公話(huà)網(wǎng)智能家居系統設計方案

分析了智能家居的相關(guān)技術(shù)現狀，提出了一種基于公共交換電話(huà)網(wǎng)的智能家居系統的總體方案，闡述了該系統的工作原理及軟硬件的設計方法與過(guò)程。 該系統利用計算機和紅外遙控等技術(shù)實(shí)現了一個(gè)智能化的窗簾機構，采用雙音多頻信號進(jìn)行信息的傳輸，實(shí)現了家居的安全防護和家電的遠程控制。 經(jīng)過(guò)調試與檢測證明，該系統具有性能可靠、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，為智能家居系統的研究與開(kāi)發(fā)提供了堅實(shí)的技術(shù)平臺。 通常把智能家居定義為一個(gè)整體，即利用先進(jìn)的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，以及綜合布線(xiàn)技術(shù)，通過(guò)家庭信息管理平臺，將與家居生活相關(guān)的各個(gè)部分有機結合成一個(gè)特殊的集成系統。 伴隨著(zhù)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，現階段的智能家居系統已從原先以智能化為重心的產(chǎn)品，轉變?yōu)橐粋€(gè)具備以下條件的集成系統：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 )操作系統的控制下，通過(guò)相應的硬件和執行機構，實(shí)現對所有家電和設備的控制與監測；其次，所有家電和設備都要通過(guò)一定的媒介平臺，構成與外界的通訊通道，以實(shí)現與外部世界的信息交流，滿(mǎn)足遠程控制、監測和交換信息的需求；最后，要滿(mǎn)足人們對家居安全、舒適、方便、高效和環(huán)境保護的需求。

　　智能家居系統的控制命令與信息的傳輸可以通過(guò)2種途徑實(shí)現：無(wú)線(xiàn)傳輸方式和有線(xiàn)傳輸方式。 隨著(zhù)經(jīng)濟實(shí)力的日益增長(cháng)，高速、可靠的公共電話(huà)網(wǎng)絡(luò )（ PSTN）已經(jīng)覆蓋了絕大多數的地區和家庭，有線(xiàn)電話(huà)線(xiàn)上的雙音多頻（DTMF）信號除了用于建立通話(huà)連接外，也可廣泛應用于數據通信，且具有較強的抗干擾能力，所以利用公話(huà)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現家居設施的控制在技術(shù)上是完全可行的。 與采用無(wú)線(xiàn)通信方式相比，采用公話(huà)網(wǎng)不需進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的布線(xiàn)，也不占用無(wú)線(xiàn)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(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò )（ Internet）的通信方式相比，采用公話(huà)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(huà)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(kāi)發(fā)一種基于公話(huà)網(wǎng)的智能家居系統具有較大的現實(shí)意義。

　　1 系統的總體研究

　　1. 1 系統的功能需求

　　家居系統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(jiǎn)稱(chēng)安防） 、家用電器的遠程監控等內容，因此，基于公話(huà)網(wǎng)的智能家居系統可以設置以下功能：

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

　　3） 家用電器的遠程控制。 在遠端撥入住宅電話(huà)號碼，延時(shí)若干秒后系統自動(dòng)接通，用戶(hù)首先輸入密碼，然后再輸入操作指令，即可對家用電器設備進(jìn)行遠程控制。 操作過(guò)程中將給出必要的語(yǔ)音提示。

　　1. 2 系統的總體方案

　　根據系統的功能設置，結合計算機技術(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)系統劃分為環(huán)境與安防檢測、控制，以及設備驅動(dòng)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(mén)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(chēng)主控板）和安防報警與家電控制模塊（也稱(chēng)報警與控制板）構成，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(dòng)電話(huà)撥號、報警、提示語(yǔ)音的錄放，以及電話(huà)號碼和家電控制操作碼（密碼與指令碼）的存儲、查詢(xún)與修改。 系統結構如圖1所示。

