智能家居精華設(shè)計(jì)方案參考集錦（二） - 全文

一、基于單片機(jī)的智能家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

摘要： 介紹了一種以AT89S52單片機(jī)為控制核心， 通過DTMF公用電話網(wǎng)和CAN 總線傳遞的多節(jié)點(diǎn)家居安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。本智能家居安防系統(tǒng)集防火、防盜、防燃?xì)鉃橐惑w， 可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)與自動(dòng)語音撥號(hào)報(bào)警。詳細(xì)介紹了DTMF收發(fā)電路、通話電路和CAN 總線傳輸?shù)入娐贰?shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 本系統(tǒng)功能實(shí)用， 信息傳遞實(shí)時(shí)可靠，適用于家居安防或其他場(chǎng)所的安防系統(tǒng)。

　　1 引言

　　現(xiàn)在的安防系統(tǒng)可借助計(jì)算機(jī)技術(shù)、IC 卡技術(shù)、通信技術(shù)等來實(shí)現(xiàn)，CAN總線應(yīng)用于安防系統(tǒng)對(duì)家居智能化發(fā)展起到了良好的促進(jìn)作用。而把DTMF 技術(shù)應(yīng)用于安防系統(tǒng)， 不需要專門的布線， 不占用無線電頻率資源， 沒有電磁污染。文中設(shè)計(jì)了一種基于CAN 總線和DTMF技術(shù)的以AT89S52單片機(jī)為核心的新型智能家居安防系統(tǒng)， 使原來小區(qū)安防系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性有了一個(gè)新層次的提高。本系統(tǒng)可以對(duì)整個(gè)家居的安全環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控， 監(jiān)控的范圍包括室內(nèi)防盜、火災(zāi)報(bào)警、煤氣泄露等一系列不安全因素。一旦有上述事故發(fā)生， 該報(bào)警系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信息， 用語音播出警情類別， 向遠(yuǎn)方用戶和相關(guān)部門提供警情語音。

　　2 系統(tǒng)總體構(gòu)成

　　系統(tǒng)框圖如圖1所示。單片機(jī)控制DTMF收發(fā)電路、數(shù)字語音電路、摘掛機(jī)控制電路。探測(cè)器能夠快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)到住宅的異常狀況， 經(jīng)確認(rèn)后及時(shí)通知控制器， 再由單片機(jī)來控制電話接口電路， 實(shí)現(xiàn)模擬摘機(jī)， 自動(dòng)撥打預(yù)先設(shè)置的電話號(hào)碼進(jìn)行語音報(bào)警并通知管理中心。當(dāng)監(jiān)測(cè)到對(duì)方回應(yīng)后， 自動(dòng)恢復(fù)警戒狀態(tài)。

圖1 家居安防系統(tǒng)框圖

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)主控部分采用AT89S52單片機(jī)， 無需擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器。看門狗電路采用具有可編程的串行EEPROM - X25045。X25045依次存儲(chǔ)了標(biāo)志字段、話機(jī)號(hào)碼、警情代號(hào)、系統(tǒng)設(shè)置等數(shù)據(jù)信息。數(shù)字語音電路采用數(shù)字語音芯片ISD1420。系統(tǒng)中ISD1420僅作為基本錄放音電路， 所以所有的地址線全部置為0, 因此放音的起始地址是0。語音信號(hào)由駐極話筒拾取， 從M IC 和M IC REF兩端輸入芯片內(nèi)部的放大器放大， 經(jīng)過功放后的音頻信號(hào)從SP+ 被用來與通話電路相連， 以送出語音信號(hào)。

　　3. 1 振鈴檢測(cè)及模擬摘掛機(jī)單元

　　系統(tǒng)并于電話線兩端， 時(shí)刻處于監(jiān)控狀態(tài)， 不會(huì)影響電話的正常工作。當(dāng)系統(tǒng)接收到振鈴信號(hào)時(shí)，會(huì)進(jìn)行振鈴檢測(cè)。振鈴信號(hào)經(jīng)三個(gè)反相器后接入AT89S52的P3. 4口。若5次振鈴后無人接聽， 則系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)摘機(jī)狀態(tài)。單片機(jī)P1. 2 引腳輸出高電平， 三極管V501導(dǎo)通則繼電器K1 動(dòng)作， 將負(fù)載電阻接入電路實(shí)現(xiàn)模擬摘機(jī)。此后電話線上就會(huì)出現(xiàn)大于10mA 的電流， 交換中心檢測(cè)到這一電流后就不再輸出振鈴信號(hào)而是轉(zhuǎn)為接通電話。如果振鈴信號(hào)沒有達(dá)到預(yù)設(shè)值就消失， 則單片機(jī)的計(jì)數(shù)值清零，控制器不動(dòng)作。

　　3. 2 DTMF收發(fā)單元

　　DTMF收發(fā)電路采用DTMF 信號(hào)編/解碼芯片MT8880[ 5] 芯片， 單片機(jī)通過DTMF收發(fā)電路撥出電話號(hào)碼進(jìn)行電話報(bào)警， DTMF 收發(fā)電路如圖2所示。

