智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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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(dòng)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(guò)手機(jī)或者互聯(lián)網(wǎng)在任何時(shí)候、任意地點(diǎn)對(duì)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(shí)現(xiàn)都僅僅是輕輕的點(diǎn)幾下鼠標(biāo)，或者打一個(gè)簡(jiǎn)單的電話。此外，該系統(tǒng)還可使家庭具有多途徑報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)聽(tīng)、數(shù)字留言等多種功能，如果不幸出現(xiàn)某種險(xiǎn)情，您和110可以在第一時(shí)間獲得通知以便進(jìn)一步采取行動(dòng)。舒適、時(shí)尚的家居生活是社會(huì)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(duì)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(lái)的簡(jiǎn)便而時(shí)尚的現(xiàn)代生活。

　　1、系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及工作過(guò)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(guò)服務(wù)器（個(gè)人計(jì)算機(jī)）連入Internet，并通過(guò)自己的PSTN公用電話交換網(wǎng)接口電路連入PSTN。主機(jī)與分機(jī)通過(guò)無(wú)線傳輸組成星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。系統(tǒng)主機(jī)通過(guò)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(shí)，用戶可以通過(guò)screen.width-400）this.style.width=screen.width-400：Internet和PSTN兩種網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問(wèn)，當(dāng)通過(guò)Internet訪問(wèn)時(shí)，本系統(tǒng)可提供一個(gè)界面友好的終端軟件，用戶只需登陸到運(yùn)行在家中的服務(wù)器即可對(duì)家中的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；當(dāng)通過(guò)PSTN訪問(wèn)時(shí)，本系統(tǒng)將為用戶提供語(yǔ)音操作界面。

　　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。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。

　　通過(guò)系統(tǒng)主機(jī)的各種接口電路可將主機(jī)CPU從繁忙的計(jì)算中解脫出來(lái)，以便把主要精力運(yùn)用在控制和信息傳遞上。系統(tǒng)主機(jī)主要依照各個(gè)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(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電路

　　無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電路由Nordic公司的單片UHF無(wú)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(gè)頻率通道供選擇，并且支持低功耗和待機(jī)模式。它不用對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，其天線接口設(shè)計(jì)為差分天線，因而很容易用PCB來(lái)實(shí)現(xiàn)。screen.width-400）this.style.width=screen.width-400。

　　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(chǎng)，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(yùn)行。如果不及時(shí)恢復(fù)或使系統(tǒng)復(fù)位，就容易造成損失。看門狗電路的作用就是在程序跑飛或者死機(jī)時(shí)，能有效地使系統(tǒng)復(fù)位以使系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，在程序中定期給P1.5送入看門狗信號(hào)，就可以保證在程序運(yùn)行異常時(shí)，由MAX813L使單片機(jī)復(fù)位。

　　2.3 DS1307時(shí)鐘接口電路

　　DS1307時(shí)鐘芯片是美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的I2C總線接口實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。DS1307可以獨(dú)立于CPU工作，它不受晶振和電容等的影響，并且計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，月積累誤差一般小于10秒。此芯片還具有掉電時(shí)鐘保護(hù)功能，可自動(dòng)切換到后備電源供電。同時(shí)還具有閏年自動(dòng)調(diào)整功能，可以產(chǎn)生秒、分、時(shí)、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(shí)間寄存器內(nèi)，以便CPU根據(jù)需要對(duì)其進(jìn)行讀出或?qū)懭搿Ｓ捎趩纹瑱C(jī)AT89C52沒(méi)有I2C總線接口，因此，要驅(qū)動(dòng)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(diǎn)（主器件），主器件永遠(yuǎn)占有總線而不出現(xiàn)總線競(jìng)爭(zhēng)，且可以用兩根I/O口線來(lái)虛擬I2C總線接口。I2C總線上的主器件（單片機(jī)）可在時(shí)鐘線（SDL）上產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，在數(shù)據(jù)線（SDA）上產(chǎn)生尋址信號(hào)、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(guò)MT8880C芯片得到PSTN網(wǎng)絡(luò)的雙音頻信號(hào)解碼輸出，也就是說(shuō)，單片機(jī)可以識(shí)別來(lái)自PSTN網(wǎng)絡(luò)的控制信號(hào)，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的語(yǔ)音提示進(jìn)行按鍵選擇以實(shí)現(xiàn)用戶身份的識(shí)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(shí)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(yǔ)音錄放電路

　　ISD4004是美國(guó)ISD公司生產(chǎn)的一種語(yǔ)音錄放芯片。它可錄制8～16分鐘的語(yǔ)音信號(hào)。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(yǔ)音的錄放控制均通過(guò)單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。該芯片的一個(gè)最大特點(diǎn)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(lái)構(gòu)成本系統(tǒng)與PSTN網(wǎng)絡(luò)用戶的語(yǔ)音平臺(tái)。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。screen.width-400）this.style.width=screen.width-400。

　　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(guò)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(cè)與摘掛機(jī)控制電路

　　當(dāng)系統(tǒng)被呼叫時(shí)，電話交換機(jī)發(fā)出鈴流信號(hào)。振鈴為25±3V的正弦波，失真小于10％，電壓有效值為90±15V.振鈴信號(hào)以5秒為周期，即1秒送，4秒斷。由于振鈴信號(hào)電壓比較高，所以先要通過(guò)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(shí)通時(shí)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(hào)可以直接輸出至單片機(jī)的定時(shí)器1進(jìn)行計(jì)數(shù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鈴流的檢測(cè)。

　　由于程控電話交換機(jī)在電話摘機(jī)時(shí)電話線回路電流會(huì)突然變大（約30mA），因此，交換機(jī)檢測(cè)到回路電流變大就認(rèn)為電話機(jī)已經(jīng)摘機(jī)。自動(dòng)摘掛機(jī)電路可以通過(guò)單片機(jī)的P1.7來(lái)控制一個(gè)固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器的控制端應(yīng)連接一個(gè)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體功能。包括無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸程序、看門狗程序、時(shí)間戳程序、雙音頻編解碼程序、語(yǔ)音錄放程序、串行通訊程序、鈴流檢測(cè)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(dòng)為主導(dǎo)思想。消息由計(jì)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。screen.width-400）this.style.width=screen.width-400。

　　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(gè)程序，主要通過(guò)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(lái)的控制或者查詢命令翻譯成系統(tǒng)主機(jī)能識(shí)別的格式，或者將系統(tǒng)主機(jī)收到的報(bào)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(yùn)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(duì)家居內(nèi)電器的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)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(guò)在實(shí)際電話網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)中的試運(yùn)行證明：該系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)初期的各項(xiàng)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。