一种基于单物联网MCU的智能楼宇开关控制系统的制作方法

一种基于单物联网mcu的智能楼宇开关控制系统
技术领域
1.本发明涉及智能楼宇技术领域，尤其涉及一种基于单物联网mcu的智能楼宇开关控制系统。


背景技术：

2.专用物联网芯片(或物联网mcu)在问世之后对当今社会物联网的发展产生了重要影响，专门集成了互联网相关功能同时又保留了普通单片机的基本功能，因此专用物联网mcu大幅挤占市场。
3.在智能楼宇领域中，涌现了大量的基于物联网芯片的楼宇开关控制方案，这些方案都是以增加物联网芯片的功能模块单元为特点，但大部分都采用了额外的mcu来进行控制而非物联网芯片独立工作，成本较高。另外，市场中的楼宇开关控制方案中均采用将继电器等开关控制元件串联进电灯电路的电气实现方式，来实现开关灯动作，然而这些实现方式容易导致控制器的安装及后期检修较为麻烦，进一步增加了使用成本，故楼宇开关控制方案始终无法普及。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于单物联网mcu的智能楼宇开关控制系统，使用单物联网mcu的控制方式，并采用外附机械结构来实现开关灯动作，电路结构简单，有效降低了成本。
5.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
6.一种基于单物联网mcu的智能楼宇开关控制系统，包括控制主机仓、机电传动装置和舵机执行装置，所述控制主机仓和所述舵机执行装置均设置在所述机电传动装置上；
7.所述控制主机仓内设有电源、物联网mcu、电机驱动电路和舵机驱动电路；所述电源与所述物联网mcu电连接，所述物联网mcu分别与所述电机驱动电路和所述舵机驱动电路电连接；所述电机驱动电路与所述机电传动装置电连接，所述舵机驱动电路与所述舵机执行装置电连接；
8.所述机电传动装置与所述舵机执行装置同步传动连接。
9.本发明的有益效果是：电源为物联网mcu直接供电，并通过物联网mcu分别为所述舵机驱动电路和电机驱动电路间接供电，通过控制主机仓内的单个物联网mcu来控制电机驱动电路的运行，可以驱动机电传动装置开始传动工作，由于机电传动装置与舵机执行装置同步传动连接，则可以带动舵机执行装置随着机电传动装置中部件的移动而同步移动，进而带动舵机执行装置移动至需要执行开关动作的电灯开关(即目标电灯开关)处，再通过物联网mcu控制舵机驱动电路的运行，可以驱动舵机执行装置开始对目标电灯开关执行开关动作，实现智能楼宇开关控制；
10.本发明的基于单物联网mcu的智能楼宇开关控制系统，使用单物联网mcu独立工作的控制方式，无需额外的mcu来控制，mcu控制器数量减少，芯片成本较低，并采用外附机械
结构来实现开关灯动作，电路结构简单，有效降低了安装与维护的难度和成本，可适用于各种电灯开关，应用场景灵活可变，普及难度低，赋予了智能楼宇无限的发展空间与市场潜力。
11.在上述技术方案的基础上，本发明还有如下改进：
12.进一步：所述机电传动装置包括电机、光轴、滑台、传送带、两个同步轮以及两个相对设置的第一支座和第二支座；所述电机与所述电机驱动电路电连接；
13.所述滑台套接在所述光轴上，所述光轴的两端分别设置在所述第一支座与所述第二支座相对的两个侧面上，两个所述同步轮也分别设置在所述第一支座与所述第二支座相对的两个侧面上；所述滑台上设有通槽，所述传送带铺设在两个所述同步轮上并通过所述通槽穿过所述滑台；所述滑台上位于所述通槽处还设有皮带夹，所述滑台通过所述皮带夹固定在所述传送带上，并与所述传送带同步移动；所述电机设置在所述第一支座上，所述电机的输出轴与设置在所述第一支座的侧面上的所述同步轮传动连接；所述舵机执行装置设置在所述滑台的上端，所述控制主机仓设置在所述第一支座上。
14.进一步：所述舵机执行装置包括均设置所述滑台的上端的机械臂和舵机；