圖2 DTMF收發(fā)電路

　　MT8880提供了與微處理器相連的接口， 以對(duì)其發(fā)送、接收和工作模式進(jìn)行控制。它的接收部分采用單端輸入， 由R27、R28和C16 組成， 其輸入電壓增益為1, 通過改變R28可調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的增益。它的發(fā)送部分由R29、C17、C18和XTAL2構(gòu)成。它的控制部分由R30 和C19 構(gòu)成。IRQ /CP 與單片機(jī)P3. 5 腳相連。當(dāng)MT8880接收到有效的雙音多頻信號(hào)時(shí)， 單片機(jī)進(jìn)行中斷處理。MT8880 的IN - 端和通話電路TEA 1062 的QR 端相連， MT8880 的TONE端和TEA1062的DTMF端相連。

　　3. 3 通話單元

　　通話電路使用電話機(jī)專用通話集成電路TEA1062。送話時(shí)， 語音信號(hào)（來自ISD1420）通過M IC + 引腳輸入， DTMF信號(hào)（來自MT8880）通過DTMF引腳輸入， 經(jīng)過TEA1062 放大后從LN 引腳一起送到電話外線上。受話時(shí)， 信號(hào)通過消側(cè)音網(wǎng)絡(luò)， 從IR 引腳輸入， 放大后從引腳QR 輸出， 分兩路： 一路送到ISD1420的ANA IN 端供語音錄制用，另一路送到MT8880的IN - 端提取DTMF信號(hào)。

　　3. 4 CAN 總線數(shù)據(jù)傳輸單元

　　CAN 總線數(shù)據(jù)傳輸單元由兩部分構(gòu)成， 一部分是CAN 控制器， 實(shí)現(xiàn)對(duì)總線數(shù)據(jù)的交互與控制， 另一部分是CAN 數(shù)據(jù)收發(fā)器， 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸。

　　單片機(jī)AT89S52通過控制CAN 控制器來實(shí)現(xiàn)對(duì)總線的訪問， 同時(shí)還負(fù)責(zé)功能單元的測(cè)量和控制， CAN 總線接口電路如圖3所示。

圖3 CAN總線接口電路

　　AT89S52 通過中斷方式訪問CAN 控制器SJA1000, 為了增強(qiáng)CAN 總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，SJA1000通過高速光耦6N137 與CAN 總線驅(qū)動(dòng)器PCA82C50 相連。PCA82C50 的CANH 和CANL引腳各自接了一個(gè)5 的電阻與CAN 總線相連， 可以起到限流作用， 以免PCA82C50受到過電流沖擊。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)， 主要包括主程序模塊、CAN 通信模塊、振鈴檢測(cè)模塊、語音報(bào)警模塊、DTMF收發(fā)模塊等， 這里主要介紹主程序和CAN通信模塊設(shè)計(jì)。

　　4. 1 主程序設(shè)計(jì)

　　主程序主要完成各功能模塊的調(diào)用， 檢測(cè)系統(tǒng)輸入， 然后根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行判斷處理。程序進(jìn)行主循環(huán)之前還要進(jìn)行必要的初始化， 如MT8880、ISD1420、SJA1000、相關(guān)標(biāo)志位等。主程序流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

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　　4. 2 CAN 通信模塊設(shè)計(jì)

　　CAN 通信模塊包括控制器初始化、數(shù)據(jù)接收和發(fā)送子程序。SJA1000有復(fù)位模式和工作模式兩種狀態(tài)， 兩種狀態(tài)下寄存器配置不同。當(dāng)參數(shù)設(shè)置完后， CPU 發(fā)出命令， SJA1000 處于工作狀態(tài)， 進(jìn)行正常通信。如果通信出錯(cuò)， CPU 會(huì)使SJA1000 回到復(fù)位模式。接收模塊負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報(bào)文的接收及相關(guān)處理。接收過程中CPU 會(huì)讀數(shù)據(jù)， 根據(jù)命令字判斷數(shù)據(jù)幀的類型進(jìn)行不同處理。發(fā)送模塊負(fù)責(zé)報(bào)文的發(fā)送， SJA1000 發(fā)送數(shù)據(jù)前， 要判斷是否滿足發(fā)送條件， 如果滿足， 則把報(bào)文幀信息、標(biāo)識(shí)符和要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)， 即可發(fā)送。JA 1000的收發(fā)流程圖如圖5所示。

圖5 JA 1000的收發(fā)流程圖

　　5 結(jié)束語

　　本系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為核心， 不用對(duì)電話網(wǎng)進(jìn)行任何改造， 實(shí)現(xiàn)對(duì)家居設(shè)防點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和語音報(bào)警。設(shè)計(jì)中用CAN 總線結(jié)構(gòu)組成安防系統(tǒng)，有較好的靈活性和擴(kuò)展性， 同時(shí)利用CAN 總線引入實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理， 提高了系統(tǒng)的可靠性。可對(duì)樓宇可視對(duì)講、智能小區(qū)管理、門禁管理等有較大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

