智能家居精華設(shè)計(jì)方案參考集錦（一） - 全文

本文通過(guò)遙控技術(shù)和單片機(jī)的相互結(jié)合設(shè)計(jì)在智能家居應(yīng)用的燈光控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于單片機(jī)的控制系統(tǒng)，用遙控的方式對(duì)系統(tǒng)燈光進(jìn)行控制。本方案主要解決信號(hào)的發(fā)射和接收，在信號(hào)的處理接收之后對(duì)不同信號(hào)的程序處理，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)對(duì)燈泡的開(kāi)關(guān)和亮度調(diào)節(jié)。

　　引言

　　智能家居是指利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù) ,將與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合在一起 ,通過(guò)統(tǒng)籌管理 ,讓家居生活更加舒適、安全、有效。

　　隨著人們生活水平的提高和電子技術(shù)的發(fā)展，家居智能化已經(jīng)開(kāi)始走進(jìn)了我們?nèi)粘５纳?。人們已?jīng)不滿足于按鍵式的手動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)控制燈具，從而開(kāi)發(fā)出了智能化水平更高的專業(yè)照明控制的遙控系統(tǒng)，其成本低，質(zhì)量高，應(yīng)用靈活方便。而由于具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、成本低的特點(diǎn)，紅外線遙控已經(jīng)是目前應(yīng)用最廣泛的一種通信和遙控手段。

　　1 紅外線遙控基本原理

　　紅外線遙控就是利用紅外線(又稱紅外光)來(lái)傳遞控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的遠(yuǎn)距離控制。具體來(lái)講，就是由發(fā)射器發(fā)出紅外線指令信號(hào)，由接收器接收下來(lái)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理并識(shí)別，再通過(guò)相應(yīng)的控制芯片，最后根據(jù)接收到的不同信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的各種功能的遠(yuǎn)距離控制。

　　紅外線發(fā)射器由指令按鍵、信號(hào)產(chǎn)生電路、頻率調(diào)制電路、驅(qū)動(dòng)電路及紅外線發(fā)射器件組成，如圖1 所示。當(dāng)指令鍵按下時(shí)，指令信號(hào)產(chǎn)生電路便產(chǎn)生所需要的控制指令信號(hào)。

　　這里的控制指令信號(hào)是以某些不同的特征來(lái)區(qū)分的。常用的區(qū)分指令信號(hào)的特征是頻率特征和碼組特征，即用不同的頻率或不同的編碼的電信代號(hào)代表不同的指令。這些不同的指令信號(hào)經(jīng)過(guò)頻率調(diào)制，最后由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)紅外線發(fā)射器件，發(fā)出紅外線遙控指令信號(hào)。

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　　圖1 紅外線發(fā)射的組成

　　紅外接收器由紅外線接收器件、前置放大電路、信號(hào)解調(diào)電路、指令檢測(cè)電路組成，如圖2。當(dāng)紅外線接收器件接收到發(fā)射器的紅外線指令信號(hào)時(shí)，它將紅外光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)并送入前置放大器進(jìn)行放大，再經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后由指令信號(hào)檢出電路將指令信號(hào)檢出，實(shí)現(xiàn)各種操作。

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　　圖2紅外線接收器的組成

　　要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙控功能，就必須先選擇信號(hào)指令傳送的方式。根據(jù)遙控的方式和使用者場(chǎng)合不同，可以把這些控制信號(hào)特征進(jìn)行各種組合編碼。如電壓極性的組合方式，電信號(hào)相位的組合方式，電信號(hào)幅值的組合方式，頻率的組合方式，脈沖的寬度、相位、幅度等參數(shù)的組合方式及脈沖編碼組合方式等。脈沖編碼組合方式具有指令容量大，抗干擾能力強(qiáng)，保密性好及便于用邏輯電路來(lái)實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。

　　2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案

　　紅外遙控電路由發(fā)射電路和接收電路組成，發(fā)射部分由按鍵開(kāi)關(guān)電路、控制芯片和紅外發(fā)射電路三部分組成。當(dāng)按下遙控按鈕時(shí)，單片機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)，經(jīng)紅外發(fā)射二極管發(fā)射出去。接收部分由紅外接收頭、控制芯片、調(diào)光電路組成，當(dāng)紅外接收器接收到控制脈沖后，經(jīng)單片機(jī)處理，判斷是否對(duì)電燈進(jìn)行調(diào)光或開(kāi)關(guān)，根據(jù)需要執(zhí)行相應(yīng)的操作，接收系統(tǒng)采用的是5 伏單電源電壓供電。如下圖所示：

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　　圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

　　2.1 遙控系統(tǒng)主控芯片

　　在本系統(tǒng)中選擇的是51 系列的AT89C51芯片，AT89C51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓，高性能CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8 位CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL 的AT89C51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。AT89C51 是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40 個(gè)引腳，32 個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，同時(shí)內(nèi)含2 個(gè)外中斷口，2 個(gè)16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2 個(gè)全雙工串行通信口，AT89C51 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。

　　其將通用的微處理器和Flash 存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash 存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。

　　2.2 紅外發(fā)射電路模塊

　　在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，單片機(jī)發(fā)出的信號(hào)如何被紅外發(fā)射管識(shí)別，發(fā)射管能否正常發(fā)射紅外信號(hào)是發(fā)射電路要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

　　要發(fā)射紅外信號(hào)，必須要有紅外發(fā)射器件。紅外發(fā)光二極管是一種能產(chǎn)生紅外光的發(fā)光二極管，目前大量使用的紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線波長(zhǎng)為940nm 左右，外形與普通發(fā)光二極管相同，只是顏色不同。常見(jiàn)的紅外發(fā)射二極管有黑色，透明色，它與普通發(fā)光二極管的最大區(qū)別在于所發(fā)出的光為不可見(jiàn)光，而普通發(fā)光二極管發(fā)出的是各種顏色的可見(jiàn)光[5]，通常，紅外發(fā)光二極管分為兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是遙控發(fā)射型紅外發(fā)光二極管(即最常用的手持遙控器所用的紅外發(fā)射二極管);一種是近距離發(fā)射型紅外發(fā)光二極管，這種二極管把紅外光的發(fā)射與接收共集為一體。由于本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的是家居遙控，因此采用第一種即可。

