智能家居控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)-1

智能家居控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

摘要：介紹了以PC、MCU、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)絡終端或者互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡終端實現(xiàn)遠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計與實現(xiàn)方法。

關鍵詞：遠程控制雙音多頻網(wǎng)絡通訊無線通訊家庭自動化

２１世紀是信息化的世紀，各種電信和互聯(lián)網(wǎng)新技術推動了人類文明的巨大進步。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或者互聯(lián)網(wǎng)在任何時候、任意地點對家中的任意電器進行遠程控制；也可以在下班途中，預先將家中的空調(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，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一步采取行動。舒適、時尚的家居生活是社會進步的標志，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)的總體結構及工作過程

智能家居系統(tǒng)由系統(tǒng)主機、系統(tǒng)分機、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ服務器和網(wǎng)絡接口等部分組成。其中系統(tǒng)主機通過服務器連入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，并通過自己的ＰＳＴＮ公用電話交換網(wǎng)接口電路連入ＰＳＴＮ。其結構圖如圖１所示。主機與分機通過無線傳輸組成星形拓撲結構。系統(tǒng)主機通過本地無線傳輸網(wǎng)絡同系統(tǒng)分機進行通訊、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)絡進行訪問，當通過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器即可對家中的設備進行遠程控制；當通過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)的硬件構成

本系統(tǒng)的硬件主要有系統(tǒng)主機與系統(tǒng)分機兩大部分。系統(tǒng)主機由單片機ＡＴ８９Ｃ５２和各種接口電路組成，如圖３所示。系統(tǒng)分機由單片機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)繼電器控制具體設備，具體硬件組成框圖如圖４所示。

通過系統(tǒng)主機的各種接口電路可將主機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)主機主要依照各個功能電路的輸出結果進行邏輯判斷和控制命令的輸出。系統(tǒng)分機的各種接口電路和主機相似，只是根據(jù)設備的不同有著細節(jié)上的變化。下面主要介紹系統(tǒng)主機的各種接口電路。

２．１ｎＲＦ４０１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及其外圍電路構成。ｎＲＦ４０１采用ＦＳＫ調(diào)制解調(diào)技術，其工作效率可達２０ｋｂｉｔ／ｓ，且有兩個頻率通道供選擇，并且支持低功耗和待機模式。它不用對數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼，其天線接口設計為差分天線，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，在單片機的工作現(xiàn)場，可能有各種干擾源。這些干擾源可能導致程序跑飛、造成死機或者程序不能正常運行。如果不及時恢復或使系統(tǒng)復位，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時，能有效地使系統(tǒng)復位以使系統(tǒng)恢復正常運轉。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使單片機復位。

２．３ＤＳ１３０７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，并且計時準確，月積累誤差一般小于１０秒。此芯片還具有掉電時鐘保護功能，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功能的時間寄存器內(nèi)，以便ＣＰＵ根據(jù)需要對其進行讀出或寫入。由于單片機ＡＴ８９Ｃ５２沒有Ｉ２Ｃ總線接口，因此，要驅動ＤＳ１３０７，就必須采用單主機方式下的Ｉ２Ｃ總線虛擬技術。在此方式下，以單片機為主節(jié)點，主器件永遠占有總線而不出現(xiàn)總線競爭，且可以用兩根Ｉ／Ｏ口線來虛擬Ｉ２Ｃ總線接口。Ｉ２Ｃ總線上的主器件可在時鐘線上產(chǎn)生時鐘脈沖，在數(shù)據(jù)線上產(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，端口輸出為開漏結構，因此，需加上拉電阻。

２．４ＭＴ８８８０Ｃ雙音頻編解碼電路

由于單片機是通過ＭＴ８８８０Ｃ芯片得到ＰＳＴＮ網(wǎng)絡的雙音頻信號解碼輸出，也就是說，單片機可以識別來自ＰＳＴＮ網(wǎng)絡的控制信號，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的語音提示進行按鍵選擇以實現(xiàn)用戶身份的識別與遠程控制。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置的緊急電話打到ＰＳＴＮ網(wǎng)絡，從而把損失減少到最低。

２．５ＩＳＤ４００４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標準接口和單片機進行接口，其語音的錄放控制均通過單片機來實現(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和單片機編程控制來構成本系統(tǒng)與ＰＳＴＮ網(wǎng)絡用戶的語音平臺。由于ＩＳＤ４００４的ＩＮＴ和ＲＡＣ腳輸出為開漏結構，因此需要加上拉電阻。)=;“

２．６ＭＡＸ２０２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機進行串行通訊。

２．７鈴流檢測與摘掛機控制電路

當系統(tǒng)被呼叫時，電話交換機發(fā)出鈴流信號。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)壓二極管進行降壓，然后輸入至光耦。再經(jīng)光耦隔離轉換后，從光耦輸出時通時斷的正弦波，最后經(jīng)ＲＣ回路進行濾波以輸出標準的方波。該方波信號可以直接輸出至單片機的定時器１進行計數(shù)，以實現(xiàn)對鈴流的檢測。

由于程控電話交換機在電話摘機時電話線回路電流會突然變大，因此，交換機檢測到回路電流變大就認為電話機已經(jīng)摘機。自動摘掛機電路可以通過單片機的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。

３系統(tǒng)軟件編制

本系統(tǒng)軟件主要由系統(tǒng)主機和系統(tǒng)分機的Ｃ５１程序和系統(tǒng)與Ｉｎｔｅｒｎｅｔ網(wǎng)絡通訊程序組成。

３．１系統(tǒng)主機程序的編制

系統(tǒng)主機程序主要用于實現(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。程序編制以消息驅動為主導思想。消息由計數(shù)器中斷１、外部中斷０和串行中斷產(chǎn)生，在中斷服務程序中，應將相應的狀態(tài)位置位，而在消息循環(huán)中則應按相應的狀態(tài)位調(diào)用功能函數(shù)，然后由功能函數(shù)將相應的狀態(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)的分機程序和主機類似，故此不再詳述。)=;“

３．２系統(tǒng)與Ｉｎｔｅｒｎｅｔ網(wǎng)絡通訊程序的編制

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

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