家庭智能控制系统的研究与设计毕业设计论文.docx

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家庭智能控制系统的研究与设计毕业设计论文

家庭智能控制系统的研究与设计

摘要

家庭智能化系统是20世纪70年代后期开始出现的，80年代中期，欧美市场上出现了智能控制机，1984年1月第一栋智能大楼在美国投入建成使用，自此，智能大楼在许多国家积极兴起。

同时，家庭、楼宇的智能化也成为适应人们对生活水平和生活质量需要提高的必然趋势，各种家庭控制系统应运而生。

我过在这方面的起步较晚，急需完成的是研制出实现基本功能又符合我过应用现状的家庭智能控制系统。

 从结构上，智能家居控制系统可采用先进的通讯总线方式或电力线载波通讯技术，其产品部件安装时无需对住宅内已有的居住环境进行大幅度的改造，无需复杂的布线及添置新的设备材料，只要将产品模块接入通讯总线或220V电力线网络即可形成控制系统[1]。

系统一般采用模块化设计，使用简单的编码指令，就可轻松进行扩展。

可先以低廉的价格安装基本系统后，再根据需要扩展更多的功能，进行系统功能添加，家居智能系统的扩充性非常强大。

关键词智能化系统、通讯总线、电力线载波、模块化、编码

Abstract

Intelligenthomesystemisthe20thcenturybegantoemergeinthelate70's,themid-80's,appearedontheEuropeanandAmericanmarketsintelligentcontrolplane,inJanuary1984thefirstintelligentbuildinghousesbuiltintheUnitedStatestheuseofinputs,sinceinmanyintelligentbuildingtheriseofnationalpositive.Atthesametime,thefamily,thebuildinghasbecometheintelligentadaptationofthestandardoflivingandqualityoflifeoftheinevitabletrendoftheneedtoimprove,andcontrolsystemofthefamilycameintobeing.InthisregardIhavebeenstartinglate,isinurgentneedofcompletionofthedevelopmentachievementofthebasicfunctionsandapplicationsinlinewiththestatusofmyfamilyhavebeenthesmartcontrolsystem.

      Fromthestructure,intelligenthomecontrolsystemusingadvancedcommunicationbusorpowerlinecarriercommunicationtechnology,theirproductswithoutcomponentsinstalledwithintheresidentiallivingenvironmenthasbeenasubstantialtransformation,theneedforcomplicatedwiringandinstallationofnewTheequipmentandmaterials,aslongastheproductmodulecommunicationbusaccessor220Vpowerlinenetworktoformacontrolsystem.Systemsgenerallyusethemodulardesign,theuseofsimplecodinginstructions,canbeeasilyextended.Canbeinstalledatverylowpricesforbasicsystemsandthenneedtobeextendedinaccordancewithmorefeatures,addfunctionalitytothesystem,smarthomesystemisverypowerfulscalability.

KeyWordsintelligentsystems,communicationsbus,powerlinecarrier,modularization,coding

1引言

1.1课题背景

随着计算机技术、现代通信技术、自动控制技术的迅速发展，智能化家电控制系统在世界应运而生。

智能小区在智能化大楼基础上扩展和延伸出来的，人们通过对小区建筑群的四个基本要素（结构、系统、服务、管理）进行优化考虑，提供一个投资合理，又拥有高效率、舒适、温馨、便利以及安全的人居环境。

为适应我国加快住宅建设发展，增强住宅建设的科技含量的要求，我国在继“解困”、“安居”工程后，又加大了小康工程的力度。

“智能型住宅家庭设施自动控制与管理系统应用研究”作为国家重大科技产业项目，就是这一背景下提出的。

从结构上，智能家居控制系统可采用先进的通讯总线方式或电力线载波通讯技术，其产品部件安装时无需对住宅内已有的居住环境进行大幅度的改造，无需复杂的布线及添置新的设备材料，只要将产品模块接入通讯总线或220V电力线网络即可形成控制系统。

系统一般采用模块化设计，使用简单的编码指令，就可轻松进行扩展。

可先以低廉的价格安装基本系统后，再根据需要扩展更多的功能，进行系统功能添加，家居智能系统的扩充性非常强大[2]。

攻关任务：

研究智能型住宅家庭设施自动控制与管理系统，该系统包括两项任务，其一是开发家用管理软件，其二是开发家庭智能控制装置，实现对家电控制进行自动检测；而家用电脑管理软件要对家庭设施进行管理并提供若干家政服务程序。

