公話網(wǎng)智能家居系統(tǒng)設(shè)計方案

分析了智能家居的相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀，提出了一種基于公共交換電話網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)的總體方案，闡述了該系統(tǒng)的工作原理及軟硬件的設(shè)計方法與過程。 該系統(tǒng)利用計算機和紅外遙控等技術(shù)實現(xiàn)了一個智能化的窗簾機構(gòu)，采用雙音多頻信號進行信息的傳輸，實現(xiàn)了家居的安全防護和家電的遠程控制。 經(jīng)過調(diào)試與檢測證明，該系統(tǒng)具有性能可靠、功能豐富、易于使用等特點，具有廣泛的實用價值。

　　近年來，計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和信息化程度的不斷提高，為智能家居系統(tǒng)的研究與開發(fā)提供了堅實的技術(shù)平臺。 通常把智能家居定義為一個整體，即利用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以及綜合布線技術(shù)，通過家庭信息管理平臺，將與家居生活相關(guān)的各個部分有機結(jié)合成一個特殊的集成系統(tǒng)。 伴隨著智能家居功能的不斷細化，其概念逐步得到延伸，更多地考慮到了居民對住宅環(huán)境性能的全方位要求。 因此，現(xiàn)階段的智能家居系統(tǒng)已從原先以智能化為重心的產(chǎn)品，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€具備以下條件的集成系統(tǒng)：首先，要在家居中建立一個通訊網(wǎng)絡(luò)，為家庭信息提供必要的通路，在家庭網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的控制下，通過相應的硬件和執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)對所有家電和設(shè)備的控制與監(jiān)測；其次，所有家電和設(shè)備都要通過一定的媒介平臺，構(gòu)成與外界的通訊通道，以實現(xiàn)與外部世界的信息交流，滿足遠程控制、監(jiān)測和交換信息的需求；最后，要滿足人們對家居安全、舒適、方便、高效和環(huán)境保護的需求。

　　智能家居系統(tǒng)的控制命令與信息的傳輸可以通過2種途徑實現(xiàn)：無線傳輸方式和有線傳輸方式。 隨著經(jīng)濟實力的日益增長，高速、可靠的公共電話網(wǎng)絡(luò)（ PSTN）已經(jīng)覆蓋了絕大多數(shù)的地區(qū)和家庭，有線電話線上的雙音多頻（DTMF）信號除了用于建立通話連接外，也可廣泛應用于數(shù)據(jù)通信，且具有較強的抗干擾能力，所以利用公話網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)家居設(shè)施的控制在技術(shù)上是完全可行的。 與采用無線通信方式相比，采用公話網(wǎng)不需進行專門的布線，也不占用無線電頻率資源，基本上沒有電磁污染，也無需大量的額外投資；而與采用有線IP網(wǎng)絡(luò)（ Internet）的通信方式相比，采用公話網(wǎng)的通信方式則具有更高的安全性和實時性。 因此，基于公用電話網(wǎng)絡(luò)的智能家居方案在技術(shù)的可行性和成本的經(jīng)濟性等方面具有一定的優(yōu)勢，研究開發(fā)一種基于公話網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)具有較大的現(xiàn)實意義。

　　1 系統(tǒng)的總體研究

　　1. 1 系統(tǒng)的功能需求

　　家居系統(tǒng)的功能需求主要包括舒適宜人的家庭生活空間、家居的安全防護（以下簡稱安防） 、家用電器的遠程監(jiān)控等內(nèi)容，因此，基于公話網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)可以設(shè)置以下功能：

　　1） 窗簾的智能化控制，包括遙控器控制， 定時開合控制， 光控、雨控等人性化的自動控制等。

　　2） 家居的安全監(jiān)控與報警，主要包括燃氣（煤氣、天然氣、液化器）泄漏監(jiān)控， 窗幕探測器監(jiān)控， 門磁偶合監(jiān)控。

　　3） 家用電器的遠程控制。 在遠端撥入住宅電話號碼，延時若干秒后系統(tǒng)自動接通，用戶首先輸入密碼，然后再輸入操作指令，即可對家用電器設(shè)備進行遠程控制。 操作過程中將給出必要的語音提示。

