智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：介紹了以PC（個人計算機(jī)）、MCU（單片機(jī)AT89C52）、雙音多頻編解碼集成電路MT8880C、語音錄放芯片ISD4004和無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片nRF401為核心，通過現(xiàn)有的電話網(wǎng)絡(luò)終端或者互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)終端實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的智能家居系統(tǒng)，給出了該系統(tǒng)的電路原理和辦硬件設(shè)計與實現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程控制 雙音多頻 網(wǎng)絡(luò)通訊 無線通訊 家庭自動化

２１世紀(jì)是信息化的世紀(jì)，各種電信和互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)推動了人類文明的巨大進(jìn)步。數(shù)字化家居控制系統(tǒng)的出現(xiàn)使得人們可以通過手機(jī)或者互聯(lián)網(wǎng)在任何時候、任意地點對家中的任意電器（空調(diào)、熱水器、電飯煲、燈光、音響、ＤＶＤ錄像機(jī)）進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；也可以在下班途中，預(yù)先將家中的空調(diào)打開、讓熱水器提前燒好熱水、電飯煲煮好香噴噴的米飯……；而這一切的實現(xiàn)都僅僅是輕輕的點幾下鼠標(biāo)，或者打一個簡單的電話。此外，該系統(tǒng)還可使家庭具有多途徑報警、遠(yuǎn)程監(jiān)聽、數(shù)字留言等多種功能，如果不幸出現(xiàn)某種險情，您和１１０可以在第一時間獲得通知以便進(jìn)一步采取行動。舒適、時尚的家居生活是社會進(jìn)步的標(biāo)志，智能家居系統(tǒng)能夠在不改變家中任何家電的情況下，對家里的電器、燈光、電源、家庭環(huán)境進(jìn)行方便地控制，使人們盡享高科技帶來的簡便而時尚的現(xiàn)代生活。

１　系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及工作過程

智能家居系統(tǒng)由系統(tǒng)主機(jī)、系統(tǒng)分機(jī)、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)接口等部分組成。其中系統(tǒng)主機(jī)通過服務(wù)器（個人計算機(jī)）連入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，并通過自己的ＰＳＴＮ?公用電話交換網(wǎng)?接口電路連入ＰＳＴＮ。其結(jié)構(gòu)圖如圖１所示。主機(jī)與分機(jī)通過無線傳輸組成星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主機(jī)通過本地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)同系統(tǒng)分機(jī)進(jìn)行通訊、傳輸控制命令和反饋信息。

該系統(tǒng)正常工作時，用戶可以通過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ和ＰＳＴＮ兩種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問，當(dāng)通過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ訪問時，本系統(tǒng)可提供一個界面友好的終端軟件，用戶只需登陸到運行在家中的服務(wù)器即可對家中的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；當(dāng)通過ＰＳＴＮ訪問時，本系統(tǒng)將為用戶提供語音操作界面。其工作流程如圖２所示。

２　系統(tǒng)的硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)的硬件主要有系統(tǒng)主機(jī)與系統(tǒng)分機(jī)兩大部分。系統(tǒng)主機(jī)由單片機(jī)ＡＴ８９Ｃ５２和各種接口電路組成，如圖３所示。系統(tǒng)分機(jī)由單片機(jī)ＡＴ８９Ｃ５２和各種接口電路、傳感器單元電路、固態(tài)繼電器控制電路組成，并由固態(tài)繼電器控制具體設(shè)備，具體硬件組成框圖如圖４所示。

通過系統(tǒng)主機(jī)的各種接口電路可將主機(jī)ＣＰＵ從繁忙的計算中解脫出來，以便把主要精力運用在控制和信息傳遞上。系統(tǒng)主機(jī)主要依照各個功能電路的輸出結(jié)果進(jìn)行邏輯判斷和控制命令的輸出。系統(tǒng)分機(jī)的各種接口電路和主機(jī)相似，只是根據(jù)設(shè)備的不同（傳感器單元）有著細(xì)節(jié)上的變化。下面主要介紹系統(tǒng)主機(jī)的各種接口電路。

２．１ ｎＲＦ４０１ 無線數(shù)據(jù)傳輸電路

無線數(shù)據(jù)傳輸電路由Ｎｏｒｄｉｃ公司的單片ＵＨＦ無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片ｎＲＦ４０１及其外圍電路構(gòu)成。ｎＲＦ４０１采用ＦＳＫ調(diào)制解調(diào)技術(shù)，其工作效率可達(dá)２０ｋｂｉｔ／ｓ，且有兩個頻率通道供選擇，并且支持低功耗和待機(jī)模式。它不用對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，其天線接口設(shè)計為差分天線，因而很容易用ＰＣＢ來實現(xiàn)。

