公話網(wǎng)智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)方法與過(guò)程。 該系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)和紅外遙控等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)智能化的窗簾機(jī)構(gòu)，采用雙音多頻信號(hào)進(jìn)行信息的傳輸，實(shí)現(xiàn)了家居的安全防護(hù)和家電的遠(yuǎn)程控制。 經(jīng)過(guò)調(diào)試與檢測(cè)證明，該系統(tǒng)具有性能可靠、功能豐富、易于使用等特點(diǎn)，具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。

　　近年來(lái)，計(jì)算機(jī)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(kāi)發(fā)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)平臺(tái)。 通常把智能家居定義為一個(gè)整體，即利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以及綜合布線技術(shù)，通過(guò)家庭信息管理平臺(tái)，將與家居生活相關(guān)的各個(gè)部分有機(jī)結(jié)合成一個(gè)特殊的集成系統(tǒng)。 伴隨著智能家居功能的不斷細(xì)化，其概念逐步得到延伸，更多地考慮到了居民對(duì)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€(gè)具備以下條件的集成系統(tǒng)：首先，要在家居中建立一個(gè)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(guò)相應(yīng)的硬件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有家電和設(shè)備的控制與監(jiān)測(cè)；其次，所有家電和設(shè)備都要通過(guò)一定的媒介平臺(tái)，構(gòu)成與外界的通訊通道，以實(shí)現(xiàn)與外部世界的信息交流，滿足遠(yuǎn)程控制、監(jiān)測(cè)和交換信息的需求；最后，要滿足人們對(duì)家居安全、舒適、方便、高效和環(huán)境保護(hù)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(guò)2種途徑實(shí)現(xiàn)：無(wú)線傳輸方式和有線傳輸方式。 隨著經(jīng)濟(jì)實(shí)力的日益增長(zhǎng)，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(hào)除了用于建立通話連接外，也可廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，所以利用公話網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(wú)線通信方式相比，采用公話網(wǎng)不需進(jìn)行專門的布線，也不占用無(wú)線電頻率資源，基本上沒(méi)有電磁污染，也無(wú)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(shí)時(shí)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(jì)性等方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，研究開(kāi)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(shí)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(hù)（以下簡(jiǎn)稱安防） 、家用電器的遠(yuǎn)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(shí)開(kāi)合控制， 光控、雨控等人性化的自動(dòng)控制等。

　　2） 家居的安全監(jiān)控與報(bào)警，主要包括燃?xì)猓簹?、天然氣、液化器）泄漏監(jiān)控， 窗幕探測(cè)器監(jiān)控， 門磁偶合監(jiān)控。

　　3） 家用電器的遠(yuǎn)程控制。 在遠(yuǎn)端撥入住宅電話號(hào)碼，延時(shí)若干秒后系統(tǒng)自動(dòng)接通，用戶首先輸入密碼，然后再輸入操作指令，即可對(duì)家用電器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。 操作過(guò)程中將給出必要的語(yǔ)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(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)的特點(diǎn)與要求，可將整個(gè)系統(tǒng)劃分為環(huán)境與安防檢測(cè)、控制，以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)等三大部分。 環(huán)境與安防檢測(cè)部分由光照、雨水、燃?xì)鈾z測(cè)器及窗幕、門磁探測(cè)器等傳感檢測(cè)器組成。 控制部分主要由主控模塊（也稱主控板）和安防報(bào)警與家電控制模塊（也稱報(bào)警與控制板）構(gòu)成，其中主控板負(fù)責(zé)智能窗簾的控制和安防報(bào)警信號(hào)的采集。 報(bào)警與控制板完成自動(dòng)電話撥號(hào)、報(bào)警、提示語(yǔ)音的錄放，以及電話號(hào)碼和家電控制操作碼（密碼與指令碼）的存儲(chǔ)、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(jì)

　　本系統(tǒng)力求使用性價(jià)比高的電路芯片實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能，經(jīng)過(guò)技術(shù)分析，主控板和報(bào)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(jī)。 這種單片機(jī)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(chǔ)器，屬于MCS單片機(jī)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(jī)，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(jī)控制電路、窗幕探測(cè)（紅外感應(yīng)）處理和燃?xì)鈾z測(cè)處理等單元電路，以及MCU與光照、雨水、門磁等傳感器、報(bào)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(shí)鐘電路、ISP在線編程電路（COM）及遙控器信號(hào)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(cè)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(bào)警與控制板發(fā)送各類報(bào)警請(qǐng)求。

　　圖3 MCU及外圍電路

　　2） 電機(jī)控制電路。 為了實(shí)現(xiàn)窗簾的電動(dòng)控制，選用可正反雙向轉(zhuǎn)動(dòng)的低速交流同步電機(jī)，由市電220V 供電。 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)最大行程的機(jī)械控制裝置與電機(jī)一起封裝在窗簾電機(jī)盒內(nèi)，安裝時(shí)可根據(jù)窗簾的尺寸來(lái)設(shè)置。 窗簾電機(jī)的控制電路如圖4所示。

　　圖4 窗簾電機(jī)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(duì)繼電器J5和J6進(jìn)行控制，“1”電平為動(dòng)作，“0”電平為釋放。 J5動(dòng)作、J6釋放則電機(jī)正轉(zhuǎn)； J6動(dòng)作、J5釋放則電機(jī)反轉(zhuǎn)； J5和J6都不動(dòng)作，則電機(jī)不轉(zhuǎn)。