15.所述舵机的输出轴与所述机械臂传动连接，所述舵机通过所述舵机驱动电路与所述物联网mcu电连接。
16.进一步：所述机电传动装置还包括设置在所述第二支座上的第一调平组件。
17.进一步：所述智能楼宇开关控制系统还包括固定设置在所述电机面向所述滑台一侧上的限位开关，所述限位开关与所述物联网mcu电连接。
18.进一步：所述智能楼宇开关控制系统还包括设置所述第二支座背离所述第一支座的一侧上的超声波测距传感器，所述超声波测距传感器与所述物联网mcu电连接。
19.进一步：所述电源包括锂电池、电源管理电路、ldo电路、外部usb供电接口、锂电池接口、电源管理接口和指示灯组；
20.所述锂电池通过所述锂电池接口与所述电源管理电路电连接，所述电源管理电路依次通过所述ldo电路和所述电源管理接口分别与所述物联网mcu和所述电机驱动电路电连接，所述电源管理电路还分别与所述外部usb接口和所述指示灯组电连接。
21.进一步：所述控制主机仓内还设有显示电路，所述控制主机仓的表面设有oled显示屏；所述oled显示屏通过所述显示电路与所述物联网mcu电连接。
22.进一步：所述控制主机仓内还设有i/o扩展电路、按键电路和声光报警电路，所述控制主机仓的表面设有按键组件；
23.所述按键组件依次通过所述按键电路和所述i/o扩展电路与所述物联网mcu电连接，所述声光报警电路通过所述i/o扩展电路与所述物联网mcu电连接。
24.进一步：所述物联网mcu具体为esp8266ex型号的wifi mcu。
附图说明
25.图1为本发明实施例中一种基于单物联网mcu的智能楼宇开关控制系统的电连接示意图；
26.图2为本发明实施例中基于单物联网mcu的智能楼宇开关控制系统的结构示意图；
27.图3为本发明实施例中另一种基于单物联网mcu的智能楼宇开关控制系统的完整
电连接示意图；
28.图4为本发明实施例中电源的电连接示意图；
29.图5为本发明实施例中智能楼宇开关控制系统对应的前端人机交互界面控制终端和后端管理设备的模型示意图。
30.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
31.1、控制主机仓，2、机电传动装置，3、舵机执行装置，4、限位开关，5、超声波测距传感器，101、oled显示屏，102、按键组件，103、开关按钮，104、第二调平组件，201、电机，202、光轴，203、滑台，204、传送带，205、同步轮，206、通槽，207、皮带夹，208、第一支座，209、第二支座，210、第一调平组件，211、座式法兰连轴器，212、直线轴承。
具体实施方式
32.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
33.下面结合附图，对本发明进行说明。
34.实施例、如图1和图2所示，一种基于单物联网mcu的智能楼宇开关控制系统，包括控制主机仓1、机电传动装置2和舵机执行装置3，所述控制主机仓1和所述舵机执行装置3均设置在所述机电传动装置2上；
35.所述控制主机仓1内设有电源、物联网mcu、电机驱动电路和舵机驱动电路；所述电源与所述物联网mcu电连接，所述物联网mcu分别与所述电机驱动电路和所述舵机驱动电路；所述电机驱动电路与所述机电传动装置2电连接，所述舵机驱动电路与所述舵机执行装置3电连接；
36.所述机电传动装置2与所述舵机执行装置3同步传动连接。
37.本实施例的基于单物联网mcu的智能楼宇开关控制系统的工作原理：