２．２ 看門狗電路

看門狗電路由ＭＡＸ８１３Ｌ及其外圍元件組成。通常，在單片機(jī)的工作現(xiàn)場，可能有各種干擾源。這些干擾源可能導(dǎo)致程序跑飛、造成死機(jī)或者程序不能正常運行。如果不及時恢復(fù)或使系統(tǒng)復(fù)位，就容易造成損失?？撮T狗電路的作用就是在程序跑飛或者死機(jī)時，能有效地使系統(tǒng)復(fù)位以使系統(tǒng)恢復(fù)正常運轉(zhuǎn)。因此，在程序中定期給Ｐ１．５送入看門狗信號，就可以保證在程序運行異常時，由ＭＡＸ８１３Ｌ使單片機(jī)復(fù)位。

２．３ ＤＳ１３０７時鐘接口電路

ＤＳ１３０７時鐘芯片是美國ＤＡＬＬＡＳ公司生產(chǎn)的Ｉ２Ｃ總線接口實時時鐘芯片。ＤＳ１３０７可以獨立于ＣＰＵ工作，它不受晶振和電容等的影響，并且計時準(zhǔn)確，月積累誤差一般小于１０秒。此芯片還具有掉電時鐘保護(hù)功能，可自動切換到后備電源供電。同時還具有閏年自動調(diào)整功能，可以產(chǎn)生秒、分、時、日、月、年等數(shù)據(jù)，并將其保存在具有掉電保護(hù)功能的時間寄存器內(nèi)，以便ＣＰＵ根據(jù)需要對其進(jìn)行讀出或?qū)懭搿Ｓ捎趩纹瑱C(jī)ＡＴ８９Ｃ５２沒有Ｉ２Ｃ總線接口，因此，要驅(qū)動ＤＳ１３０７，就必須采用單主機(jī)方式下的Ｉ２Ｃ總線虛擬技術(shù)。在此方式下，以單片機(jī)為主節(jié)點（主器件），主器件永遠(yuǎn)占有總線而不出現(xiàn)總線競爭，且可以用兩根Ｉ／Ｏ口線來虛擬Ｉ２Ｃ總線接口。Ｉ２Ｃ總線上的主器件（單片機(jī)）可在時鐘線（ＳＤＬ）上產(chǎn)生時鐘脈沖，在數(shù)據(jù)線（ＳＤＡ）上產(chǎn)生尋址信號、開始條件、停止條件以及建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠骷?。任何被選中的器件都將被主器件看成是從器件。在這里，ＤＳ１３０７作為Ｉ２Ｃ總線的從器件。Ｉ２Ｃ總線為同步串行數(shù)據(jù)傳輸總線，其內(nèi)部為雙向傳輸電路，端口輸出為開漏結(jié)構(gòu)，因此，需加上拉電阻。

２．４ ＭＴ８８８０Ｃ雙音頻編解碼電路

由于單片機(jī)是通過ＭＴ８８８０Ｃ芯片得到ＰＳＴＮ網(wǎng)絡(luò)的雙音頻信號解碼輸出，也就是說，單片機(jī)可以識別來自ＰＳＴＮ網(wǎng)絡(luò)的控制信號，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的語音提示進(jìn)行按鍵選擇以實現(xiàn)用戶身份的識別與遠(yuǎn)程控制。因此，利用ＭＴ８８８０Ｃ的雙音頻編碼功能，系統(tǒng)可以在緊急時刻將用戶預(yù)置的緊急電話打到ＰＳＴＮ網(wǎng)絡(luò)，從而把損失減少到最低。

２．５ ＩＳＤ４００４語音錄放電路

ＩＳＤ４００４是美國ＩＳＤ公司生產(chǎn)的一種語音錄放芯片。它可錄制８～１６分鐘的語音信號。該芯片可提供ＳＰＩ標(biāo)準(zhǔn)接口和單片機(jī)進(jìn)行接口，其語音的錄放控制均通過單片機(jī)來實現(xiàn)。該芯片的一個最大特點是可以按地址編程錄放，因而可由ＩＳＤ４００４和單片機(jī)編程控制來構(gòu)成本系統(tǒng)與ＰＳＴＮ網(wǎng)絡(luò)用戶的語音平臺。由于ＩＳＤ４００４的ＩＮＴ和ＲＡＣ腳輸出為開漏結(jié)構(gòu)，因此需要加上拉電阻。