1.2应用前景及效益分析

建筑业是国家的支柱产业，住宅建设占总房产建设投资的80％左右，国家十分关注住宅建设，继“解困”、“安居”工程后，又努力实施“小康”工程。

为了加大“小康”工程力度，可见，投身于住宅小区智能化以及相关产品的研发，既有利于推动建筑业的发展，又能带来可观的经济效益和社会效益。

1.2.1国内智能小区市场预测

随着计算机技术、现代通信技术和自动控制技术等高新技术的延伸，智能建筑应运而生。

智能小区是智能大厦的基本含义中扩展出来的。

以1999年为例，国家在99年对住宅的投资1700～1800亿元人民币，根据建设部对小区初、中、高三个等级的划分，小区智能化为住宅小区总投资的1％～3％[3]。

以此比例计算，则仅99年度对小区智能化的需求就达17～54亿元人民币，而随着住房体制改革的不断深入及人们对住宅环境要求的不断提高，该数值还会将大幅度提高。

由此可见，小区智能化市场前景广阔。

1.2.2实用性及前瞻性

智能型住宅家庭设施自动控制与管理系统应用研究，该家庭智能控制器具有很强的灵活必一，根据用户需要，可以进行灵活配置，例如：

如果用户不需要该模块中的模拟输入，我们就会在设计硬件电路时预留同端口，而不焊接模数转换模块，这样可为用户省下投资，也为其将来扩展做好准备；12路数字输入点被开关量或脉冲信号来触发，其可以配置成电表水表煤气气输入，可以配置成安防信号输入，也可以是二者结合；12路输出只是一个开关信号，也可根据实际情况进行灵活配置。

总之，该家庭智能控制器即适合现在智能住宅的要求，也会在一定程度上满足将来发展的需要[4]。

家庭智能控制器再加上各种传感器构成的控制系统，其价格为4000元左右，即每个住户用于智能化投资在4000元左右，与当前国家制定普及型智能住宅价格（5000元）相比，相对价位下降20％；而从长远来看，随着人民生活水平的提高以及家庭智能控制器各类相关器件价格的下调，大多数用户对智能化的投资是可以接受的，并且其所带来的各种效益是无法估量的。

1.3调协的科学性和合理性

设置的科学性和合理性可从以下几方面反映出来：

1.3.1社会效益

以小康住宅智能化宗旨，旨在为人们提供舒适、安全、健康的环境。

这一方面提高了人们生活水平，另一方面也为人们的高效率快节奏提供了条件。

智能住宅设施的自动控制和管理，既需要相关行业的支持，也促进相关行业的发展。

智能住宅建设的兴起，将使许多相关企业投入建筑市场，又为许多人提供了就业机会。

此外，对于生产智能控制器的厂商来说，他们在推广应用这项成果中，将会获得可观的经济效益。

1.3.2在智能小区的地位

智能小区在智能化大楼的基础上扩展和延伸出来，人们通过对小区建筑群的四个基本要素（结构、系统、服务、管理）进行优化考虑，提供一个投资合理，又拥有高效率、舒适、温馨、便利以及安全的人居环境。

从以上的定义可以看出，人们通常提出的智能大厦的3A（建筑设备自动化、办公自动化、通信自动化）或5A（在“3A”的基础上加上安防自动化和防火自动化）也适合智能小区，所以智能小区的“智能”很大一部分都体现在其自动化的程度[5]。

此次国家制定的该课题与以往课相比，其对智能建筑的功能定位更加合理（功能多而必要），并且具有一定的前瞻性（厨房设备的自动化以及模拟量的引入随着人民生活的提高也将会被人们接受）。

总之，本专题对智能小区“智能”的研究，在智能小区的整体研究中起着相当重要的作用。

1.3.3未来市场走向

建筑业是国家的支柱产业，住宅建设将占房产建设投资的80％左右，其中对智能小区投资占总房产建设投资的8～24％，在这种背景下，国家将会进一步加大对智能化建筑的投资。

由于智能小区的概念是近几年才形成的，单个功能或系统如抄表、报警功能在一些住宅小区中已经有些应用，但是还没有哪个厂家能够推出从总体上设计和规划成熟的智能小区网络化综合管理系统，目前的市场还处于群龙无首阶段。

此时，国内市场急需一种性能价格比较高的智能化产品，这时研究智能型住宅家庭设施控制和管理系统将有更重要的意义。

1.3.4用户需求

随着生活水平的提高，一方面，人们对住宅的追求不仅仅局限于外表的装饰，人们对住宅的智能已经有了初步的认识；另一方面，在一些发达的城市中已经出现智能小区并为人们所接受，适合人们要求的智能化产品也具有很重要的意义。