38.电源为物联网mcu直接供电，并通过物联网mcu分别为所述舵机驱动电路和电机驱动电路间接供电，通过控制主机仓内的单个物联网mcu来控制电机驱动电路的运行，可以驱动机电传动装置开始传动工作，由于机电传动装置与舵机执行装置同步传动连接，则可以带动舵机执行装置随着机电传动装置中部件的移动而同步移动，进而带动舵机执行装置移动至需要执行开关动作的电灯开关(即目标电灯开关)处，再通过物联网mcu控制舵机驱动电路的运行，可以驱动舵机执行装置开始对目标电灯开关执行开关动作，实现智能楼宇开关控制。
39.本实施例的基于单物联网mcu的智能楼宇开关控制系统，使用单物联网mcu独立工作的控制方式，无需额外的mcu来控制，mcu控制器数量减少，芯片成本较低，并采用外附机械结构来实现开关灯动作，电路结构简单，有效降低了安装与维护的难度和成本，可适用于各种电灯开关，应用场景灵活可变，普及难度低，赋予了智能楼宇无限的发展空间与市场潜力。
40.具体地，本实施例中控制主机仓内设有主控pcb和电源pcb，物联网mcu、电机驱动电路和舵机驱动电路均设置在主控pcb上，电源设置在电源pcb上，主控pcb和电源pcb上均设有电源管理接口，通过两个电源管理接口的对接，实现电源对物联网mcu和电机驱动电路的直接供电。
41.具体地，本实施例中物联网mcu具体为esp8266ex型号的wifi mcu。该型号的mcu集成了32位tensilica处理器、标准数字外设接口、天线开关、射频balun、功率放大器、低噪放大器、过滤器和电源管理模块等，tensilica处理器的cpu时钟速度最高可达160mhz，支持实时操作系统(rtos)和wi
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fi协议栈；仅需很少的外围电路，可将所占pcb空间降低；工作温度范围大，且能够保持稳定的性能，能适应各种操作环境；具有的省电模式适用于各种低功耗应用场景，通过该物联网mcu，能保证实现本实施例基于单物联网mcu的低成本、低实现难度的智能楼宇开关控制系统。
42.优选地，如图2所示，所述机电传动装置2包括电机201、光轴202、滑台203、传送带204、两个同步轮205以及两个相对设置的第一支座208和第二支座209；所述电机201与所述电机驱动电路电连接；
43.所述滑台203套接在所述光轴202上，所述光轴202的两端分别设置在所述第一支座208与所述第二支座209相对的两个侧面上，两个所述同步轮205也分别设置在所述第一支座208与所述第二支座209相对的两个侧面上；所述滑台203上设有通槽206，所述传送带204铺设在两个所述同步轮205上并通过所述通槽206穿过所述滑台203；所述滑台203上位于所述通槽206处还设有皮带夹207，所述滑台203通过所述皮带夹207固定在所述传送带204上，并与所述传送带204同步移动；所述电机201设置在所述第一支座208上，所述电机201的输出轴与设置在所述第一支座208的侧面上的所述同步轮205传动连接；所述舵机执行装置3设置在所述滑台203的上端，所述控制主机仓1设置在所述第一支座208上。
44.通过电机驱动电路及设置在第一支座上的电机，结合两个同步轮，可以驱动同步轮传送带开始移动，滑台通过皮带夹固定在传送带上，当传送带移动时，带动滑台一起移动，而滑台是套接在光轴上的，因此当滑台随着传送带一起移动时，能在沿着光轴移动；然后通过舵机驱动电路驱动舵机执行装置来对目标电灯开关执行开关灯动作；基于外附物理机械方式来实现智能楼宇电灯的开关，减小了芯片数量，硬件成本低；安装时只需要将控制主机仓贴附于墙面，降低了安装成本，有利于保持家居环境的美观；且后期检修和维护只需要对机电传动装置和舵机执行装置进行拆卸检修，操作方便，大大降低了维度难度和维护成本。