　　如圖4 所示為系統(tǒng)遙控發(fā)射原理圖，P1.0 口為按鍵輸入口;P2.0 口為紅外發(fā)射端口，用于輸出38kHz 載波編碼，脈沖經(jīng)9013(NPN)放大然后由紅外發(fā)射管輸出;第9 腳為單片機(jī)的復(fù)位腳，采用RC 手動(dòng)復(fù)位電路;18、19 腳接晶振。

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　　圖4紅外發(fā)射電路圖

　　2.3 紅外接收電路模塊

　　1). 紅外接收器件介紹。

　　一般的紅外接收頭主要由集成電路外加阻容元件，紅外線接收管及濾波光片等組成，電路設(shè)計(jì)相對(duì)繁瑣，在實(shí)際應(yīng)用中不方便。而紅外遙控接收頭SM0038 集紅外接收管，前置放大解調(diào)等于一體，無(wú)外部電路，體積小，密封性好，靈敏度高，應(yīng)用簡(jiǎn)單，用小功率紅外發(fā)射管發(fā)射信號(hào)接收距離達(dá)35 米，并且價(jià)格低廉。它僅有三條管腳，分別是電源正極、電源負(fù)極以及信號(hào)輸出端，其工作電壓在5V 左右，接收頻率為38kHz,它的主要功能包括放大，選頻，解調(diào)幾大部分，要求輸入信號(hào)需是已經(jīng)被調(diào)制的信號(hào)。從而使電路達(dá)到最簡(jiǎn)化，靈敏度和抗干擾性都非常好，是一個(gè)接收紅外信號(hào)的理想裝置。如圖5 所示：

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　　圖 5 SM0038

　　2). 接收電路及調(diào)光電路設(shè)計(jì)。

　　接收電路和調(diào)光電路的實(shí)現(xiàn)均是通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)的，給每一個(gè)繼電器串聯(lián)一個(gè)電阻，構(gòu)成一個(gè)回路，本電路將四個(gè)繼電器回路并聯(lián)，連接在P0 口上，當(dāng)四個(gè)繼電器均閉合時(shí)，燈最亮，當(dāng)三個(gè)繼電器工作時(shí)，燈較亮，當(dāng)兩個(gè)繼電器工作時(shí)燈次亮，當(dāng)一個(gè)繼電器工作時(shí)，燈最暗，當(dāng)四個(gè)繼電器都不工作時(shí)，燈泡處于關(guān)閉狀態(tài)。接收電路圖如圖6 所示：

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　　圖 6 接收電路圖

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)所用的紅外線接收器SM0038 的解調(diào)中心頻率為38KHz,故發(fā)射頻率也采用38kHz,本電路采用一路按鍵，一種編碼方式實(shí)現(xiàn)對(duì)家居燈的控制，接收端根據(jù)接收到的不同編碼個(gè)數(shù)實(shí)現(xiàn)燈的不同亮度的調(diào)節(jié)控制。每一次P1.0 口為低電平時(shí)，則確定鍵被按下，由P2.0 口發(fā)射一個(gè)編碼。接收端接收編碼時(shí)進(jìn)行判斷，首個(gè)低電平是否大于2ms，如果是，再判斷是否是正確的編碼，如果是，num加1，亮度調(diào)暗一檔。

　　3.1、遙控發(fā)射程序控制流程圖

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　　圖 7 發(fā)射程序流程圖

　　初始化程序后，開(kāi)定時(shí)器產(chǎn)生38kHz 脈沖，再判斷有無(wú)按鍵按下，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，根據(jù)定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間發(fā)一幀脈沖，首先發(fā)3ms 高電平，再發(fā)1ms 低電平，1ms 高電平，接著停發(fā)10ms。

　　3.2. 遙控接收程序控制流程圖

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　　圖8 接收部分調(diào)光程序流程圖

　　接收端采用查詢方式接收，當(dāng)查詢到P1.0 口為低電平時(shí)，累加器工作，通過(guò)累加器中變量個(gè)數(shù)判斷控制燈的亮度及開(kāi)關(guān)。當(dāng)num為0 時(shí)，燈最亮，加1則調(diào)暗一個(gè)檔次，當(dāng)num等于4 時(shí)，繼電器全部斷開(kāi)，燈滅。

　　4 結(jié)論

　　為了減少電路的繁瑣，我使用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)軟件編碼解碼，大大提高了電路的靈活性，降低了成本，僅僅使用一個(gè)鍵就能實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)燈具的開(kāi)關(guān)和亮度調(diào)節(jié)，若是把一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)改設(shè)成一個(gè)矩陣鍵盤(pán)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)家里的燈具的開(kāi)關(guān)和亮度控制，實(shí)用性很強(qiáng)。

二、基于ZigBee的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境?；谥悄芗揖拥?a href="http://ttokpm.com/article/zt/" target="_blank">最新定義，參考ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出的本系統(tǒng)，在包含了智能家居必備系統(tǒng)(智能家居(中央)控制管理系統(tǒng)、家居照明控制系統(tǒng)、家庭安防系統(tǒng))的基礎(chǔ)上，加入了家居布線系統(tǒng)、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、背景音樂(lè)系統(tǒng)和家庭環(huán)境控制系統(tǒng)。在智能家居的認(rèn)定上，只有完整地安裝了所有的必備系統(tǒng)，并且至少選裝了一種及以上的可選系統(tǒng)的家居系統(tǒng)才能稱為智能家居。因此，本系統(tǒng)可以稱為是智能家居。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
??? 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)由家庭內(nèi)被控制設(shè)備和遠(yuǎn)程控制設(shè)備組成。其中家庭內(nèi)被控制設(shè)備主要有能訪問(wèn)Internet的計(jì)算機(jī)、控制中心、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和選擇添加的家用電器控制器。遠(yuǎn)程控制設(shè)備主要由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)和手機(jī)組成。系統(tǒng)組成如圖1所示。