　　圖1 系統的整體結構

2 系統硬件設計

　　本系統力求使用性?xún)r(jià)比高的電路芯片實(shí)現各項功能，經(jīng)過(guò)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(mǎn)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(mén)磁等傳感器、報警與控制板的接口，如圖2所示。

　　圖2 主控模塊的電路結構

　　1） MCU及外圍電路。 主要包括MCU （89S52）、時(shí)鐘電路、ISP在線(xiàn)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(lèi)報警請求。

　　圖3 MCU及外圍電路

　　2） 電機控制電路。 為了實(shí)現窗簾的電動(dòng)控制，選用可正反雙向轉動(dòng)的低速交流同步電機，由市電220V 供電。 電機轉動(dòng)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，安裝時(shí)可根據窗簾的尺寸來(lái)設置。 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(xiàn)、零線(xiàn)，由MCU的P13 和P14端口對繼電器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釋放則電機正轉； J6動(dòng)作、J5釋放則電機反轉； J5和J6都不動(dòng)作，則電機不轉。

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(huà)網(wǎng)相連的接口電路、電話(huà)振鈴的檢測電路、信號音的檢測電路、電話(huà)號碼和遠程控制操作碼的收發(fā)電路、報警和提示語(yǔ)音的錄放電路、LCD顯示電路和鍵盤(pán)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存儲器。 該存儲器用來(lái)預存報警時(shí)自動(dòng)撥打的電話(huà)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字節的AT24C02， 采用I2 C總線(xiàn)結構與MCU的端口進(jìn)行連接。

　　2） 電話(huà)接口及振鈴檢測電路。 主要包括電話(huà)的摘機電路，音頻偶合變壓器（用于信號音、報警及提示語(yǔ)音、DTMF信號與電話(huà)外線(xiàn)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(yǔ)音播放電路的接口。

　　摘機電路：由MCU 控制繼電器JP1 來(lái)實(shí)現。

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

　　鈴流檢測電路：用于家電的遠程控制。 電話(huà)振鈴信號是40 ±15 V /25 Hz的正弦波。 當該信號到來(lái)時(shí)， 電話(huà)線(xiàn)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(guò)整流后擊穿穩壓管D6再驅動(dòng)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，達到預定次數MCU則控制自動(dòng)摘機，進(jìn)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(zhuān)用檢測芯片CR6230來(lái)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(huà)線(xiàn)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(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） 號碼和操作碼的收發(fā)電路。 主要完成電話(huà)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(huà)網(wǎng)上的號碼與信令都是以DTMF制式來(lái)傳輸的，所以決定采用M ITEL 公司的DTMF收發(fā)專(zhuān)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(guò)外圍放大電路與音頻變壓器的第2管腳相連，號碼的二進(jìn)制數據通過(guò)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(huà)線(xiàn)路，遠端送到電話(huà)線(xiàn)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 系統軟件設計

　　本系統的軟件程序包括主控程序，安防監控報警程序，定時(shí)、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(yǔ)言設計。 由于篇幅所限， 這里只給出主控程序和報警程序的設計思路和處理流程。

　　3. 1 主控程序的設計

　　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：?jiǎn)纹瑱C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、燃氣檢測等傳感器的輸出信號，如有報警，當有人在家時(shí)（未設防）播放聲音提示，無(wú)人在家時(shí)則向報警與控制板發(fā)出請求，再由該板完成電話(huà)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 安防監控報警程序的設計

　　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，主要實(shí)現循環(huán)電話(huà)撥號、向摘機者播放報警留言語(yǔ)音，以及電話(huà)號碼（及遠程控制操作碼）的預存、查詢(xún)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 結束語(yǔ)

　　通過(guò)近1年的工作，基于公話(huà)網(wǎng)的智能家居系統已完成了樣品的研制，經(jīng)試用檢測，基本上實(shí)現了設計的各項功能，具有性能穩定、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。