45.具体地，本实施例两个同步轮中，与电机输出轴相连的同步轮为主动轮，另一个为从动轮，电机为步进电机，电机驱动电路具体为drv8847步进电机驱动模块；传送带为2m的传送带；光轴为表面粗糙度为ra0.10m～ra0.35m的直线光轴，光轴的数量可以设置为一个，也可以设置多个，如图2所示，本实施例的光轴202的数量为两个，且沿着水平方向平行设置，两个光轴202的两端均分别通过一个座式法兰连轴器211固定在两个支座相对的侧面上，即本实施例中的座式法兰连轴器211为四个；滑台的两侧均通过直线轴承212套接在光轴上，当光轴202为两个时，对应地，直线轴承212的数量为四个，如图2所示。电机驱动电路的具体设计可采用现有技术中的常规设计。
46.优选地，如图2所示，所述舵机执行装置3包括均设置所述滑台203的上端的机械臂301和舵机302；
47.所述舵机302的输出轴与所述机械臂301传动连接，所述舵机302通过所述舵机驱动电路与所述物联网mcu电连接。
48.当舵机执行装置随着滑台移动至需要执行开关动作的目标电灯开关处时，通过物
联网mcu控制舵机驱动电路的运行，舵机开始工作，进而驱动机械臂拨动目标电灯开关，实现了智能楼宇的开关控制，对电灯开关的种类有较高的适用性，控制电灯开关的物理实现灵活可调，可适用于各种外观的电灯开关，普适性高。
49.具体地，舵机的数量和机械臂的数量均可以设置一个或多个，当设置多个时，所有机械臂和所有舵机一一对应设置，可以实现多自由度的舵机执行装置，对电灯开关的开关动作更加灵活。
50.优选地，如图2所示，所述机电传动装置2还包括设置在所述第二支座209上的第一调平组件210。
51.第一调平组件采用了机械调平原理，当整个智能楼宇开关控制系统安装于墙面后，通过手动操作第一调平组件并与滑台上的舵机执行装置相互配合，以保证对电灯开关的开关动作更加精准，原理简单，操作难度低。
52.具体地，如图2所示，本实施例中的第一调平组件210包括垫块和至少一个调平螺杆，所述垫块设置在所述第二支座209的外侧，每个所述调平螺杆的一端均穿过所述第二支座209后与所述垫块相抵接，每个所述调平螺杆的另一端均设有调平螺母。上述调平螺杆的数量可根据实际情况设置和调整。
53.具体地，如图2所示，本实施例中所述控制主机仓1的表面设有至少一对第二调平组件104，每对所述第二调平组件104相对所述控制主机仓1的中心对称设置。
54.同理，该至少一对第二调平组件也是采用了机械调平原理，通过第二调平组件的手动操作来与第一调平组件和舵机执行装置的相互配合，实现电灯开关准确的开关动作。第二调平组件的对数可根据实际情况设置，例如本实施例中的控制主机舱为正方形壳体，则在控制主机舱其中一对对角上分别设置一个第二调平组件，也可以在两对对角均分别设置一个第二调平组件(即两对第二调平组件)；第二调平组件的结构与第一调平组件的结构类似，具体细节不再赘述。
55.优选地，如图2和图3所示，所述智能楼宇开关控制系统还包括固定设置在所述电机201面向所述滑台203一侧上的限位开关4，所述限位开关4与所述物联网mcu电连接。
56.通过设置在电机上的限位开关，可以确定电机移动轴的零点位置，进而避免电机过冲，对电机起到保护作用。
57.具体地，控制主机仓的主控pcb上设有限位开关接口，通过该限位开关接口为限位开关提供三线接口，以此来确定电机移动轴的零点位置。
58.优选地，如图2和图3所示，所述智能楼宇开关控制系统还包括设置所述第二支座210背离所述第一支座209的一侧上的超声波测距传感器5，所述超声波测距传感器5与所述物联网mcu电连接。
59.第二支座背离第一支座的一侧，可以默认为整个智能楼宇开关控制系统的前侧，通过其上的超声波测距传感器，可以检测其附近是否有物体穿过，结合防盗器件可以达到防盗之功效。
60.具体地，控制主机仓的主控pcb上设有超声波传感器接口，通过该接口实现超声波测距传感器与物联网mcu之间的通信。
61.优选地，如图4所示，所述电源包括锂电池、电源管理电路、ldo电路、外部usb供电接口、锂电池接口、电源管理接口和指示灯组；