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??? 系統(tǒng)的主要功能有：1)網(wǎng)頁(yè)前臺(tái)頁(yè)面的瀏覽，后臺(tái)信息管理；2)通過(guò)Internet和手機(jī)兩種遠(yuǎn)程控制方式實(shí)現(xiàn)室內(nèi)家用電器、安防和燈光的開(kāi)關(guān)控制；3)通過(guò)RFID模塊實(shí)現(xiàn)用戶識(shí)別，從而完成室內(nèi)安防狀態(tài)的開(kāi)關(guān)，在盜賊入侵時(shí)通過(guò)短信息(SMS)向用戶報(bào)警；4)通過(guò)中央控制管理系統(tǒng)軟件完成室內(nèi)燈光及家電的本地控制和狀態(tài)顯示；5)利用數(shù)據(jù)庫(kù)完成個(gè)人信息存儲(chǔ)和室內(nèi)設(shè)備狀態(tài)存儲(chǔ)，通過(guò)中央控制管理系統(tǒng)方便用戶查詢室內(nèi)設(shè)備狀態(tài)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
??? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括控制中心、監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和選擇添加的家用電器控制器(這里以電風(fēng)扇控制器為例)的設(shè)計(jì)。
2．1 控制中心
??? 控制中心主要功能有：1)組建無(wú)線ZigBee網(wǎng)絡(luò)，把所有監(jiān)控節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)中，并實(shí)現(xiàn)新設(shè)備的接收；2)用戶身份識(shí)別，用戶在離家或歸來(lái)時(shí)通過(guò)用戶卡實(shí)現(xiàn)室內(nèi)安防的開(kāi)關(guān)；3)當(dāng)有盜賊入侵室內(nèi)時(shí)，通過(guò)向用戶發(fā)送短信息報(bào)警。用戶也可通過(guò)短信息控制室內(nèi)安防、燈光及家電；4)系統(tǒng)單機(jī)運(yùn)行時(shí)，液晶顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)，方便用戶查看；5)存儲(chǔ)電器設(shè)備狀態(tài)并發(fā)送至PC機(jī)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)機(jī)。根據(jù)控制中心的功能設(shè)計(jì)出它的組成框圖如圖2所示。

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?選用TI公司的CC2430單片機(jī)作為ZigBee模塊的控制器，它是一款高性能、低功耗的805l內(nèi)核的單片機(jī)。也是一款符合IEEE802．15．4規(guī)范的2．4 GHz的射頻器件，硬件支持載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)／沖突檢測(cè)(CSMA／CA)，2．0～3．6 V的工作電壓有利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)低功耗。通過(guò)連接在控制中心的ZigBee協(xié)調(diào)器模塊，在室內(nèi)建立無(wú)線星形ZigBee網(wǎng)絡(luò)．并將所有監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、選擇添加的家用電器控制器作為該網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)
點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)中，從而實(shí)現(xiàn)室內(nèi)安防及家電的無(wú)線ZigBee網(wǎng)絡(luò)控制。
??? 控制中心MCU采用8位單片機(jī)ATMegal28，該器件是一款高性能、低功耗的RISC結(jié)構(gòu)的單片機(jī)，大多數(shù)指令可在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，最高工作于16 MHz，具有128 K的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，4 K字節(jié)的EEPROM和2個(gè)串行接口。它與GSM模塊、RFID模塊、液晶模塊、ZigBee協(xié)調(diào)器和PC機(jī)相連，是整套硬件系統(tǒng)的核心，完成對(duì)中央控制管理系統(tǒng)的響應(yīng)和對(duì)各模塊的驅(qū)動(dòng)。GSM模塊采用TC35i模塊。它通過(guò)串行UART接口直接與控制中心MCU相連。RFID模塊采用ZLG500模塊，其內(nèi)部集成了MFRC500型ISO14443A讀卡器，能夠讀寫(xiě)RC500內(nèi)的．EEPROM。由于ZLG500并不是采用標(biāo)準(zhǔn)SPI接口規(guī)范，故只能與單片機(jī)的通用I／O接口相連才能實(shí)現(xiàn)通信。液晶模塊選用1602液晶，采用4線接口與控制中心MCU的通用I／O接口相連。ZigBee協(xié)調(diào)器與控制中心MCU采用2線接口即可實(shí)現(xiàn)兩者間的數(shù)據(jù)雙向傳輸。控制中心MCU與計(jì)算機(jī)RS232串口相連，傳輸數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠，實(shí)時(shí)性好。
2．2 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)
??? 監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的功能有：1)人體信號(hào)的檢測(cè)，當(dāng)盜賊入侵時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警；2)燈光的控制，其控制方式分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制，自動(dòng)控制是根據(jù)室內(nèi)光線的強(qiáng)弱自動(dòng)打開(kāi)／關(guān)閉燈光，手動(dòng)控制是通過(guò)中央控制管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)燈光控制：3)將報(bào)警信息及其他信息發(fā)送至控制中心，并接收來(lái)自控制中心的控制指令以完成設(shè)備控制。從監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的功能出發(fā)，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)組成如圖3所示。