二、 基于GSM短信的智能家居控制系統(tǒng)研究

　　1 引言

　　目前人們的家居生活中應(yīng)用了大量的日用電器，但是這些日用電器都要人們?nèi)ブ苯硬倏?，雖然可以用一些定時(shí)操控，但是功能有限，靈活性很差。而作為移動(dòng)終端的手機(jī)在不斷的普及，開發(fā)它的擴(kuò)展應(yīng)用將是有廣大的配備基礎(chǔ)和廣闊的市場(chǎng)前景的，可以利用手機(jī)終端依托公眾信息網(wǎng)，控制家電，并查詢家中狀況。本文討論的是將信息處理的技術(shù)與對(duì)設(shè)備的操控結(jié)合來實(shí)現(xiàn)數(shù)字家居的一種嘗試，使人們能享受到信息革命給生活帶來的便利。本文創(chuàng)新點(diǎn)在于用ZigBee技術(shù)進(jìn)行家庭組網(wǎng)結(jié)合DSP技術(shù)與短信方式來完成遠(yuǎn)程設(shè)備與用戶之間的通信。這樣網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，實(shí)現(xiàn)控制與監(jiān)測(cè)時(shí)具有不需撥號(hào)、價(jià)格便宜、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢(shì)，而且不必重新布電網(wǎng)，可以節(jié)約財(cái)力、物力和人力穩(wěn)定可靠，易于實(shí)現(xiàn)。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　智能家居系統(tǒng)具有對(duì)家庭中的各種設(shè)備遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程查詢、集中管理功能，為用戶提供更為舒適，方便的生活方式。本設(shè)計(jì)主要針對(duì)的是家電控制。ZigBee通信子節(jié)點(diǎn)需具備脈沖量數(shù)據(jù)采集、開關(guān)量數(shù)據(jù)采集、模擬量數(shù)據(jù)采集、繼電器觸點(diǎn)輸出等功能，而主節(jié)點(diǎn)實(shí)際上是一個(gè)功能齊全的FFD設(shè)備，對(duì)家庭子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的管理，并與家居服務(wù)器通信，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器和子節(jié)點(diǎn)的信息交互本設(shè)計(jì)中家庭內(nèi)部節(jié)點(diǎn)主要由射頻芯片CC2430和TMS320VC5402芯片組成，CC2430是符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)（MAC、和PHY層）的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)模塊。TMS320VC5402芯片用來控制CC2430ZigBee模塊的運(yùn)行，并且與GSM模塊通過MAX3111進(jìn)行連接，用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的通訊。我們將ZigBee的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和GSM模塊集成在一塊板子。節(jié)點(diǎn)在空閑時(shí)間處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)用戶有控制信號(hào)或者數(shù)據(jù)采集要求時(shí)采用中斷將節(jié)點(diǎn)喚醒，完成數(shù)據(jù)采集或控制任務(wù)，并上報(bào)相關(guān)信息。

　　系統(tǒng)構(gòu)成圖如下所示：

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　　主控中心模塊它承擔(dān)著短信的接收，命令的判斷，執(zhí)行命令的發(fā)出或直接驅(qū)動(dòng)，并將機(jī)器的工作狀態(tài)用短信發(fā)給移動(dòng)終端。

　　這種工作可以選用低價(jià)普通的C51單片機(jī)。但考慮要在以后擴(kuò)展基于圖像的彩信反饋的應(yīng)用，所以在本設(shè)計(jì)中控制器的處理機(jī)選用了TMS320VC5402芯片。DSP主控模塊采用了TMS320VC5402EVM評(píng)估板及仿真器。TMS320VC5402EVM提供了2個(gè)BCMSP的直聯(lián)接線口J6,J7和PHI的驅(qū)動(dòng)口J2及J5與仿真器的接口連接。該板有512KRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，64KRAM作為程序儲(chǔ)存。4KFLASH存儲(chǔ)器，可用于存儲(chǔ)需保留的數(shù)據(jù)。

　　TMS320VC5402要與GSM模塊相連就要擴(kuò)展RS232接口，TMS320VC5402只提供了2個(gè)多通道帶緩沖同步串行口MCBSP0,MCBSP1。如果實(shí)現(xiàn)對(duì)接，就要對(duì)MCBSP串口進(jìn)行轉(zhuǎn)換。我們這里使用的是MAX3111芯片。MAX3111芯片具有尺寸小，價(jià)格低，功耗少，通信速率高等特點(diǎn)。用MAX3111芯片實(shí)現(xiàn)同步串行數(shù)據(jù)接口到異步串行口（RS-232）的轉(zhuǎn)換?？膳cH6221的RS232口相連。MAX3111包括UART和RS-232兩個(gè)部分，其中UART部分包括兼容SPI的串行口，可編程波特率發(fā)生器，發(fā)送緩沖器及發(fā)送移位寄存器，接收緩沖器，接收移位寄存器，8字節(jié)接收FIFO,以及有四種可屏蔽中斷源的中斷產(chǎn)生器。而RS232部分包括自帶電容的電泵。