62.所述锂电池通过所述锂电池接口与所述电源管理电路电连接，所述电源管理电路依次通过所述ldo电路和所述电源管理接口分别与所述物联网mcu和所述电机驱动电路电连接，所述电源管理电路还分别与所述外部usb接口和所述指示灯组电连接。
63.通过锂电池和锂电池接口，保证锂电池的供电接入，电源管理电路为电源的核心器件，再通过电源管理电路和ldo电路，可以利用锂电池中的电能为物联网mcu和电机驱动电路及其他与电源直接相连的器件提供所需的供电电压，保证各部件的正常工作；电源管理电路还与外部usb接口，可接入外部电源，使用外部电源的电能来进行供电，而无需直接使用锂电池的电能，同时还可基于电源管理电路的原理将接入的电能存储在锂电池中，实现锂电池的可充电功能，进而实现外部电源供电模式和锂电池供电模式，为整个智能楼宇开关控制系统提供多模式的供电，适用场景更广泛；电源管理电路还与指示灯组电连接，可以实现电源运行状态指示和充电状态指示等功能。
64.具体地，上述电源中的各部件均安装在电源pcb中；指示灯组中指示灯的数量和类型可以根据实际情况选择和调整，本实施例中的指示灯组包括电源运行状态指示灯和充电状态指示灯，当电源管理电路正常工作时，运行状态指示灯亮起，电源管理电路异常时，运行状态指示灯熄灭；当当电源管理电路正常工作时，有充电电路流入锂电池时，充电状态指示灯亮起，当没有充电电路流入锂电池时，充电状态指示灯熄灭。
65.具体地，本实施例中锂电池为1s li电池，电源管理电路具体为bq25896电源管理芯片，可以提供5v/3a电源，再通过ldo电路提供3.3v/3a电源。
66.优选地，所述控制主机仓1内还设有显示电路，所述控制主机仓1的表面设有oled显示屏101；所述oled显示屏101通过所述显示电路与所述物联网mcu电连接。
67.通过控制主机仓内的显示电路，可以实现物联网mcu对oled显示屏所显示的内容的控制。
68.具体地，本实施例中显示电路为主控pcb上的显示接口，oled显示屏具体为0.96’的oled显示模块。
69.优选地，所述控制主机仓1内还设有i/o扩展电路、按键电路和声光报警电路，所述控制主机仓的表面设有按键组件102；
70.所述按键组件102依次通过所述按键电路和所述i/o扩展电路与所述物联网mcu电连接，所述声光报警电路通过所述i/o扩展电路与所述物联网mcu电连接。
71.通过上述i/o扩展电路，可以为整个智能楼宇开关控制系统提供其他的附加功能，包括通过按键电路和按键组件所实现的开关或选择功能，以及通过声光报警电路所实现的报警防盗功能等，提高智能化程度。
72.具体地，如图2所示，按键组件102中的按键数量可以根据实际情况设置，本实施例中包含独立i/o控制的五个轻触开关按键；按键电路和声光报警电路均设置在主控pcb上，与声光报警电路对应设置的还包括设在控制主机仓1表面的一个led灯和一个蜂鸣器(图中未画出)，该led灯和蜂鸣器均依次通过声光报警电路和i/o扩展电路与物联网mcu电连接。i/o扩展电路具体为pcf8574 i/o扩展模块。
73.具体地，如图2所示，所述控制主机仓1表面还设有开关按钮103，所述开关按钮103分别与所述电源和所述物联网mcu电连接。
74.通过开关按钮可以实现整个智能楼宇开关控制系统的开关机。例如，轻按一次该
开关按钮实现开机，长按5s实现关机。该实现方式为现有技术，具体细节此处不再赘述。
75.具体地，采用本实施例中图2所示的结构来设计智能楼宇开关控制系统的物理结构，既保证了机电传动装置与执行机构的紧密配合，又确保了开关灯执行机构对多种不同形态墙壁开关机械配合的精准性；同时，设计外形美观整洁，落落大方，在老式机械风格之中又透露出一种新潮时尚与现代感，显著提高了本设计的亲和力。