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??? 紅外加微波的探測(cè)模式是目前在人體信號(hào)檢測(cè)時(shí)最常用的方式。熱釋電紅外探頭這里選用RE200B，放大器件采用BISS0001。RE200B由3～10 V電壓供電，內(nèi)置熱釋電雙敏感紅外元件，當(dāng)元件接收紅外光時(shí)在每個(gè)元件兩極發(fā)生光電效應(yīng)而積累電荷。BISS0001是由運(yùn)算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構(gòu)成的數(shù)?；旌蠈Ｓ眉呻娐?。它與RE200B及少量元件就可構(gòu)成被動(dòng)式熱釋電紅外開(kāi)關(guān)。微波傳感器選用ANT-G100模塊，中心頻率是10 GHz，建立時(shí)間最大值是6μs。與熱釋電紅外模塊復(fù)合使用，可有效降低目標(biāo)探測(cè)錯(cuò)誤率。
??? 燈光控制模塊主要由光敏電阻和燈光控制繼電器組成。將光敏電阻與10 kΩ的可調(diào)電阻串聯(lián)，再將光敏電阻另一端接地，可調(diào)電阻另一端接高電平。通過(guò)單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器獲取兩個(gè)電阻連接點(diǎn)的電壓值，從而判定當(dāng)前燈光是否打開(kāi)?？烧{(diào)電阻可供用戶調(diào)節(jié)，以滿足用戶設(shè)置燈光剛剛打開(kāi)時(shí)的光線強(qiáng)度。室內(nèi)燈光的開(kāi)關(guān)通過(guò)繼電器控制。只需一個(gè)輸入輸出口即可實(shí)現(xiàn)。
2．3 選擇添加的家用電器控制器
??? 選擇添加的家用電器的控制主要根據(jù)設(shè)備功能實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制，這里以電風(fēng)扇為例。電風(fēng)扇控制就是控制中心將上位機(jī)下達(dá)的電風(fēng)扇控制指令通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至電風(fēng)扇控制器實(shí)現(xiàn)，不同的家電識(shí)別碼是不同的，例如，本協(xié)議規(guī)定電風(fēng)扇的識(shí)別碼是122，家用彩電的識(shí)別碼是123，這樣就實(shí)現(xiàn)控制中心對(duì)不同家電的識(shí)別。而對(duì)于相同的指令代碼，不同家電執(zhí)行的功能是不一樣的。圖4為選擇添加的家用電器組成。

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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
??? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括6部分，分別為遠(yuǎn)程控制網(wǎng)頁(yè)設(shè)計(jì)、中央控制管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制中心主控制器ATMegal28程序設(shè)計(jì)、CC2430協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)、CC2430監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)、CC2430選擇添加設(shè)備的程序設(shè)計(jì)。

?3．1 ZigBee協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計(jì)
??? 協(xié)調(diào)器首先完成應(yīng)用層初始化，將應(yīng)用層狀態(tài)和接收狀態(tài)設(shè)為空閑，然后打開(kāi)全局中斷并初始化I／O端口。接著協(xié)調(diào)器開(kāi)始建立無(wú)線星形網(wǎng)絡(luò)。協(xié)議中，協(xié)調(diào)器自動(dòng)選擇2．4 GHz的頻段，每秒發(fā)送的最大比特?cái)?shù)為62 500，默認(rèn)的個(gè)域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)號(hào)(PANID)是0x1347，最大的堆棧深度為5，最大單次發(fā)送的字節(jié)數(shù)為93，串口的波特率是57 600 bit／s，SL0W TIMER每秒產(chǎn)生中斷10次。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立成功后，協(xié)調(diào)器將其地址傳送給控制中心MCU。這里，控制中心MCU將ZigBee協(xié)調(diào)器識(shí)別為監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的一員，它被識(shí)別的地址為0。程序進(jìn)入主循環(huán)。首先判斷是否有終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的新數(shù)據(jù)，如果有，則直接把這個(gè)數(shù)據(jù)傳送至控制中心MCU；判斷控制中心MCU是否有指令下傳，如果有則將下傳的指令發(fā)送到相應(yīng)的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)；判斷安防是否打開(kāi)，是否有盜賊入侵，如果有則把報(bào)警信息傳送至控制中心MCU；判斷燈光是否處于自動(dòng)控制狀態(tài)，如果是，則打開(kāi)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，采樣值是燈光打開(kāi)或關(guān)閉的關(guān)鍵，如果發(fā)生燈光狀態(tài)改變則把新的狀態(tài)信息傳送到控制中心MC-U。ZigBee協(xié)調(diào)器程序流程如圖5所示。

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3．2 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)
??? ZigBee終端節(jié)點(diǎn)是指由ZigBee協(xié)調(diào)器控制的無(wú)線ZigBee節(jié)點(diǎn)，在系統(tǒng)中主要是監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和選擇添加的家用電器控制器。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的初始化同樣包括應(yīng)用層初始化，打開(kāi)中斷和初始化I／O口。接著嘗試加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，需要強(qiáng)調(diào)的是：只有和ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)置一致的終端節(jié)點(diǎn)才能加入到網(wǎng)絡(luò)中。如果ZigBee終端節(jié)點(diǎn)嘗試加入網(wǎng)絡(luò)失敗，則每?jī)擅胫匦聡L試一次，直至順利加入到網(wǎng)絡(luò)中。加入網(wǎng)絡(luò)成功后，Zi-gBee終端節(jié)點(diǎn)將其注冊(cè)信息發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，再由ZigBee協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)至控制中心MCU以完成ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的注冊(cè)。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)如果是監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，則實(shí)現(xiàn)燈光及安防的控制，程序與ZigBee協(xié)調(diào)器部分類似，只是監(jiān)控節(jié)點(diǎn)需將數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器，再由ZigBee協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)傳送至控制中心MCU。ZigBee終端節(jié)點(diǎn)如果是電風(fēng)扇控制器，則只需接收上位機(jī)的數(shù)據(jù)，而不必上傳狀態(tài)，故它的控制可以在無(wú)線數(shù)據(jù)接收中斷中直接完成。在無(wú)線數(shù)據(jù)接收中斷中，所有終端節(jié)點(diǎn)都是將接收的控制指令翻譯成對(duì)節(jié)點(diǎn)本身的控制參數(shù)，在節(jié)點(diǎn)主程序中不對(duì)接收的無(wú)線指令進(jìn)行任何處理。