　　由于MAX3111是3.3V器件，TMS320VC5402的MCBSP串行接口工作SPI模式時(shí)可直接與MAX3111連接實(shí)現(xiàn)與RS232設(shè)備異步數(shù)據(jù)傳輸。此時(shí)TMS320VC5402作為SQI協(xié)議中的主設(shè)備，發(fā)送時(shí)解信號(hào)（BCLKX）作為MAX3111的串行時(shí)解輸入，發(fā)送幀同步信號(hào)（BFSX）作為MAX3111的原選信號(hào)（TCS）。BDX與DIN連接作為發(fā)送數(shù)據(jù)線。BDR與DOUT作為接收數(shù)據(jù)線。

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　　MAX3111的功能可通過BDX線向其發(fā)送16位的控制字配置命令來定制。MAX3111的TX與T1IN連接，RX與R1OUT連接以便利用其片內(nèi)的轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)UART到RS232電平轉(zhuǎn)換。

　　MAX3111串?dāng)嘈盘?hào)（IRQ）與DSP的外部中斷LNTO相連。這樣無需任何其它外圍器件。由于異步收發(fā)由MAX3111硬件實(shí)現(xiàn)，所以TMS320VC5402的軟件編程只需考慮與MAX3111之間的同步數(shù)據(jù)通信。

　　TMS320VC5402與CC2430的聯(lián)接是系統(tǒng)的執(zhí)行環(huán)節(jié)。由于CC2430是C51為核心的，所以TMS320VC5402與CC2403連接類似與C51單片機(jī)的連接，只是CC2430的電平為2—3.9伏。

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　　而TMS320VC5402接口電平為3.3伏，正好能直接匹配，減少了電平轉(zhuǎn)換的麻煩。

　　執(zhí)行終端在接收到對(duì)本機(jī)的呼叫并確認(rèn)中心所下達(dá)的執(zhí)行命令時(shí)就驅(qū)動(dòng)相應(yīng)端口的輸出腳，如上圖中的P0.0驅(qū)動(dòng)三極管Q,帶動(dòng)繼電器J0,三個(gè)常開接點(diǎn)閉合，J0.1課帶動(dòng)負(fù)載，而J0.2由P1.0檢測(cè)，J0的狀態(tài)，可供查詢。

　　用CC2430芯片組成ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)可以在節(jié)點(diǎn)間進(jìn)行，接力傳輸每個(gè)節(jié)點(diǎn)間距離可達(dá)70米，在節(jié)點(diǎn)間距離較密時(shí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有自愈功能。這種網(wǎng)絡(luò)可支持較大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可達(dá)6萬多。在實(shí)現(xiàn)ZigBee的軟件方面要有ZigBee協(xié)議棧的支持，現(xiàn)在廠家以可以免費(fèi)支持，這使得基于利用CC3430無線單片機(jī)，ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)可以得到普級(jí)。

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　　本設(shè)計(jì)選用了星型組網(wǎng)方案。星型網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為中心，所有設(shè)備只能與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和主控模塊相互連接來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，所有節(jié)點(diǎn)的傳感器數(shù)據(jù)都通過路由送往協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置成睡眠模式，在沒有數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)候進(jìn)入休眠，以節(jié)省功耗，延長使用壽命。根據(jù)ZigBee協(xié)議，每個(gè)ZigBee主設(shè)備可以連接多達(dá)254個(gè)從設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)最多可以同時(shí)存在100個(gè)獨(dú)立且相互重疊覆蓋ZigBee網(wǎng)絡(luò)。所以，網(wǎng)絡(luò)容量很大，能滿足大多數(shù)需求。網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸采用了碰撞避免機(jī)制和完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。而且網(wǎng)絡(luò)層和MAC層都有安全策略，且安全分級(jí)，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。所以整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性都比較高。其工作流程為：

　　a.由用戶手機(jī)發(fā)送規(guī)定好的命令給GSM模塊，DSP主控模塊收到GSM發(fā)來的命令后，解釋該命令。解釋完命令后發(fā)給主控中心的ZigBee無線射頻模塊，由該模塊把命令發(fā)給相應(yīng)的分控終端設(shè)備，分控終端設(shè)備收到命令后做出相應(yīng)的動(dòng)作。

　　b.當(dāng)分控終端收到命令后會(huì)有兩種動(dòng)作：一種是做出相應(yīng)的動(dòng)作后向上層做出應(yīng)答，另一種是主控中心把收到分控終端的信息，通過GSM以短信形式發(fā)到用戶手機(jī)上。