1.3.5科技含量

可以说智能小区是随着计算机技术、通信技术、自动控制等的发展而提出和发展起来的。

智能小区的“智能”也可理解成为其科技含量，其科技含量的高低反映了智能小区智能化的水平。

采用的LONWORKS技术是最近几年内流行的先进的现场总线技术，运用该项技术研究并开发出基于该技术的产品，将更有利于该产品的推广，并且随着LONWORK技术本身的改进和提高，智能化产品也利于更新换代。

深圳市房地产一直处于良性发展中，发展商队除在住宅的平面布置、小区环境及建筑外立面很下功夫外，还将不同程度的智能引入住宅区。

自日本东京在1989年建成首例高水平智能化住宅区后，随即世界其他一些城市也相继建成不同程度和水准的智能住宅区。

概括地说，智能住宅区是指由网络连接的若干智能住宅及智能管理下各种公共设施的集合，通信技术、数据技术、网络技术及自动控制技术是智能建筑的支撑技术。

智能住宅基本标准应满足以下要求[6]：

A）提供舒适、安全、高品位、宜人的家庭空间；

B）信息高速公路进入家庭，提供快捷、全方位信息交换功能；

C）提供丰富多彩、高品位业余文化生活；

D）提供包括儿童教育、成人教育在内的多层次家庭和业余教育服务；

E）提供家庭保健、远程看护服务。

　　智能住宅区内的智能系统一般由通信、安全、管理、服务四个部分组成，家电自动控制系统局限在家庭住户内，通过一定程序控制家电开关，达到遥控空调、音响、窗帘等，住户内控制信号通过每户照明配电箱的照明分支回路传送。

该系统属锦上添花的智能系统，适合高档住宅如别墅。

家庭防盗报警系统是由保安中心管理主机、家庭报警器、各类传感器和传输缆线组成。

家庭被盗的切入点主要是门和窗，传感器对家庭重要地点和区域布防，品质齐全的传感器能代替传统家居内钢筋防盗网，让业主生活在更安全、舒适的环境。

总之，“智能家庭管理系统”的完成，一方面，为家庭设施智能化的可行性提供了依据；另一方面，也为制定家庭设施智能化规范提供了参考。

并且，开发出来的成果正在转换成产品，这进一步证明了研究的科学性和合理性。

1.4系统结构图的总体设计

1.4.1管理系统的设计

图1.1管理系统的设计

家庭信息终端管理系统是一个基于计算机网络系统的智能住宅控制系统，它是集住宅安全防范系统、小区物业管理系统于一体，通过计算机网络线路构成整个住宅小区的集中管理控制系统，主要综合了普通家庭的安全防范、可视对讲、三表抄送等功能，同时即有强大的联网功能，具体如下：

1）集中抄表功能：

家庭信息终端对家庭内各种计量表（如水、电、气表等）进行数据集中采集和计算，各种表的读数通过网络系统自动传送到管理控制中心，从而达到足不出户实现抄收、统计和计费等功能，既减少了烦琐的管理工作，又避免了对住户的干扰。

2）可视门铃功能

每幢楼的楼道口均设有门口机，当有客人来访时，业主可以从大屏幕彩色LCD屏上看到来访者的图象，并可以实现对讲，实现家庭可视门铃功能，加强了业主的安全防范功能。

3）安全防盗及各种意外报警：

安全防盗报警包括红外探测报警，门磁报警等，当有小偷从窗户爬进或强行撬门，家庭信息终端及时检测意外情况后，首先高分贝喇叭报警，对不法分子起到威慑作用，同时通过小区内部网络将报警信息上报给物业管理中心，便于保安及时赶到现场处理。

当发生火灾、煤气泄露等意外情况时[7]。

家庭信息终端也能通过传感器检测到，且及时切断煤气阀们，同时上报物业管理中心。

4）紧急求助功能

当家庭发生紧急情况需要求助时（如紧急病人需要求助、不法分子非法闯入等），业主可以立即按下紧急求助按纽，家庭信息终端将紧急求助信息通过小区内部网络上报给物业管理中心，物业管理中心能够派保安能赶赴现场处理，保障了住户的安全。