4 聯(lián)機(jī)調(diào)試
??? 由中央控制管理系統(tǒng)下發(fā)的對(duì)固定設(shè)備的指令編碼遞增的指令，通過(guò)計(jì)算機(jī)串口發(fā)送至控制中心MCU，并通過(guò)兩線接口發(fā)送至協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器發(fā)送至ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，在終端節(jié)點(diǎn)接收完成時(shí)將數(shù)據(jù)再次通過(guò)串口發(fā)送至PC機(jī)，在這臺(tái)PC機(jī)上完成ZigBee終端節(jié)點(diǎn)接收的數(shù)據(jù)與控制中心所發(fā)送的數(shù)據(jù)的比較。中央控制管理系統(tǒng)每一秒發(fā)送2條指令，經(jīng)過(guò)5 h的測(cè)試，測(cè)試軟件顯示共接收數(shù)據(jù)包數(shù)量為36000包時(shí)停止測(cè)試。多協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試軟件測(cè)試結(jié)果如圖6所示。正確數(shù)據(jù)包36 000，錯(cuò)誤數(shù)據(jù)包數(shù)為0，正確率為100％。

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5 結(jié)束語(yǔ)
??? 通過(guò)ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家居內(nèi)部組網(wǎng)，具有遠(yuǎn)程控制方便，添加新設(shè)備靈活和控制性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)RFTD技術(shù)實(shí)現(xiàn)用戶身份識(shí)別，提高系統(tǒng)的安全性。通過(guò)GSM模塊的接入，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和報(bào)警功能。


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三、基于Linux系統(tǒng)和ZigBee的智能家居系統(tǒng)方案

　　摘 要：根據(jù)現(xiàn)代家居的發(fā)展需求，提出了一種智能家居系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，以ARM11S3C6410為核心處理器，Linux嵌入式系統(tǒng)為家居總中心監(jiān)控系統(tǒng)，使用Linux Qt完成了控制程序及人機(jī)界面的編寫(xiě)，采用GPRS通信技術(shù)完成了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通信及監(jiān)控，組建基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，并完成了對(duì)家電的基于統(tǒng)一協(xié)議的控制，實(shí)現(xiàn)了家居的智能化。

　　0 引 言

　　隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對(duì)生活要求的不斷提高，實(shí)現(xiàn)家庭智能的遠(yuǎn)程監(jiān)控已經(jīng)成為必然的趨勢(shì)。國(guó)家建設(shè)部住宅產(chǎn)業(yè)化促進(jìn)中心提出住宅小區(qū)要實(shí)現(xiàn)六項(xiàng)智能化要求，其中包括實(shí)行安全防范自動(dòng)化監(jiān)控管理：對(duì)住宅的火災(zāi)、有害氣體的泄漏實(shí)行自動(dòng)報(bào)警；防盜報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)安裝紅外或微波等各種類型報(bào)警探測(cè)器；系統(tǒng)應(yīng)能與計(jì)算機(jī)安全綜合管理系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能對(duì)防盜報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行集中管理和控制。隨著GPRS遠(yuǎn)程通信技術(shù)和短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，智能家居的監(jiān)控技術(shù)也逐步成熟。GPRS網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)是通信公司推出的一項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸通信業(yè)務(wù)，在GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)，傳輸距離不受限制，通信費(fèi)用相對(duì)低廉，傳輸速率較快。Zig-Bee短距離無(wú)線通信技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。本文解決了家庭智能嵌入式系統(tǒng)、GPRS遠(yuǎn)程通信、ZigBee無(wú)線通信、家電解碼及編碼、家居控制協(xié)議等相關(guān)技術(shù)難點(diǎn)，分析了其各自基本特點(diǎn)和所要實(shí)現(xiàn)的基本功能，并在此基礎(chǔ)上提出了基于Linux嵌入式系統(tǒng)和ZigBee網(wǎng)絡(luò)及GPRS無(wú)線通信的智能家居系統(tǒng)的總體解決方案。
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　　1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

　　智能家居網(wǎng)絡(luò)指的是在一個(gè)家居中建立一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，將各種家電設(shè)備互相連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有智能家居網(wǎng)絡(luò)上設(shè)備的遠(yuǎn)程使用和控制及任何要求的信息交換，如音樂(lè)、門(mén)窗、電源、電視或數(shù)據(jù)等等。智能家居網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架包括家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、智能家居控制器以及智能家居網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信。其中，智能家居控制器是智能家庭網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要組成部分，起到核心的管理、控制和與外部網(wǎng)絡(luò)通信的作用。它是通過(guò)家庭管理平臺(tái)與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的一個(gè)系統(tǒng)，也是連接家庭智能內(nèi)部和外部網(wǎng)絡(luò)的物理接口，完成家庭內(nèi)部同外部通信網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)交換功能，同時(shí)還負(fù)責(zé)家庭設(shè)備的管理和控制。智能家居控制器一方面需要為家庭內(nèi)部布線提供通信接口，采集家庭設(shè)備的信息，并進(jìn)行處理、自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)；另一方面智能家居控制器作為家庭網(wǎng)關(guān)，也為外部提供網(wǎng)絡(luò)接口，連通家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)，使得用戶可以通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)等方式訪問(wèn)家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和控制。系統(tǒng)控制方案如圖1所示。

　　圖1 系統(tǒng)整體控制框圖

　　本系統(tǒng)采用三星公司最新推出的ARM11S3C6410控制芯片為核心控制器，完成所有家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)的處理，包括數(shù)據(jù)的采集與控制命令的發(fā)出，是整個(gè)智能家居控制的核心，采用Linux嵌入式系統(tǒng)為家居總中心監(jiān)控系統(tǒng)，能夠自動(dòng)運(yùn)行、處理數(shù)據(jù)，通過(guò)串口管理、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制各控制終端，并且中心控制器通過(guò)GPRS模塊實(shí)現(xiàn)家庭系統(tǒng)與手機(jī)的通信，使用戶可以通過(guò)短信方式實(shí)現(xiàn)家庭系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，同時(shí)，控制器還采用10.3寸觸摸屏為用戶提供命令輸入端，采用Linux Qt完成人機(jī)界面的編寫(xiě)，通過(guò)ZigBee無(wú)線通信協(xié)議完成家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)的傳輸，方便用戶實(shí)現(xiàn)本地控制?？刂平K端為單片機(jī)組成的若干小的控制系統(tǒng)控制各家用設(shè)備，并通過(guò)控制總線將這些小的控制系統(tǒng)組成網(wǎng)絡(luò)，連接到智能家居控制器，受智能家居控制器控制。