　　到此己經(jīng)完成了用戶在遠(yuǎn)程對(duì)家庭內(nèi)部的電子設(shè)備的控制與監(jiān)測(cè)。

　　3 系統(tǒng)的調(diào)試

　　1.短信收發(fā)的調(diào)試：這個(gè)環(huán)節(jié)主要完成驗(yàn)證所選用的GSM調(diào)制解調(diào)器AT命令的兼容性?？稍赑C機(jī)上用超級(jí)中端來調(diào)試。

　　2.TMS320VC5402的同步串口MCBSP1與MAX3111的串行口的調(diào)試。要保證能正確接受到短信，調(diào)試過程要用TMS320VC5402仿真器。

　　3.TMS320VC5402的同步串口MCBSP0與CC2430的連接，這兩個(gè)芯片要分別用仿真器兩臺(tái)電腦調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)問題出在那一邊。

　　4.調(diào)試ZigBee網(wǎng)絡(luò)，中心控制器的CC2430和被控端的CC2430分別用仿真器分段調(diào)試，調(diào)通ZigBee鏈路。

　　5.調(diào)試被控端CC2430的驅(qū)動(dòng)端口，能按要求驅(qū)動(dòng)繼電器。

　　6.逐級(jí)聯(lián)調(diào)，以中心控制器為中心按各個(gè)方向的協(xié)議調(diào)通。

　　7.調(diào)試中心控制器的控制和管理邏輯。

　　8.全系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測(cè)試。過程中用到一個(gè)TMS320VC5402仿真器和兩個(gè)CC2430仿真器。

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　　4 結(jié)論及展望

　　本設(shè)計(jì)的主題是建立一個(gè)基于GSM短信息的家居智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)家庭設(shè)備，家居環(huán)境狀況的控制與監(jiān)測(cè)。GSM短信息模塊執(zhí)行接收短信息給用戶手機(jī)及發(fā)送用戶手機(jī)的短信息，建立了用戶手機(jī)和DSP主控模塊的遠(yuǎn)程通信功能，系統(tǒng)通過ZigBee無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)子功能模塊與主控模塊之間的通訊。

　　本系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)和創(chuàng)新主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

　　1.設(shè)計(jì)了基于新標(biāo)準(zhǔn)ZigBee的無線技術(shù)在智能家居行業(yè)的應(yīng)用方案，這在家居行業(yè)的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用方面的研究具有前沿性和實(shí)用性。

　　2.根據(jù)人們平時(shí)通信的習(xí)慣，設(shè)計(jì)基于GSM短信來遠(yuǎn)程控制家電的系統(tǒng)易于被人們所接收，并且在不需要很強(qiáng)實(shí)時(shí)性的家居控制中具有方便，快捷，高效率低運(yùn)行成本的優(yōu)勢(shì)。

　　3.系統(tǒng)采用DSPTMS320VC5402,不僅有很好的性價(jià)比也為以后系統(tǒng)升級(jí)擴(kuò)展留有余地。在今后可以利用基于GPRS的彩信服務(wù)或3G移動(dòng)通信，反饋信息可以向圖形、圖象的視頻信息方向發(fā)展。這時(shí)，中心控制器要有足夠的能力處理視頻，這時(shí)DSP就大有用武之地。

　　4.在設(shè)計(jì)中解決了DSPTMS320VC5402與GSM模塊相連接的接口問題。

　　因此基于GSM短信的智能家居控制系統(tǒng)具有較好的社會(huì)發(fā)展前景。

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三、基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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　　隨著人們生活水平的提高和科技的發(fā)展，家庭智能化已成為一種必然趨勢(shì)而深入千家萬戶。家庭智能化即智能化家居(Smart Home)，亦稱數(shù)字家園(Digital Family)、家庭自動(dòng)化(Home Automation)、電子家庭(E-home)、智能化住宅(Intelligent Home)、網(wǎng)絡(luò)家居(Network Home)、智能屋(Wise House，WH)、智能建筑(Intelligent Building)等。它是利用計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)、電力自動(dòng)化、信息、結(jié)構(gòu)化布線、無線等技術(shù)將所有不同的設(shè)備應(yīng)用和綜合功能互連于一體的系統(tǒng)。它以住宅為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖ⒕W(wǎng)絡(luò)家電、通信、家電設(shè)備自動(dòng)化、遠(yuǎn)程醫(yī)療、家庭辦公、娛樂等功能，集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的安全、便利、舒適、節(jié)能、娛樂、高效、環(huán)保的居住環(huán)境。其從控制層次來分，一般由中央控制中心、家居智能控制終端、小區(qū)智能控制系統(tǒng)、家庭網(wǎng)關(guān)和外部網(wǎng)絡(luò)幾部分組成。

　　1 智能家居系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

　　家居系統(tǒng)主要由智能燈光控制、智能家電控制、智能安防報(bào)警、智能娛樂系統(tǒng)、可視對(duì)講系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)等組成，框圖如圖1所示。

