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智能家居控制系统论文

目录

引言：

21世纪是信息化的世纪，各种电信和互联网新技术推动了人类文明的巨大进步。

本系统的电话远程控制是基于电话交换网络的国际双音频通信标准DTMF通信方式，程控交换信令作为系统控制命令，采用MT8870双音频编解码电路实现，单片机通过MT8870识别来自电话程控交换机的网络的控制信号，用户只需拨通家中的电话可以根据系统的语音提示进行按键选择以实现用户身份的识别、远程控制和安防操作；各种传感器的检测是利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量，再经过单片机进行数据处理，实现实时测控；短消息发送部分采用基于SIEMENSTC35GSM模块TC35modem和TI公司的电平转换芯片MAX3238等器件构成的移动终端的硬件电路可以完成短消息收发等功能。

关键词：

新技术和自动化、智能家居控制系统、集成技术、家居传感器

1、课题背景

21世纪是信息时代，各种电信新技术推动了人类文明的进步。

正是因为通信技术、计算机技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适化、安全化。

这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居智能化也正是在这种形势下应运而生的。

智能家居控制系统的主要功能包括通信、设备自动控制、安全防范三个方面。

随着新技术和自动化的发展，传感器的使用数量越来越大，功能也越来越强，各种传感器都已经标准化、模块化这给智能家居控制系统的设计提供极大方便。

SM（GlobalSystemforMobileCommunication）系统中提供的一种GSM终端（手机）之间，通过服务中心（servicecenter）进行文本信息收发的应用服务，其中服务中心完成信息的存储和转发功能。

短信息服务作为GSM网络的一种基本业务，已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视，基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来。

由于GSM网络在全国范围内实现了联网和漫游，具有网络能力强的特点，用户无需另外组网，在极大提高网络覆盖范围的同时为客户节省了昂贵的建网费用和维护费用。

同时，他对用户的数量也没有限制，克服了传统的专网通信系统投资成本大、维护费用高、且网络监控的覆盖范围和用户数量有限的缺陷。

比传统的集群系统在无线网络覆盖上具有无法比拟的优势，加上GSM的SMS本身具备的数据传送功能，都使得这些应用得到迅速的普及。

利用GSM短信息系统进行无线通信还具有双向数据传输功能，性能稳定，为远程数据传送和监控设备的通信提供了一个强大的支持平台。

在此以GSM网络作为数据无线传输网络，它可以应用在银行、储蓄点机房监控、电信机房动力环境监控、通信行业远端无人值守站机房监控和远程维护（如移动通信基站、微波站、光纤中继站等）及其他无人值守点（如仓库、办公楼等）监控及城市公用事业实时监控维护系统像煤气调压站、自来水、污水管网和热力系统、电力系统城市中电网等情况中。

在此本系统采用了Siemens公司新一代无线通信GSM模块TC35是，它设计小巧、功耗很低很大程度上方便了智能家居控制系统的设计。

1.1智能家居控制系统的概述

智能家居控制系统是以HFC、以太网、现场总线、公共电话网、无线网的传输网络为物理平台，计算机网络技术为技术平台，现场总线为应用操作平台，构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的控制系统。

智能家居控制系统的总体目标是通过采用计算机技术、网络技术、控制技术和集成技术建立一个由家庭到小区乃至整个城市的综合信息服务和管理系统，以此来提高住宅高新技术的含量和居民居住环境水平。

大型的智能家居控制系统通常由系统服务器、家庭控制器（各种模块）、各种路由器、电缆调制解调器头端设备CMTS、交换机、通讯器、控制器、无线收发器、各种探测器、各种传感器、各种执行机构、打印机等主要部分组成。

1.2课题研究的目的及意义

智能家居控制系统可以定义为一个过程或者一个系统。

利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综合布线技术、将与家居生活有关的各种子系统，有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全、有效。

与普通家居相比，智能家居不仅具有传统的居住功能，提供舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间。

还将原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功能，帮助家庭与外部保持信息交换畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。

系统的网络化功能可以提供遥控、家电（空调，热水器等）控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段。

使生活更加舒适、便利和安全。

因智能家居控制系统布线简单、功能灵活，扩展容易而被人们广泛接受和应用。

1.3系统设计主要任务

本文利用SM8952AC25P、MT8870、TC35modem和各类家居传感器设计制作一款智能家居控制系统样机。

实验样机的设计包括：

系统硬件的设计与调试和控制软件的编写与调试。

（1）硬件部分

智能家居控制系统其硬件部分主要由五大部分构成，即电话交换网程控交换信令部分、控制单元、传感器数据采集系统、GSM模块TC35modem与接口和电源部分。

电话交换网程控交换信令部分主要由MT8870和电压检测元件组成，它是系统中控制部分关键的元件，它与控制单元组成控制部分功能；传感器数据采集系统、GSM模块TC35modem和控制单元完成报警等信号的处理和发送；电源部分则为各个部分提供工作电源。