76.具体地，在图3所示的完整电路中，采用1s li电池通过bq25896电源管理芯片为系统提供5v/3a电源，5v/3a电源通过ldo电路为系统提供3.3v/3a电源；esp8266ex wifi mcu通过iic协议与0.96’oled显示模块、drv8847步进电机驱动模块、bq25896电源管理模块以及pcf8574 i/o扩展模块进行通信；通过usart协议与超声波测距传感器通信；通过片上adc读取限位开关状态；通过i/o输出的pwm波控制舵机驱动电路以及舵机执行装置上的多级的运动。其中，pcf8574 i/o扩展模块为按键组件的五个按键、蜂鸣器及led灯提供控制i/o。通过以上串行总线协议或普通i/o等方式与系统各模块进行通信，由此实现系统数据传输与指令控制。超声波传感器接口为连接超声波测距传感器的四线接口；舵机驱动电路具体为舵机接口，舵机接口为连接舵机的三线接口；drv8847步进电机驱动模块为iic通信、内置两组全h
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bridge的专用步进电机控制器及用来连接48步进电机的标准五线接口；电源管理模块接口为该电源pcb板提供5v/3a电源，并带有iic接口及开关机按钮接口，以便于物联网芯片模组进行控制；显示接口为标准四线接口，为0.96’oled屏幕提供电源及iic控制线路。在上述各部分的缜密配合下，整个智能楼宇开关控制系统运行井井有条，干扰降低，大幅提升系统运行的稳定度。
77.具体地，本实施例中还可以针对图3所述的智能楼宇开关控制系统设计前端人机交互界面控制终端和后端管理设备。如图5所示，在前端人机交互界面控制终端的设计中，采用自制微信小程序进行设计，在微信小程序中可以进行专属账号的登录及与物联网mcu的绑定，设置定时开关灯，闹钟设置，防盗功能的开启等设置；另外，自制微信小程序的页面结构清晰，逻辑简单，便于用户在楼宇场景中，如办公楼、写字楼及教学楼等处大量部署本设计，可适应几乎全年龄层面的用户进行配置与操控。在后端设备管理的设计中，采用mqtt服务器与bmob后端云数据库进行联合控制，通过对物联网mcu烧入自行生成的全球唯一设备id来实现对物联网设备身份的识别，物联网mcu和微信小程序均将数据通过mqtt协议上报至专属mqtt服务器，同时物联网mcu也会从mqtt服务器上接受订阅信息，微信小程序也会查询并上报后台数据至bmob’后端云数据库中，以实现对大规模使用本智能楼宇开关控制系统时的后端管理。由于引入了专属mqtt服务器与专属bmob后端云数据库，使本智能楼宇开关控制系统可以在任意区域进行大量分用户的设备部署，各用户之间的设备互不干扰，十分便捷与方便。
78.按照图3和图5所示的方案进行设计，与市场中现有的物联网开关控制方案相比，具有以下优点：
79.1、采用单物联网芯片作为mcu进行控制，mcu控制器数量减少，所耗成本远低于市场上绝大部分物联网开关控制方案，有利于普及；
80.2、控制方式为外附机械控制，安装时，只需将控制器贴附于墙面，降低了安装成本；
81.3、电路结构简单，降低了后期检修与维护的难度和成本；
82.4、物联网mcu、后端服务器和用户端上位机采取mqtt进行通信从而让使用者能够了解开关的实时状态，在任意位置对开关进行实时控制，并设置闹钟、定时开关灯、防盗报警等定时任务，安全可靠；
83.5、采用专用电源管理芯片配合可充电锂电池独立供电，可随充随用；
84.6、对灯开关的种类有较高的适用性，控制灯开关的物理实现灵活可调，可适用于各种外观的电灯开关；
85.7、有专门的后端管理设备，可实现在同一区域内大规模部署本设计，使其应用场景灵活可变，赋予了其无限的发展空间与市场潜力。
86.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。