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　　2 系統(tǒng)主要模塊設(shè)計(jì)

　　2.1 照明及設(shè)備控制

　　智能家居控制系統(tǒng)的總體目標(biāo)是通過采用計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)控制和集成技術(shù)建立一個(gè)由家庭到小區(qū)乃至整個(gè)城市的綜合信息服務(wù)和管理系統(tǒng)。系統(tǒng)中照明及設(shè)備控制可以通過智能總線開關(guān)來控制。本系統(tǒng)主要采用交互式通信控制方式，分為主從機(jī)兩大模塊，當(dāng)主機(jī)觸發(fā)后，通過CPU將信號(hào)發(fā)送，進(jìn)行編碼后通過總線傳輸?shù)綇哪K，進(jìn)行解碼后通過CPU觸發(fā)響應(yīng)模塊。因?yàn)橹鳈C(jī)模塊與從機(jī)模塊完全相同，所以從機(jī)模塊也可以進(jìn)行相反操作控制主機(jī)模塊實(shí)現(xiàn)交互式通信。系統(tǒng)主框圖如圖2所示，系統(tǒng)主從模塊的程序流程圖如圖3所示。其中主機(jī)相當(dāng)于網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器，主要負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。

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　　對(duì)于燈光控制，可以形成不同的燈光情景模式，以營造舒適優(yōu)雅的環(huán)境氣氛。為了提高系統(tǒng)的可維護(hù)性及可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使系統(tǒng)具有智能狀態(tài)回饋功能、故障自動(dòng)報(bào)警功能、軟啟動(dòng)功能。系統(tǒng)能自動(dòng)檢查負(fù)載狀態(tài)，檢查壞燈、少燈，保護(hù)裝置狀態(tài)等;也可以根據(jù)季節(jié)、天氣、時(shí)間、人員活動(dòng)探測(cè)等作出智能處理，達(dá)到節(jié)能目的。

　　對(duì)于其他家電設(shè)備及窗簾控制，與照明控制類似，均可采用手動(dòng)和自動(dòng)控制兩種方式。

　　2.2 智能安防及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　智能安防系統(tǒng)主要由各種報(bào)警傳感器(人體紅外、煙感、可燃?xì)怏w等)及其檢測(cè)、處理模塊組成。入侵檢測(cè)報(bào)警電路及其他火災(zāi)、燃煤氣泄漏報(bào)警電路類似，其中入侵檢測(cè)報(bào)警框圖及電路如圖4所示。

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　　圖4中，DTMF(雙音多頻)收發(fā)電路如圖5(a)所示，其核心芯片為MT8880，可接收和發(fā)送DTMF全部16個(gè)信號(hào)，具有接收呼叫音和帶通濾波功能，能和微處理器直接對(duì)接。其自動(dòng)摘掛機(jī)可以通過單片機(jī)I/O口控制一個(gè)繼電器的開關(guān)，繼電器的控制端連接一個(gè)電阻接入電話線兩端，從而完成模擬摘掛機(jī)。

　　GPRS通信模塊——TC35模塊主要通過串口與單片機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)TC35模塊的控制，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。電路如圖5(b)所示。

　　2.3 遠(yuǎn)程醫(yī)療系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　智能家居系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用應(yīng)該說還沒有引起廣泛關(guān)注，但實(shí)際上它又是今后智能家居發(fā)展的一個(gè)方向之一。本系統(tǒng)提出的基于GPRS的遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)控系統(tǒng)由中央控制器、GPRS通信模塊、GPRS網(wǎng)絡(luò)、Internet公共網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)服務(wù)器、醫(yī)院局域網(wǎng)等組成。其框圖如圖6所示。

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　　系統(tǒng)工作時(shí)，患者可隨身攜帶的遠(yuǎn)程醫(yī)療智能終端首先實(shí)現(xiàn)對(duì)患者心電、血壓、體溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)可疑病情時(shí)，通信模塊對(duì)采集到人體現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行加密、壓縮處理后，以數(shù)據(jù)流形式通過串行方式(RS 232)連接到GPRS通信模塊上，并與中國移動(dòng)基站進(jìn)行通信，基站SGSN再與網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)GGSN進(jìn)行通信，GGSN對(duì)分組資料進(jìn)行相應(yīng)的處理并把資料發(fā)送到Internet上，并且去尋找在Internet上的一個(gè)指定IP地址的監(jiān)護(hù)中心，并接入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。這樣，信息就開始在移動(dòng)病人單元和遠(yuǎn)程移動(dòng)監(jiān)護(hù)醫(yī)院工作站之間不斷進(jìn)行交流，所有的診斷數(shù)據(jù)和病人報(bào)告電子表格都會(huì)被傳送到遠(yuǎn)程移動(dòng)監(jiān)護(hù)信息系統(tǒng)存檔，遠(yuǎn)程移動(dòng)監(jiān)護(hù)信息系統(tǒng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以供將來研究、評(píng)估、資源規(guī)劃所用。該GPRS遠(yuǎn)程醫(yī)療智能終端的硬件框圖如圖7所示。系統(tǒng)監(jiān)護(hù)中心由監(jiān)控平臺(tái)和信息管理系統(tǒng)、電子地圖、電子病歷等組成，系統(tǒng)軟件的框圖如圖8所示，其中電子病歷系統(tǒng)中的病人詳細(xì)病歷界面如圖9所示。