　　2 基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)一家電協(xié)議的家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

　　2.1 整體設(shè)計(jì)

　　整個(gè)智能家居系統(tǒng)全部采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控，以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為通信平臺(tái)，將家庭的安防系統(tǒng)、門(mén)窗控制系統(tǒng)、家電照明系統(tǒng)和能源計(jì)量系統(tǒng)等這些分立子系統(tǒng)融合成為一個(gè)真正意義上的綜合智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。既可以使用智能手機(jī)或者終端實(shí)現(xiàn)本地集中控制，也可以通過(guò)使用遠(yuǎn)程接入Internet網(wǎng)絡(luò)的智能手機(jī)或計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由分散智能終端層和上端總控制層組成。

　　上端總控制層主要是以ARM6410中控系統(tǒng)為核心、利用無(wú)線通信結(jié)構(gòu)形成的中控網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)各種不同智能終端的管理控制。中控系統(tǒng)配置有觸摸屏方便用戶使用。使用GPRS通信技術(shù)，將家庭內(nèi)部信息及時(shí)與主人手機(jī)終端進(jìn)行通信聯(lián)系，并可以通過(guò)手機(jī)控制上端總控制層，達(dá)到遠(yuǎn)程控制的效果。

　　分散智能終端層是由具有智能終端特性（即信號(hào)采集處理、輸出控制和數(shù)據(jù)通信功能）的各種不同安防系統(tǒng)、家電控制、家庭照明、家庭安防、溫濕度數(shù)據(jù)采集和通信系統(tǒng)等模塊組成。

　　智能終端層以AT89C51為核心處理器，使用多個(gè)I/O口進(jìn)行傳感器檢測(cè)陣列的信號(hào)采集，其中包括紅外人體探測(cè)信號(hào)、火警探測(cè)信號(hào)、有毒氣體探測(cè)信號(hào)、門(mén)窗開(kāi)閉信號(hào)等信號(hào)的檢測(cè)；使用紅外發(fā)射芯片IR6721C芯片進(jìn)行家電設(shè)備控制信號(hào)的發(fā)射，可以完成家庭內(nèi)部控制和GPRS遠(yuǎn)程控制；使用通信串口1連接無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸芯片XL02-232AP1，XL02-232AP1是UART 接口半雙工無(wú)線傳輸模塊。本文采用了加強(qiáng)型的ZigBee無(wú)線技術(shù)，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的無(wú)線數(shù)據(jù)通信設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)多設(shè)備間的數(shù)據(jù)透明傳輸；通過(guò)無(wú)線ZigBee進(jìn)行組網(wǎng)通信；無(wú)線功能強(qiáng)大；具備中繼路由和終端設(shè)備功能。單個(gè)終端硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

　　圖2 終端硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　智能終端與中心控制器通過(guò)基于ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)完成通信，傳輸一個(gè)指令的數(shù)據(jù)包由以下幾部分組成：起始編碼bite［0］［1］，地址編碼bite［2］，數(shù)據(jù)類型編碼bite［4］，功能編碼bite［5］，效驗(yàn)編碼bite［6］，結(jié)束編碼bite［7］。每個(gè)編碼1個(gè)字節(jié)，發(fā)送數(shù)據(jù)范圍在0~255之間，不同家庭內(nèi)部的起始編碼都是惟一的，防止相互信號(hào)的干擾，每個(gè)接收終端在接收到數(shù)據(jù)后，都進(jìn)行地址碼判斷是否為自己接收的數(shù)據(jù)包，是則接收，否則不接收，接收到數(shù)據(jù)包后，對(duì)數(shù)據(jù)要執(zhí)行的功能進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)正確，則進(jìn)行解碼，并且在解碼成功后通過(guò)ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)出一個(gè)確認(rèn)接受碼，中心控制器在接收到確認(rèn)接收碼后停止再次發(fā)生控制指令，否則間隔100ms再次發(fā)生相同指令，確保整個(gè)ZigBee的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性和完整性。每個(gè)智能終端在正確接收到中心控制器的控制信號(hào)后，必須根據(jù)信號(hào)完成相應(yīng)家庭內(nèi)部的控制工作，所以家電設(shè)備的控制信號(hào)都是由統(tǒng)一的紅外編碼完成的，不同家電的紅外編碼各不相同，必須進(jìn)行紅外編碼的解碼和重新的編碼，解碼工作利用400MHz的具有存儲(chǔ)功能的高精度示波器采集完成，編碼采用AT89C51芯片的兩個(gè)定時(shí)器交互中斷進(jìn)行，中斷程序控制相應(yīng)的I/O口產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的脈沖，脈沖輸出測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

　　圖3 AT89C51產(chǎn)生的紅外解碼脈沖

　　2.2 GPRS遠(yuǎn)程通信設(shè)計(jì)

　　以ARM11S3C6410為總控制核心，通過(guò)GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的發(fā)送與處理，使用6410串口2與GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可以將家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)信息發(fā)送給遠(yuǎn)離房間的主人手機(jī)，并可以通過(guò)主人手機(jī)發(fā)送的控制信息控制房間內(nèi)家電設(shè)備，包含攝像頭的攝像處理、空調(diào)溫度設(shè)置等。GPRS通信模塊安裝在智能家居控制器中，主要功能為通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)連接到Internet網(wǎng)絡(luò)，并主動(dòng)與監(jiān)控中心建立通信鏈路，進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。GPRS通信模塊設(shè)計(jì)采用了Freescale公司生產(chǎn)的內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的G24GPRSOEM［8］。該模塊尺寸小，功耗低，便于集成。GPRS通信終端收發(fā)模塊主要由G24模塊、天線、SIM 卡、相關(guān)的電平轉(zhuǎn)換電路和RS 232串口組成。其供電電壓為5V，可采用USB端口供電；通過(guò)RS 232串行口與智能家居控制器ARM 進(jìn)行通信。