　　1. 2 系統(tǒng)的總體方案

　　根據(jù)系統(tǒng)的功能設(shè)置，結(jié)合計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)和通信技術(shù)的特點與要求，可將整個系統(tǒng)劃分為環(huán)境與安防檢測、控制，以及設(shè)備驅(qū)動等三大部分。 環(huán)境與安防檢測部分由光照、雨水、燃氣檢測器及窗幕、門磁探測器等傳感檢測器組成。 控制部分主要由主控模塊（也稱主控板）和安防報警與家電控制模塊（也稱報警與控制板）構(gòu)成，其中主控板負責智能窗簾的控制和安防報警信號的采集。 報警與控制板完成自動電話撥號、報警、提示語音的錄放，以及電話號碼和家電控制操作碼（密碼與指令碼）的存儲、查詢與修改。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　本系統(tǒng)力求使用性價比高的電路芯片實現(xiàn)各項功能，經(jīng)過技術(shù)分析，主控板和報警與控制板均以MCU （微控制器） 為核心，采用Atmel 公司的AT89S52單片機。 這種單片機是一種低功耗、高性能的8位微控制器，內(nèi)嵌8K可編程Flash 存儲器，屬于MCS單片機產(chǎn)品系列，已為眾多嵌入式系統(tǒng)所選用。 窗簾遙控器的MCU則采用該系列中貼片式MCS89C2051 單片機，以滿足體積與功耗的要求。

　　2. 1 主控模塊

　　主控模塊主要包括MCU及外圍電路、窗簾電機控制電路、窗幕探測（紅外感應）處理和燃氣檢測處理等單元電路，以及MCU與光照、雨水、門磁等傳感器、報警與控制板的接口，如圖2所示。

　　圖2 主控模塊的電路結(jié)構(gòu)

　　1） MCU及外圍電路。 主要包括MCU （89S52）、時鐘電路、ISP在線編程電路（COM）及遙控器信號接收單元（ IR） ，電路如圖3所示。 連接器J4用于接收由環(huán)境監(jiān)測和安防傳感器及處理電路發(fā)送的狀態(tài)信息， J5主要用于向報警與控制板發(fā)送各類報警請求。

　　圖3 MCU及外圍電路

　　2） 電機控制電路。 為了實現(xiàn)窗簾的電動控制，選用可正反雙向轉(zhuǎn)動的低速交流同步電機，由市電220V 供電。 電機轉(zhuǎn)動最大行程的機械控制裝置與電機一起封裝在窗簾電機盒內(nèi)，安裝時可根據(jù)窗簾的尺寸來設(shè)置。 窗簾電機的控制電路如圖4所示。

　　圖4 窗簾電機控制電路

　　ACL和ACN分別為AC220V交流電的火線、零線，由MCU的P13 和P14端口對繼電器J5和J6進行控制，“1”電平為動作，“0”電平為釋放。 J5動作、J6釋放則電機正轉(zhuǎn)； J6動作、J5釋放則電機反轉(zhuǎn)； J5和J6都不動作，則電機不轉(zhuǎn)。

2. 2 安防報警與遠程控制模塊

　　該模塊主要包含MCU及外圍電路、與公話網(wǎng)相連的接口電路、電話振鈴的檢測電路、信號音的檢測電路、電話號碼和遠程控制操作碼的收發(fā)電路、報警和提示語音的錄放電路、LCD顯示電路和鍵盤電路（16鍵）等，如圖5所示。

　　1） MCU及外圍電路。 主要包括MCU、時鐘電路和串行FLASH存儲器。 該存儲器用來預存報警時自動撥打的電話號碼（如主人手機、辦公室座機、110等）和家電遠程控制的操作碼，選用容量為256字節(jié)的AT24C02， 采用I2 C總線結(jié)構(gòu)與MCU的端口進行連接。

　　2） 電話接口及振鈴檢測電路。 主要包括電話的摘機電路，音頻偶合變壓器（用于信號音、報警及提示語音、DTMF信號與電話外線的偶合） ，以及振鈴檢測電路，如圖6所示。