2. 2 安防報(bào)警與遠(yuǎn)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(cè)電路、信號(hào)音的檢測(cè)電路、電話號(hào)碼和遠(yuǎn)程控制操作碼的收發(fā)電路、報(bào)警和提示語(yǔ)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(shí)鐘電路和串行FLASH存儲(chǔ)器。 該存儲(chǔ)器用來(lái)預(yù)存報(bào)警時(shí)自動(dòng)撥打的電話號(hào)碼（如主人手機(jī)、辦公室座機(jī)、110等）和家電遠(yuǎn)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(jìn)行連接。

　　2） 電話接口及振鈴檢測(cè)電路。 主要包括電話的摘機(jī)電路，音頻偶合變壓器（用于信號(hào)音、報(bào)警及提示語(yǔ)音、DTMF信號(hào)與電話外線的偶合） ，以及振鈴檢測(cè)電路，如圖6所示。

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

　　摘機(jī)電路：由MCU 控制繼電器JP1 來(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　當(dāng)MCU的P36端口送出高電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，繼電器JP1動(dòng)作， JP1的接點(diǎn)7和8與電話外線相連，并通過(guò)R2等元件構(gòu)成摘機(jī)回路；當(dāng)P36端口送出低電平時(shí)，則摘機(jī)回路斷開(kāi)，回到掛機(jī)狀態(tài)。

　　鈴流檢測(cè)電路：用于家電的遠(yuǎn)程控制。 電話振鈴信號(hào)是40 ±15 V /25 Hz的正弦波。 當(dāng)該信號(hào)到來(lái)時(shí)， 電話線路上的正弦波信號(hào)疊加在直流電壓上變成90 ±15 V 電壓， 經(jīng)過(guò)整流后擊穿穩(wěn)壓管D6再驅(qū)動(dòng)光電耦合器Q2，從Q2的C極輸出方波信號(hào)送至MCU的INT0中斷口，累計(jì)振鈴次數(shù)，達(dá)到預(yù)定次數(shù)MCU則控制自動(dòng)摘機(jī)，進(jìn)行家電的遠(yuǎn)程控制處理。

　　3） 信號(hào)音檢測(cè)電路。 主要由信號(hào)音專用檢測(cè)芯片CR6230來(lái)完成，其信號(hào)輸入管腳SIGN與音頻變壓器的管腳4相連，可準(zhǔn)確識(shí)別電話線路的撥號(hào)音、回鈴音、忙音、催掛音等各種信號(hào)音，其狀態(tài)通過(guò)4個(gè)管腳輸出，再連至MCU的端口。 MCU只需讀取端口即可。

　　4） 號(hào)碼和操作碼的收發(fā)電路。 主要完成電話號(hào)碼的發(fā)送（撥號(hào)）及遠(yuǎn)程控制操作碼的接收（收號(hào)）。 由于公共電話網(wǎng)上的號(hào)碼與信令都是以DTMF制式來(lái)傳輸?shù)?，所以決定采用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(hào)的輸入（ IN - ） /輸出（ TONE）端通過(guò)外圍放大電路與音頻變壓器的第2管腳相連，號(hào)碼的二進(jìn)制數(shù)據(jù)通過(guò)管腳D3、D2、D1、D0與MCU的I/O端口相連，從而使撥號(hào)號(hào)碼的DTMF信號(hào)可上傳到電話線路，遠(yuǎn)端送到電話線路上的DTMF信號(hào)也可被譯碼成遠(yuǎn)程控制操作碼由MCU讀取。

　　圖7 DTMF信號(hào)的收發(fā)電路。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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

　　3. 1 主控程序的設(shè)計(jì)

　　主控程序裝載于主控板的MCU 芯片的FLASH存儲(chǔ)器中，主要功能是完成以下功能：?jiǎn)纹瑱C(jī)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(shí)中斷程序的配合下進(jìn)行窗簾的定時(shí)開(kāi)合的控制；掃描紅外感應(yīng)、燃?xì)鈾z測(cè)等傳感器的輸出信號(hào)，如有報(bào)警，當(dāng)有人在家時(shí)（未設(shè)防）播放聲音提示，無(wú)人在家時(shí)則向報(bào)警與控制板發(fā)出請(qǐng)求，再由該板完成電話撥號(hào)報(bào)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(bào)警程序的設(shè)計(jì)

　　該程序裝載于報(bào)警與控制板的MCU芯片中，振鈴、撥號(hào)、收號(hào)等中斷處理程序也駐留在該芯片內(nèi)，主要實(shí)現(xiàn)循環(huán)電話撥號(hào)、向摘機(jī)者播放報(bào)警留言語(yǔ)音，以及電話號(hào)碼（及遠(yuǎn)程控制操作碼）的預(yù)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(bào)警程序流程

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　通過(guò)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(cè)，基本上實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能，具有性能穩(wěn)定、功能齊全、操作簡(jiǎn)便、安裝快捷等特點(diǎn)，適用于絕大多數(shù)的家庭和場(chǎng)館大樓，可為廣大公眾提供一個(gè)舒適、安全、方便的生活與辦公環(huán)境， 具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。