　　G24收發(fā)模塊采用AT指令操作，通過(guò)RS 232串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

　　GPRS網(wǎng)絡(luò)通信原理如下：首先通過(guò)SGSN節(jié)點(diǎn)使通信終端模塊附在GPRS網(wǎng)絡(luò)上；然后通過(guò)GGSN 節(jié)點(diǎn)由PPP（Point to Point Protocol）協(xié)議獲得一個(gè)隨機(jī)分配的IP地址，連接到Internet上；最后通信終端模塊通過(guò)Internet，按照監(jiān)控中心設(shè)定的端口號(hào)與監(jiān)控中心建立通信鏈路。

　　2.3 系統(tǒng)軟件

　　系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)，Linux內(nèi)核是一種源碼開(kāi)放的操作系統(tǒng)，采用模塊化的設(shè)計(jì)。在此只保留了必需的功能模塊，刪除了冗余的功能模塊，并對(duì)內(nèi)核重新編譯，從而使系統(tǒng)運(yùn)行所需的硬件資源顯著減少。

　　Linux系統(tǒng)內(nèi)核集成了大量的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序，支持全部的標(biāo)準(zhǔn)因特網(wǎng)協(xié)議和幾乎所有的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，因此將其應(yīng)用于智能家居控制器的設(shè)計(jì)，具有代碼量小、運(yùn)行消耗系統(tǒng)資源少、可靠性高、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，適應(yīng)智能家庭數(shù)據(jù)采集控制器對(duì)于操作系統(tǒng)的要求。Qt作為一種跨平臺(tái)的基于C++ 的GUI系統(tǒng)，能夠提供給用戶構(gòu)造圖形用戶界面的強(qiáng)大功能。本文選用移植性強(qiáng)的Qt軟件設(shè)計(jì)圖形用戶界面，所設(shè)計(jì)的GUI實(shí)用、簡(jiǎn)潔、實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，可通過(guò)鍵盤(pán)或面板對(duì)程序進(jìn)行輸入、保存、修改和編譯，信息和臨時(shí)信息及時(shí)輸出、顯示，通過(guò)GUI達(dá)到了整合系統(tǒng)的目的。在Qt系統(tǒng)中，不僅有著構(gòu)造完善的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而且為了滿足用戶對(duì)編寫(xiě)圖形用戶界面應(yīng)用的種種需求，還創(chuàng)建了許多新的系統(tǒng)機(jī)制，其中Qt所特有的內(nèi)部進(jìn)程通信機(jī)制具有獨(dú)特的反應(yīng)速度，本文采用的Qt應(yīng)用進(jìn)程之間通信機(jī)制是Signal-Slot機(jī)制和FIFO 機(jī)制。Linux 系統(tǒng)不斷偵查本地GUI消息，任何一個(gè)Qt消息被觸發(fā)，系統(tǒng)都會(huì)立即執(zhí)行相應(yīng)程序，提高了整個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)速度和穩(wěn)定性，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

　　圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

　　3 結(jié) 語(yǔ)

　　整套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分利用了ARM11S3C6410的硬件功能和處理速度，成功移植了以S3C6410為硬件核心的Linux嵌入式系統(tǒng)，并完成了基于Linux Qt的控制程序的開(kāi)發(fā)，解決了多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，其中包括構(gòu)建基于ZigBee通信協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、基于AT89C51的統(tǒng)一家電控制協(xié)議、基于S3C6410的GPRS遠(yuǎn)程通信、家電控制的直接解碼與編碼等，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的控制結(jié)果效果令人滿意，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的先進(jìn)性、穩(wěn)定性和實(shí)用性，具有廣泛的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

四、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)在智能家居中的應(yīng)用

　　21 世紀(jì)是信息化的世紀(jì)， 各種通信和互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)推動(dòng)了人類文明的巨大進(jìn)步。智能家居控制系統(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； 可以在下班途中， 預(yù)先將家中的空調(diào)打開(kāi)、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)幾下手機(jī)按鍵或鼠標(biāo)。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， 家內(nèi)家外（在家內(nèi)通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)，在家外通過(guò)電信或互聯(lián)網(wǎng)） 都能對(duì)家里的電器、燈光、電源、家庭環(huán)境進(jìn)行方便的控制， 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 智能家居系統(tǒng)控制的工作原理

　　本系統(tǒng)是基于紅外和GSM 網(wǎng)絡(luò)的用于智能家居環(huán)境中的一種遠(yuǎn)程自動(dòng)控制系統(tǒng)。其工作原理為： 用戶通過(guò)自身的手機(jī)發(fā)出命令短消息， 在家值守的GSM 模塊接收到命令后發(fā)送給主機(jī)（單片機(jī)） , 主機(jī)通過(guò)對(duì)命令的處理， 把命令通過(guò)紅外傳輸?shù)较鄳?yīng)的分機(jī)（單片機(jī)） 上， 分機(jī)對(duì)命令處理后， 啟動(dòng)相應(yīng)設(shè)備， 完成用戶給出的命令并向主機(jī)回復(fù)應(yīng)答， 主機(jī)收到應(yīng)答后， 通過(guò)GSM 模塊發(fā)出回復(fù)短消息， 報(bào)告用戶完成命令。若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)（這里定時(shí)60s） 主機(jī)沒(méi)有接收到分機(jī)的回復(fù)信息， 即把該操作認(rèn)為無(wú)效， 回復(fù)操作無(wú)效短消息給用戶手機(jī)， 要求用戶重新發(fā)出命令。若收到的短信息有誤， 主機(jī)便立刻回復(fù)用戶該操作無(wú)效， 請(qǐng)求重新發(fā)出命令。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

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圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

　　2 硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 MCU 與GSM 通信模塊

　　本單片機(jī)通過(guò)RS232 串行通信接口與GSM 模塊通信， 提取GSM 設(shè)備的短信， 發(fā)送相關(guān)的信息， 并通過(guò)串行通信接口與紅外模塊相連， 利用紅外模塊， 達(dá)到主、分機(jī)之間的通信， 因此， 選用A T 89S52 芯片。控制上需要用到兩個(gè)串行接口， 但89S52 只有一個(gè)串口， 故還需要在程序中進(jìn)行模擬串行接口通信。其最簡(jiǎn)外部接線電路如圖2 所示。