5）电子公告：

小区管理中心可以向住户发布各种电子公告（如小区通知、天气预报等信息）、家庭信息终端终端收到信息后能够在大屏幕真彩屏上显示出来并提醒住户阅读。

6）触摸屏操作

户所有的操作采用触摸屏的方式，由于内部集中了先进的GUI图形界面技术，实现了傻瓜化的界面操作，使得业主操作非常简单。

7）IC卡门禁功能：

可视对讲门口机集成在一起，采用射频IC卡的电子钥匙，便于对小区每栋楼封闭性管理。

8）灵活的网络配置：

整个智能小区够成一个强大的网络，且网络配置灵活，具有多种网络连接方式，如RS485总线、小区宽带网、电话线等，便于小区物业进行统一的管理。

1.4.2系统结构图的设计

现代通信正朝着适应知识密集型信息化社会各种通信要求的方向发展，世界上先进国家已完全掌握另外在各种传输介质中传送数字信号的技术通信系统的一般模型[8]，由此我总结本设计所需结构图如1.2所示：

图1.2结构图的设计

2单片机及存储器

2.1单片机简介

单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）简称单片机，又称微控制器（MicrocontrollerUnit）或嵌埋式控制器（EmbeddedController）,是将计算机的基本部件微型化，使之集成在一块芯片上的微机。

片内含有CPU、ROM、RAM、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断控制、系统时钟及系统总线。

单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能/价格比高、易于于推广应用等显著特点。

自1974年美国德克萨斯仪器公司推出第一个单片机以来，单片机在自动化装置、智能化仪表、过程控制和家用电器等领域得到日益广泛的应用和迅猛的发展。

近年来，单片机结合专用集成电路ASIC（AppliedSpecificIntegratedCircuit）和精简指令集计算机RISC（ReducedInstructionSetComputer）技术，发展成为嵌埋式处理器（EmbeddedProcessor），使得单片机可集成众多的硬件和软件，而成为更深意义上的单片应用机型，使其以更强的功能深入到数据、数值分析、信号处理、智能机器人及图像处理等技术领域。

从国内开发应用单片机的情况看，自80年代初起步以来，以Intel公司的MCS-48系列单片机为主导机种，率先渗入到微机控制的各个领域，并取得了一定的应用成果。

80年代中期以后，随着性能更强、速度更快的MCS-51系列加入国内单片机行列，单片机迅速得到了广泛的应用，获得了微机界的一致好评。

目前，单片机的开发和应用均以MCS-51系列为主，已成为我国8位单片机的主导机种。

随着功能不断完善的开发工具的推出，该系列单片机得到了进一步的应用，已在各个技术领域的科研和技术改造、产品开发中起着越来越大的作用。

2.2单片机技术

单片机具有性能稳定、工作可靠、价格低廉等特点，因此其应用相当广泛。

一个MCS51系列的单片机（如Atmel89cxx）内部包含有RAM、FLASHROM、两个或者三个16位的定时器/计数器、一个通用异步串行通信控制器（UART）等多种资源。

但即便如此，在一些相对复杂的单片机应用系统中，仅仅一个单片机资源还是不够的，因此而常常需要扩充I/O接口、定时器/计数器、串行通信接口、RAM、ROM等。

采用通用的标准器件进行扩充是通常的做法，但将单片机本身作为一个通用的扩充器件来使用，也不失为一个好的方法。

在这种情况下，一个系统中就使用了两个或两个以上的单片机，而单片机之间就要通过互连来进行数据通信。

MCS51系列的单片机（以下简称单片机）都带有串口[9]，利用串口进行互连通信极为方便，其各种连接方式在许多书籍和资料上都有介绍，在此不再重述。

但如果系统要求扩充的资源是对外连接的串口，或对相互之间的数据传送有一定的速度要求，则单片机的串口就不能用作系统内两单片机的通信接口了。

所幸的是，单片机的并行端口也能相互连接来进行数据通信。

根据单片机端口内部结构的特点，这些端口的端口线可以直接相连，从而使两单片机之间并行通信接口的实现不用另外的硬件电路设备。

基于这种情况，设计时，可根据不同的使用要求，来采用不同的并行连接方法。

2.3通信接口的实现方法

下面介绍在两个单片机之间进行三种并行通信接口的实现方法。

2.3.1单向并行通信接口的实现

在应用中，如果只需一个单片机向另一个单片机传送数据，则可以采用单向并行通信接口方式，这种方式较为简单。

单片机A为数据发送方，单片机B为数据接收方，8位端口可以是P0～3的任何一个。

数据传送的流程是：

单片机A将数据送到端口后，通过STB信号中断单片机B，单片机B进入中断并从端口读取数据，读完后，利用BUSY信号进行应答，单片机A在检查到端口线CHK上的应答信号后，就可以发送下一个数据了。