　　圖6中SIGN為音頻偶合變壓器與信號音檢測電路的接口， TONE 為雙音多頻（DTMF）號碼收發(fā)電路的接口， SP +與SP–為語音播放電路的接口。

　　摘機電路：由MCU 控制繼電器JP1 來實現(xiàn)。

　　當MCU的P36端口送出高電平時，三極管Q1導通，繼電器JP1動作， JP1的接點7和8與電話外線相連，并通過R2等元件構(gòu)成摘機回路；當P36端口送出低電平時，則摘機回路斷開，回到掛機狀態(tài)。

　　鈴流檢測電路：用于家電的遠程控制。 電話振鈴信號是40 ±15 V /25 Hz的正弦波。 當該信號到來時， 電話線路上的正弦波信號疊加在直流電壓上變成90 ±15 V 電壓， 經(jīng)過整流后擊穿穩(wěn)壓管D6再驅(qū)動光電耦合器Q2，從Q2的C極輸出方波信號送至MCU的INT0中斷口，累計振鈴次數(shù)，達到預定次數(shù)MCU則控制自動摘機，進行家電的遠程控制處理。

　　3） 信號音檢測電路。 主要由信號音專用檢測芯片CR6230來完成，其信號輸入管腳SIGN與音頻變壓器的管腳4相連，可準確識別電話線路的撥號音、回鈴音、忙音、催掛音等各種信號音，其狀態(tài)通過4個管腳輸出，再連至MCU的端口。 MCU只需讀取端口即可。

　　4） 號碼和操作碼的收發(fā)電路。 主要完成電話號碼的發(fā)送（撥號）及遠程控制操作碼的接收（收號）。 由于公共電話網(wǎng)上的號碼與信令都是以DTMF制式來傳輸?shù)模詻Q定采用M ITEL 公司的DTMF收發(fā)專用集成電路MT8880，如圖7所示。 該元件的DTMF 信號的輸入（ IN - ） /輸出（ TONE）端通過外圍放大電路與音頻變壓器的第2管腳相連，號碼的二進制數(shù)據(jù)通過管腳D3、D2、D1、D0與MCU的I/O端口相連，從而使撥號號碼的DTMF信號可上傳到電話線路，遠端送到電話線路上的DTMF信號也可被譯碼成遠程控制操作碼由MCU讀取。

　　圖7 DTMF信號的收發(fā)電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　本系統(tǒng)的軟件程序包括主控程序，安防監(jiān)控報警程序，定時、紅外遙控信號的接收程序，振鈴、撥號、收號等中斷處理程序，家電遠程控制程序，以及遙控器的信號發(fā)射程序等， 主要采用C語言設(shè)計。 由于篇幅所限， 這里只給出主控程序和報警程序的設(shè)計思路和處理流程。

　　3. 1 主控程序的設(shè)計

　　主控程序裝載于主控板的MCU 芯片的FLASH存儲器中，主要功能是完成以下功能：單片機的初始化，接收和處理遙控器發(fā)送的窗簾控制命令；在定時中斷程序的配合下進行窗簾的定時開合的控制；掃描紅外感應、燃氣檢測等傳感器的輸出信號，如有報警，當有人在家時（未設(shè)防）播放聲音提示，無人在家時則向報警與控制板發(fā)出請求，再由該板完成電話撥號報警處理。 主控程序的處理流程如圖8所示。

　　圖8 主控程序流程

　　3. 2 安防監(jiān)控報警程序的設(shè)計

　　該程序裝載于報警與控制板的MCU芯片中，振鈴、撥號、收號等中斷處理程序也駐留在該芯片內(nèi)，主要實現(xiàn)循環(huán)電話撥號、向摘機者播放報警留言語音，以及電話號碼（及遠程控制操作碼）的預存、查詢與更新等功能。 程序的處理流程如圖9所示。

　　圖9 安防報警程序流程

　　4 結(jié)束語

　　通過近1年的工作，基于公話網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)已完成了樣品的研制，經(jīng)試用檢測，基本上實現(xiàn)了設(shè)計的各項功能，具有性能穩(wěn)定、功能齊全、操作簡便、安裝快捷等特點，適用于絕大多數(shù)的家庭和場館大樓，可為廣大公眾提供一個舒適、安全、方便的生活與辦公環(huán)境， 具有廣泛的實用價值。