２．６ ＭＡＸ２０２串行通訊電路

通訊電路可由串行通訊專用芯片ＭＡＸ２０２組成，通過此電路可以方便地與ＰＣ機(jī)進(jìn)行串行通訊。

２．７ 鈴流檢測與摘掛機(jī)控制電路

當(dāng)系統(tǒng)被呼叫時，電話交換機(jī)發(fā)出鈴流信號。振鈴為２５３Ｖ的正弦波，失真小于１０％，電壓有效值為９０１５Ｖ。振鈴信號以５秒為周期，即１秒送，４秒斷。由于振鈴信號電壓比較高，所以先要通過高壓穩(wěn)壓二極管進(jìn)行降壓，然后輸入至光耦。再經(jīng)光耦隔離轉(zhuǎn)換后，從光耦輸出時通時斷的正弦波，最后經(jīng)ＲＣ回路進(jìn)行濾波以輸出標(biāo)準(zhǔn)的方波。該方波信號可以直接輸出至單片機(jī)的定時器１進(jìn)行計數(shù)，以實現(xiàn)對鈴流的檢測。

由于程控電話交換機(jī)在電話摘機(jī)時電話線回路電流會突然變大（約３０ｍＡ），因此，交換機(jī)檢測到回路電流變大就認(rèn)為電話機(jī)已經(jīng)摘機(jī)。自動摘掛機(jī)電路可以通過單片機(jī)的Ｐ１．７來控制一個固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器的控制端應(yīng)連接一個大約３００Ω的電阻后再接入電話線兩端，從而完成模擬摘掛機(jī)。

３　系統(tǒng)軟件編制

本系統(tǒng)軟件主要由系統(tǒng)主機(jī)和系統(tǒng)分機(jī)的Ｃ５１程序和系統(tǒng)與Ｉｎｔｅｒｎｅｔ網(wǎng)絡(luò)通訊程序組成。

３．１ 系統(tǒng)主機(jī)程序的編制

系統(tǒng)主機(jī)程序主要用于實現(xiàn)系統(tǒng)的總體功能。包括無線數(shù)據(jù)傳輸程序、看門狗程序、時間戳程序、雙音頻編解碼程序、語音錄放程序、串行通訊程序、鈴流檢測與摘掛機(jī)控制程序、系統(tǒng)初始化程序、意外事件處理程序等。程序編制以消息驅(qū)動為主導(dǎo)思想。消息由計數(shù)器中斷１、外部中斷０和串行中斷產(chǎn)生，在中斷服務(wù)程序中，應(yīng)將相應(yīng)的狀態(tài)位置位，而在消息循環(huán)中則應(yīng)按相應(yīng)的狀態(tài)位調(diào)用功能函數(shù)，然后由功能函數(shù)將相應(yīng)的狀態(tài)位清０并完成所需功能，并最后返回到消息循環(huán)中。其程序流程如圖５所示。該系統(tǒng)的分機(jī)程序和主機(jī)類似，故此不再詳述。

３．２ 系統(tǒng)與Ｉｎｔｅｒｎｅｔ網(wǎng)絡(luò)通訊程序的編制

這部分通訊程序分為服務(wù)器和客戶端兩個程序，主要通過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ網(wǎng)絡(luò)完成用戶的控制功能。

服務(wù)器程序主要完成客戶端與系統(tǒng)主機(jī)通訊的中轉(zhuǎn)，即將客戶端發(fā)來的控制或者查詢命令翻譯成系統(tǒng)主機(jī)能識別的格式，或者將系統(tǒng)主機(jī)收到的報警等信息上傳到客戶端。服務(wù)器程序使用Ｓｏｃｋｅｔ與客戶端進(jìn)行Ｉｎｔｅｒｎｅｔ通訊。

客戶端程序是運行在遠(yuǎn)端用戶的控制界面，主要用于完成家居內(nèi)狀態(tài)的顯示以及對家居內(nèi)電器的遠(yuǎn)程控制，同時使客戶端直接連接到服務(wù)器。

４　結(jié)論

本系統(tǒng)充分利用了現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源。通過在實際電話網(wǎng)絡(luò)和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ網(wǎng)絡(luò)中的試運行證明：該系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)計初期的各項要求。相信將在信息家電、智能小區(qū)等方面得到廣泛應(yīng)用。