以上是采用中断方式进行数据传送的具体方法[10]。

当然，单片机B也可以采用查询方式接收数据。

利用单向并行通信接口方法的优点是可以充分利用单片机的资源来扩充整个系统的串行通信接口、并行接口、定时器等部件。

2.3.2主从并行通信接口的实现

主从并行通信接口的特点是两单片机之间能够通过并行通信接口将数据发送到对方，但这种方法必须有一个单片机处在主机状态，另一个单片机处在从机状态。

单片机A是主机，单片机B是从机，该接口使用了一个8位端口（如P0或P1）和4根控制信号线。

在主从工作方式下，该接口的工作方式有主机发送从机接收和主机接收从机发送等两种情况。

主机发送从机接收方式的主机工作流程

主发从收方式的工作流程如下[11]：

（1）主机设置数据传送方法控制位DIR为0，以表示主机有数据发送到从机；

（2）主机在STB端口产生一个负脉冲，以使从机进入中断，并准备接收数据；

（3）主机将数据送8位数据端口，再设定ACK信号表示数据有效；

（4）主机检查CHK端口，等待从机从8位端口取走数据；

（5）数据发送完成返回。

主机接收从机发送时的主机工作流程

主机接收从机发送方式时的工作流程如下：

（1）主机设置数据传送方向控制位DIR为1，以表示主机将从从机读取数据；

（2）主机在STB端口产生一个负脉冲，以使从机进入中断，并准备发送数据；

（3）主机查询CHK端口，等待从机将数据送到8位端口上；

（4）主机从8位端口上读取数据，再设定ACK信号以表示数据已被读取；

（5）数据接收完成返回。

从机工作流程

在主从并行通信接口工作方式下，无论从机是接收数据还是发送数据，都是在中断（也可以是查询方式）方式下进行的，从机的工作流程如下：

（1）进入中断服务程序；

（2）检查数据传送的方向；

（3）如果DIR为0，则等待CHK信号有效，再从8位端读取数据，读完后设定ACK信号有效；

（4）如果DIR为1，从机将数据送到8位端上，再设定ACK为有效，并等待主机取走数据（即CHK信号有效）；

（5）退出中断服务程序。

2.4存储器

下面分别介绍各组成部份硬件的结构,工作原理和操作方法:

M16C单片机有4个存储器空间，分别用来安排4种不同功用的存储器：

一、内部数据存储器；

二、特殊功能寄存器；

三、程序存储器；

四、外部数据存储器。

内部数据存储器和特殊功能寄存器集成于片内，程序存储器和外部数据存储器则安排在片外，用接口电路与单片机连接。

4种存储器中，除内部数据存储器和特殊功能寄存器是统一编址的除外，各存储器均分开编址，并用不完全相同的寻址方式来访问它们。

RAM，共128字节，地址范围为00H一7FH，前32个单元（地址00H一1FH）称为寄存器区。

其中，每8个寄存器形成-个寄存器组[12]。

具体说来：

寄存器0组地址00H一07H

寄存器1组地址08H一0FH

寄存器2组地址10H一17H

寄存器3组地址18H一1FH

通过对特殊功能寄存器PSW中RS1、RS0两位的编程设置），可选择任一寄存器组为工作寄存器组，方法如下：

RS1RSO所选中的寄存器组

00选中的寄存器0组

01选中的寄存器1组

10选中的寄存器2组

11选中的寄存器3组

当某一组被设定成工作寄存器组后，该组中的8个寄存器，从低地址到高地址就分别称为R0-R7，从而可以把它们用作通用寄存器，并可按寄存器寻址方式被访问。

一旦工作寄存器组被指定后，另外三组寄存器则同其它数据RAM一样，只能按字节地址被予以读写。

字节地址20H到2FH称为位地址区，共有16个字节，计128位，每位都有相应的位地址，位地址范围为00H—7FH，通过位寻址，可以对各位进行位操作。

由此可见，M16C单片机有着相当出色的位处理能力。

内部数据RAM中，既有字节地址，又有位地址，两者的地址范围都是00H一7FH，这在数据操作时应加以注意。

内部数据RAM通常用来存放运算过程的中间值，并用作堆栈区。

单片机具有64K字节的程序存储器空间。

其中片内没有程序存储器，必须在外部扩展程序存储器才能构成单片机应用电路。

扩展容量可为64K字节中的任一容量，并且常用EPROM或E2PROM的形式。

程序存储器中的某些地址被固定地用于特定程序的入口地址：

地址用途

0000H复位操作后的程序入口

0003H外部中断0服务程序入口

000BH定时器0中断服务程序入口