（2）软件部分

软件设计部分主要由五大部分构成：

即数据采集与数据分析部分、电话交换网程控交换信令识别与分析部分、GSM模块TC35modem接口程序部分、分析控制部分。

其中数据采集与数据分析部分和电话交换网程控交换信令识别需要作实时处理；GSM模块TC35modem接口程序部分和分析控制部分则是根据采集和电话交换网交换信令进行分时操作有利于提高系统效率。

2方案设计

2.1系统总体设计与分析

本设计属于单片机应用系统。

确定单片机控制系统总体方案，是进行系统设计最重要、最关键的一步。

总体方案的好坏，直接影响整个控制系统的性能及实施细则。

总体方案的设计主要是根据被控对象的任务及工艺要求而确定的。

设计方法大致如下：

根据系统的要求，首先确定出系统是采用开环系统还是闭环系统，或者是数据处理系统。

选择检测元件，在确定总体方案时，必须首先选择好被测参数的测量元件，它是影响控制系统精度的重要因素之一。

选择执行机构，执行机构是微型机控制系统的重要组成部件之一。

执行机构的选择一方面要与控制算法匹配，另一方面要根据被控对象的实际情况确定。

选择输入/输出通道及外围设备。

选择时应考虑以下几个问题：

被控对象参数的数量；各输入/输出通道是串行操作还是并行操作；各通道数据的传递速率；各通道数据的字长及选择位数；对显示、打印有何要求；画出整个系统流程图和原理图。

2.1.1单片机控制部分

本系统是单片机在系统检测以及工程控制方面的应用，其特点是体积小，成本低，功能强，功耗低，是微机应用产品化的最佳机种之一，它已广泛地应用在产品智能化和工业自动化上。

而把单片机面向工控领域对象，嵌入到工控应用系统中，实现嵌入式应用的计算机称之为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。

嵌入式系统一般分为四种:

工控机，通用CPU模块，嵌入式微机处理，单片机。

嵌入式系统具有以下特点：

（1）面对控制对象。

如传感信号输入、人机交互操作,伺服驱动等。

（2）嵌入到工控应用系统中的结构形态。

（3）能在工业现场环境中可靠运行的品质。

（4）突出控制功能。

如对外部信息的捕捉、对控制对象实时控制和有突出控制功能的指令系统（I/O控制、位操作和转移指令等）。

单片机有惟一的专门为嵌入式应用系统设计的体系结构与指令系统，最能满足嵌入式应用要求。

单片机是完全按嵌入式系统要求设计的单芯片形态应用系统，能满足面对控制对象、应用系统的嵌入、现场的可靠运行及非凡的控制品质等要求，是发展最快、品种最多、数量最大的嵌入式系统。