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　　3 系統(tǒng)部分軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 電話報(bào)警部分程序

　　電話報(bào)警部分程序如下：

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　　3.2 防盜報(bào)警及遠(yuǎn)程控制軟件

　　系統(tǒng)開機(jī)初始化，首先進(jìn)入開機(jī)界面，然后進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。若直接選擇確定則默認(rèn)原設(shè)置，也可對(duì)默認(rèn)設(shè)置進(jìn)行重設(shè)。設(shè)置完成后，各傳感器開始采集、處理參數(shù)，在液晶上顯示各參數(shù)并通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶手機(jī)。

　　4 結(jié)語

　　本智能家居系統(tǒng)提供廣泛的信息交互功能，優(yōu)化居住環(huán)境，幫助人們有效地利用空間、節(jié)約各種能源，實(shí)現(xiàn)了對(duì)家電、防盜報(bào)警、環(huán)境、設(shè)備等控制，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制功能，與其他系統(tǒng)的一大區(qū)別是加入了遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。由于物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)體系標(biāo)準(zhǔn)尚未統(tǒng)一，各種子系統(tǒng)較多等原因，系統(tǒng)的兼容性和穩(wěn)定性需要進(jìn)一步提高和改進(jìn)。

四、RS-485總線實(shí)現(xiàn)智能家居網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

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　　智能家居系統(tǒng)由一個(gè)主控制器和各節(jié)點(diǎn)模塊組成，主控制器有以ARM LPC2364為核心和MAX3088構(gòu)成的RS一485接口，可以掛接最多256個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

　　MAX3088芯片支持最大10 Mb／s的傳輸速度，使傳輸一些大數(shù)據(jù)量信息成為可能，而且還提高了系統(tǒng)通信的實(shí)時(shí)性。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　該系統(tǒng)通過以LPC2364為核心的主控制器連接外部Internet網(wǎng)絡(luò)和家庭RS一485網(wǎng)絡(luò)，摒棄了傳統(tǒng)的以家庭電腦為主控制器的方法，不僅節(jié)省了開支，而且省電節(jié)耗效果明顯。另外，保留了一個(gè)RS-232接口，以方便與家庭電腦通信，也為以后的系統(tǒng)升級(jí)提供了方便。LPC2364是飛利浦公司的一款帶有以太網(wǎng)控制器的ARM芯片，具有豐富的外設(shè)、較高的速度、工業(yè)級(jí)的控制標(biāo)準(zhǔn)，是穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的最佳選擇。其次，RS一485總線的掛接節(jié)點(diǎn)，按其功能可以分為家電控制模塊節(jié)點(diǎn)、安防控制模塊節(jié)點(diǎn)、燈光控制模塊節(jié)點(diǎn)等。

　　1 總體方案設(shè)計(jì)

　　智能家居系統(tǒng)包括多方面控制，如家電控制、安防報(bào)警控制、燈光控制、三表控制、門窗控制等。

　　每一方面的控制都包含了很多小的節(jié)點(diǎn)。本文選擇代表性較強(qiáng)的家電控制和安防監(jiān)控模塊進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)。

　　1.1 家電控制模塊

　　現(xiàn)代家庭中主要使用的電器的共同特點(diǎn)是繼電器控制。在家電的控制板上將功能繼電器相應(yīng)的控制線與模塊MCU連接，通過RS-485總線接口就可以方便地使用該系統(tǒng)進(jìn)行控制，如圖2所示。

　　使用7 bit輸入／輸出的達(dá)林頓管芯片MC1413驅(qū)動(dòng)繼電器，來控制相關(guān)的開關(guān)量。如對(duì)空調(diào)來說，溫度控制、風(fēng)向控制等是按鍵的開關(guān)量，都可以由繼電器來完成相應(yīng)的控制。考慮到要嵌入家電中，控制節(jié)點(diǎn)盡量做得精小，而且沒有復(fù)雜的控制對(duì)象，選用AT89C2051單片機(jī)作為控制器。RS-485通信接口使用MAX1487芯片，允許掛接125個(gè)家電，采用半雙工通信方式，通信速率為2.5 Mb／s。家電控制通信只是進(jìn)行控制命令和家電狀態(tài)信息的傳輸，數(shù)據(jù)量很小。該芯片通信速率能夠滿足要求。