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圖2 A T 89S52 外部接線

　　89S52 與TC35 之間通過(guò)異步串行接口進(jìn)行通信，通信速率為9 600b?s, 具有1 位起始位、8 位數(shù)據(jù)位、1位停止位， 無(wú)奇偶校驗(yàn)。

　　單片機(jī)啟動(dòng)后， 便發(fā)出A T + CM GD = 2 指令， 清除第二存儲(chǔ)空間的數(shù)據(jù)， 然后不斷地發(fā)出指令讀取第二存儲(chǔ)空間。若有數(shù)據(jù)， 即表示接收到數(shù)據(jù)， 并開(kāi)始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 處理完畢后再把該空間數(shù)據(jù)刪除。當(dāng)單片機(jī)向手機(jī)發(fā)出短消息時(shí)， 單片機(jī)會(huì)向GSM 模塊發(fā)出A T、A T + CM GF = 0、A T + CM GS= X 一系列的指令， 當(dāng)接收到回復(fù)信息后， 最后發(fā)出短消息的內(nèi)容。

　　2.2 紅外無(wú)線通信模塊

　　紅外發(fā)送器電路如圖3 所示包括38kHz 晶體振蕩器、反相器、與非門(mén)、驅(qū)動(dòng)門(mén)Q1 和紅外發(fā)射管D1 等部分。其中38kHz 晶體振蕩器、電阻R3 和反相器組成脈沖振蕩器， 用以產(chǎn)生38kHz 的脈沖序列作為載波信號(hào)，紅外發(fā)射管D1 選用V ishay 公司生產(chǎn)的TSAL 6238, 用來(lái)向外發(fā)射950nm 的紅外光束。

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圖3 紅外發(fā)射器電路圖

　　紅外接收器電路如圖4 所示， 當(dāng)接收器收到數(shù)位"0"時(shí)，Q2 管導(dǎo)通， 使得RXD 接收到低電平， 收到數(shù)位"1"時(shí)，Q2 管截至， RXD 接收到高電平。

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圖4 紅外接收器電路圖

　　2.3 模擬控制

　　本系統(tǒng)將以不同的電機(jī)做出不同的動(dòng)作， 來(lái)模擬說(shuō)明智能家居對(duì)系統(tǒng)控制的響應(yīng)。如圖5 所示， 當(dāng)分機(jī)的單片機(jī)收到本機(jī)的地址信息， 便提取信息中的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的命令， 若把P 10, P011 腳置成低電平， 其他為高電平， 則Q3、Q4 管導(dǎo)通， 電機(jī)便正向旋轉(zhuǎn)， 若把P012, P013 腳置成低電平， 其他為高電平， 則Q5、Q6 管導(dǎo)通， 電機(jī)便反向旋轉(zhuǎn)（ 以前一情況為正向時(shí)）。若一臺(tái)分機(jī)上連多個(gè)電機(jī)， 有多臺(tái)分機(jī)， 便可以實(shí)現(xiàn)在智能家居環(huán)境中對(duì)家庭各個(gè)設(shè)備的同步控制。

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圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 單片機(jī)主程序設(shè)計(jì)

　　主機(jī)上電復(fù)位后進(jìn)行初始化， 然后不斷地對(duì)GSM模塊進(jìn)行掃描查詢。當(dāng)查詢到GSM 模塊接收到用戶發(fā)送的短信時(shí)， 便對(duì)短信進(jìn)行處理， 提取相關(guān)信息， 然后通過(guò)紅外模塊相分機(jī)發(fā)送相應(yīng)的命令數(shù)據(jù)。接著就在一定時(shí)間（可根據(jù)用戶需要調(diào)整， 這里設(shè)為60s） 內(nèi)等待分機(jī)的回復(fù)信息。當(dāng)接收到回復(fù)信息或規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到分機(jī)的回復(fù)信息， 主機(jī)都返回到掃描查詢狀態(tài)。主機(jī)主程序流程圖如圖6 所示。

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　　分機(jī)上電復(fù)位后進(jìn)行初始化， 然后等待接收主機(jī)發(fā)送的命令信息。接收到命令信息后， 從中提取地址和數(shù)據(jù)信息， 若為本分機(jī)地址， 則對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并作出響應(yīng)， 同時(shí)向主機(jī)發(fā)送確定信息； 若非本分機(jī)地址， 則返回， 繼續(xù)等待主機(jī)發(fā)送的命令信息。分機(jī)主程序流程圖如圖6 （b） 所示。

　　3.2 中斷程序設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)需要模擬串行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收， 所以需要用上外部中斷來(lái)接收數(shù)據(jù)， 確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐叫院蛯?shí)時(shí)性。每接收一位數(shù)據(jù)， 中斷都會(huì)響應(yīng)一次， 接收8位為一個(gè)有效數(shù)據(jù)， 接收8 個(gè)數(shù)據(jù)為一個(gè)數(shù)據(jù)幀。外部中斷流程圖如圖7 （a） 所示。

　　為了確保主機(jī)正常工作， 加入主機(jī)等待分機(jī)回復(fù)的等待時(shí)間。而為了時(shí)間的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性， 用到單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器1.設(shè)定其工作模式為模式1, 初值為0x4bff （50m s）。中斷20 次為1s, 60 次循環(huán)為60s, 當(dāng)60s到時(shí)， 標(biāo)志位置位后返回。時(shí)間中斷流程圖如圖7 （b）所示。

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　　4 結(jié) 論

　　本系統(tǒng)安全可靠， 性能穩(wěn)定。同時(shí)本系統(tǒng)除用于家庭設(shè)備遠(yuǎn)程自動(dòng)控制外， 也可用于家庭通信、家庭安全防范， 共同組建智能家居控制系統(tǒng)。

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