检测模块[2]，该模块会采集环境数据并把数据通过通信模块发送到智能终端上显示出来。
1系统总体设计
整个智能开关由开关盒子、网关和智能终端软件组成，系统图如图1所示。
盒子的外观设计方案：开关盒子被设计成5面长方体形状，4个等面积的侧面和一个稍大于传统86型开关的正面，留出未封闭的一面用来罩在传统86型开关的4周边缘，从而达到固定在墙面上的目的。侧面上留有一个Micro USB充电母口，用来给内部的可充电电池充电。
（1）供电单元。
由锂电池、稳压芯片和电量检测芯片组成，保证了盒子能够独立工作；
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室内远程控制室外远程控制智能终端智能终端蓝牙或WIFI通信开关盒子网关蓝牙或WIFI通信3G或4G以太网服务器图1系统图 Fig. 1 System Figure
（2）通信单元。
由WIFI芯片和蓝牙芯片组成，智能手机可以通过连接蓝牙或者在同一个WIFI网络下和智能开关进行通信，实现命令和信息的发送和接收；
（3）环境监测单元。
由DS18B20温度传感器和湿度传感器构成成，用来获取周围环境的温湿度数据； （4）机械单元。
由舵机、齿轮和机械臂组成，机械臂平行贴在传统开关的开关按钮上，当舵机被控制转动的时候，就可以控制机械臂模拟用户拨动开关的动作；
（5）中央控制单元。
用于分析通信单元反馈的数据，对其处理后对机械单元做出相应的控制。控制单元在接收到手机APP的设定后还可以将环境检测单元反馈的数据发送给用户；
（6）网关。
提供Internet接入功能，使用户在不在家的情况下也可以通过手机APP和智能开关进行交互。网关由W5100网络拓展模块、HC05蓝牙模块和一块Arduino单片机构成，如图2所示。其中，
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W5100模块接入Internet，用来接收和发送数据；HC05蓝牙模块设置成Server模式，用来和开关盒子内的蓝牙进行通信；Arduino单片机用来控制信息的发送和接收。
智能终端软件，让用户可以更加方便的远程控制智能开关。软件目前有Android版本，如图3所示，该软件提供了两种控制盒子的方式，当用户在家时，可以通过蓝牙或者WIFI直接连接盒子进行开关的控制，当用户外出时，可以通过Internet远程控制。同时，该软件还可以实时显示盒子发过来的环境检测数据，使用户实时掌握室内的环境信息。
图2网关效果图 图3 APP效果图 Fig. 2 Gateway Figure Fig.3 APP Figure
2系统硬件设计
本系统选择Arduino作为硬件平台。Arduino是一款开源的单芯片微控制器，它基于Atmel AVR单片机，采用了开源的软硬件平台，建构了简易的I/O界面，并且具有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境[3]。Arduino的一大优点是具有大量的接口，有数字I/O口，模拟I/O口，同时支持多种串口通信方式，能通过多种复杂的传感器来检测环境的变化。同时，Arduino拥有广泛的功能扩展模块，例如本作品中用到的W5100网络扩展模块，就可以为Arduino提供接入Internet的功能。
系统的硬件结构如图4所示，具体描述如下： （1）独立供电单元。
由锂电池和电源管理模块组成，具有独立的电源和和充放电模块，当需要充电的时候，只需要将通用的USB线插到盒子上的MicroUSB插口上，就可以给盒子中的600毫安的锂电池充电，一次充电，可以使用半个月左右。
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（2）通信单元。
由WIFI模块和HC05蓝牙模块构成，用于接收命令和发送数据。该单元有两种通信模式，当用户在室内的时候，可以通过手机的蓝牙直接和通信模块进行连接，此时，手机为主机，而智能开关为从机，即通信单元的HC05蓝牙设置为从机模式；当用户外出时，用户就可以通过手机APP联网访问网关，网关上的W5100模块接受到信息后将其反馈给网关上的Arduino单片机，这时候Arduino单片机将网关上的蓝牙设置成主机，然后将命令发送给智能开关上的蓝牙从机。
供电单元传感器单元Arduino控制模块通信单元机械单元网关模块图4硬件模块设计图
Fig. 4 Hardware Module Design Figure
（3）机械单元。
由机械臂和传动齿轮组成，该单元受Arduino单片机控制，用于拨动墙上的开关，动力由舵机提供，当Arduino接收到打开或关闭的命令时，产生PWM波，从而使舵机正转或者反转，动力通过传动装置传送到机械臂上，从而打开或关闭开关。
（4）环境监测单元。
由DS18B20温度传感器和DHT11湿度传感器组成，用于监测盒子周围的环境信息。DS18B20是DALLAS半导体公司推出的首款支持“一线总线”接口的温度传感器，它的主要优点有微型化、高性能、低功耗等[4]，可直接将温度模拟信号转化成数字信号供处理器处理。DHT11数字温湿度传感器是一款具备已校准数字信号输出的温湿度传感器，它采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和长期稳定性[5]。当用户想要获取到环境数据时，Arduino
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基于物联网的即插即用式智能开关的设计