　　1.2 安防監(jiān)控模塊

　　安防系統(tǒng)由煙霧傳感部分、煤氣傳感部分、實(shí)時(shí)監(jiān)控部分等組成，實(shí)現(xiàn)了防火、防煤氣中毒、防盜監(jiān)控等功能。這些組成部分由煙霧傳感器和煤氣傳感器等傳感器組成，結(jié)合A／D轉(zhuǎn)換芯片傳輸信息。

　　實(shí)時(shí)監(jiān)控部分采用Ovinmin公司生產(chǎn)的OV7141圖像采集芯片。OV7141是高度集成的攝像芯片，支持多種格式，內(nèi)設(shè)串行控制總線（serial Camera Control Bus，SCCB）接口，提供簡(jiǎn)單控制方式，可以對(duì)OV7141芯片內(nèi)部所有寄存器值進(jìn)行修改 。OV7141包含有8 bit數(shù)據(jù)（DO，D1，D7），同步信號(hào)VSYNC、HREF、PCLK，這些信號(hào)需要送給CPU以讀取圖像數(shù)據(jù)和保證同步。

　　由于OV7141默認(rèn)幀頻為30 Hz，像素為640×480= 307 200，在此幀頻下的圖像數(shù)據(jù)傳輸速率為9.216 MB／s。在不考慮同步的情況下已遠(yuǎn)超過串口的響應(yīng)速度，必須重新設(shè)置以降低幀頻和像素。

　　在該系統(tǒng)中對(duì)OV7141的訪問有：

　　① 設(shè)置地址號(hào)為0xl1的幀頻控制器CLKRC，以降低幀頻；

　　② 設(shè)置地址號(hào)為0x14的控制器COMC，以設(shè)置像素為320×240；

　?、?設(shè)置地址號(hào)為0x28的COMH，以設(shè)置掃描格式 。

硬件電路如圖3所示。

　　單片機(jī)89C51的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)只有128 ByteRAM，必須外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)圖片。由于單片機(jī)串口速度的限制，OV7141的像素設(shè)置為320×240，采集黑白圖片，這樣一幀圖片的存儲(chǔ)空間約為76 800 bit，即9.6 KB。外擴(kuò)一個(gè)比9.6 KB大的存儲(chǔ)器即可，選擇32 KB的62256芯片可存儲(chǔ)多幀圖片。

　　數(shù)據(jù)的傳輸速度受到串口速度的限制，必須提高串口波特率。根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，在使用串口傳輸方式3時(shí)，波特率可變，可以根據(jù)傳輸效果實(shí)時(shí)改變。表1所示是采用不同波特率時(shí)一幀（一幀按9.6 KB計(jì)算）圖片的傳輸時(shí)間。

　　2 網(wǎng)絡(luò)通信

　　2.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)構(gòu)成的多級(jí)系統(tǒng)常采用總線型主從式結(jié)構(gòu)。所謂主從式結(jié)構(gòu)，即在多個(gè)單片機(jī)中，一個(gè)主機(jī)負(fù)責(zé)通信管理，其余的都是從機(jī)，從機(jī)要服從主機(jī)的調(diào)度和支配。主機(jī)還負(fù)責(zé)通過網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。

　　在實(shí)際的多機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常采用RS一232、RS一422或RS一485串行標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)傳輸距離和通用性，選擇RS一485總線，單片機(jī)采用串行口工作方式3通信。

　　每個(gè)從機(jī)都有惟一的地址碼，該地址碼就是從機(jī)身份的識(shí)別標(biāo)志。

　　2.2 通信機(jī)制

　　系統(tǒng)采用了RS一485總線通信方式，如圖4所示。通信中采用“輪詢制”，中繼器作為主設(shè)備不斷向下發(fā)送設(shè)備請(qǐng)求應(yīng)答幀，而接人從設(shè)備不能主動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)。任何時(shí)刻，總線只處于一種方式，即接收數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)初始化一旦完成，總線即被置為接收狀態(tài)，當(dāng)從設(shè)備接收完主設(shè)備發(fā)來的消息后，立即通過軟件將總線置為發(fā)送狀態(tài)，等從設(shè)備發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)又立即轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)，等待主設(shè)備的請(qǐng)求幀。如果發(fā)來的請(qǐng)求幀中，設(shè)備ID地址和自身ID地址一致，接收設(shè)備就檢查這個(gè)幀是否正確。

　　表2所示為主機(jī)地址幀，從機(jī)的地址碼為00H，01H，02H，并用地址碼FFH命令從機(jī)復(fù)位。

　　表3所示為主機(jī)給從機(jī)的命令幀，OlH為主機(jī)命令從機(jī)接收數(shù)據(jù)，02H為主機(jī)命令從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　如表4所示，數(shù)據(jù)字描述的都是開關(guān)量的信息，可以作為狀態(tài)信息傳送給主機(jī)，也可作為主機(jī)發(fā)送的命令格式。

　　2.3 通信流程圖

　　通信流程圖如5所示。

　　3 結(jié)語

　　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低成本、長距離傳輸，滿足一般家庭的遠(yuǎn)程控制家電需求，具有較高的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

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