2.1.2系统工作流程部分

图2.1-1系统工作流程

2.2远程控制设计与分析

2.2.1控制系统设计分析

系统控制器由MT8870接收远端发送来的DTMF信号、并对其进行解码，解码后的信号由中央处理单元采集处理。

为了方便用户使用，系统设计了语音提示界面。

电话远程控制系统一般工作在无人值守环境，所以应具有自动离线、上线、复位功能。

为了符合

智能化要求，系统采用SM8952AC25P作为中央处理器。

同时，电话远程控制系统正常工作还需电源供电电路、驱动电路等辅助电路。

系统组成框图如图2.2-1示。

由图可知，系统主要由振铃检测电路、模拟摘挂机电路、DTMF音频解码电路、语音提示电路、中央处理单元（SM8952AC25P）、控制电路、电源电路等组成。

图2.2-1远程控制系统

控制器并联于电话机的两端，不会影响电话机的正常使用。

用户通过异地电话拨通控制器所连接外线的电话号码，通过程控交换机向电话机发出振铃信号。

控制器检测到六次振铃后，即六次响铃后无人接听时电话自动摘机，进入密码检测阶段，输入正确密码后选择被控电器，然后输入开或关密码遥控被控电器，完成后返回。

2.2.2控制要求

完成远程控制部分必须完成一下要求：

（1）通过电话网对异地的电器实现控制（开/关）。

（2）控制器可以实现自动模拟摘挂机。

（3）控制器设置密码校验。

2.2.3单元功能模块

本设计此系统必须具有以下单元功能模块：

（1）铃音检测、计数；

（2）自动摘挂机；

（3）密码校验；

（4）在线修改密码；

（5）双音频信号解码；

（6）输入信息分析；

（7）控制电器开关；

（8）电器状态查询；

2.2.4软硬件方案确定

根据电话机和交换机发出的不同信号音以及电话线各种状态的不同要求，本设计方案结合实际情况对具体的单元功能模块作出软件或硬件上作了以下分工：

交换机所发出的各种信号音都大多数可以通过软件编程来识别，即通过单片机发出的脉冲信号来检测信号音单位时间内的脉冲个数计算出其频率，从而完成信号音的识别。

但从系统的可靠性和程序的结构设计上分析，用硬件来解决振铃音检测、双音频信号解码等功能相对稳定可靠。

设计中自动摘挂机和电器的控制必须使用具体硬件电路来实现。

而振铃音计数、密码校验、在线修改密码、输入信息分析、电器状态查询等功能模块使用软件编程方式要比硬件电路简单的多，易于实现。

综上所述，本设计信号音检测、自动摘挂机、控制电器、双音频解码等功能模块使用硬件电路实现。

而信号音计数、密码校验、在线修改密码、信息分析、电器状态查询等功能模块使用软件编程完成。

2.3传感器信号采集设计与分析

2.3.1防火灾发生传感器

火灾烟雾传感器是一种在消防管理、安全防范系统中常用的报警器材，它工作可靠、体积小巧，火灾烟雾传感器是把烟雾信号转换为电信号，电路设计时可以在背后设计专用的卡口以便地固定在墙体或者天花板上，使用时通过设置在厨房的感温探测器和设置在客厅、卧室等的感烟探测器，监视各个房间内有无火灾的发生。

如有火灾发生控制器发出声光和短信报警信号，通知家人及小区物业管理部门。

家庭控制器还可以根据有人在家或无人在家的情况，调节感温探测器和感烟探测器的灵敏度。

本系统采用NIS-09C型烟雾传感器。

2.3.2可燃气体泄漏传感器

通过设置在厨房的可燃气体探测器，监视燃气管道、灶具有无燃气泄漏。

如有燃气泄漏家庭控制器发出声光报警信号，并联动关闭燃气管道上的电磁阀，同时短信通知家人及小区物业管理部门。

这里采用TP-2高温型一氧化碳传感器报警器需在一氧化碳浓度达到设定制值时系统应启动报警。

2.3.3防盗传感器

防盗报警的防护区域分成两部分，即住宅周界防护和住宅内区域防护。

住宅周界防护是指在住宅的门、窗上安装门磁开关，在对外的玻璃窗、门附近安装玻璃破碎探测器；住宅内区域防护是指在主要通道、重要的房间内安装被动红外探测器或被动红外／微波双技术探测器。

当家中有人时，住宅周界防护的防盗报警设备（门磁开关、玻璃破碎探测器）设防，住宅内区域防护的防盗报警设备（红外探测器或被动红外／微波双技术探测器）撤防。

当家人出门后，住宅周界防护的防盗报警设备（门磁开关、玻璃破碎探测器）和住宅内区域防护的防盗报警设备（被动红外探测器或被动红外／微波双技术探测器）均设防。

当有非法侵入时，家庭控制器发出声光报警信号，并短信通知家人及小区物业管理部门。

另外，通过程序可设定报警装置的等级和报警器的灵敏度。

2.3.4信号采集设计与分析

传感器是将外界信息转换成电信号的装置，其中的电信号包括数字信号和模拟信号，数字信号可以通过电气隔离直接送给单片机或微型计算机进行处理，模拟信号则利用数据采集系统将多路被测量值转换成数字量，再经过单片机或微型计算机进行数据处理，实现实时测控。

2.4GSM模块的接口与设计

2.4.1TC35模块组成

Siemens公司的TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM射频模块、供电模块（ASIC）、闪存、ZIF连接器、天线接口六部分组成。

作为TC35的核心，基带处理器主要处理GSM终端内的语音、数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有的模拟和数字功能。

在不需要额外硬件电路的前提下，可支持FR、HR和EFR语音信道编码。

2.4.2TC35模块通信电路

数据通信电路主要完成短消息收发、与微机机通信、软件流控制等功能。

TC35的数据接口采用串行异步收发，符合ITU-TRS-232接口电路标准，工作在CMOS电平（2.65V）。

数据接口配置为8位数据位、1位停止位、无校验位，可以在300bps～115kbps的波特率下运行，支持的自动波特率为4.8kbps～115kbps（14.4kbps和28.8kbps除外）。

TC35模块还支持RTS0/CTS0的硬件握手和XON/XOFF的软件流控制。

2.4.3TC35模块与MCU连接方式

单片机与TC35一般采用串行异步通信接口，具有红外和通信电缆两种连接方式其中电平转换及串口通信功能以TI公司的MAX3238芯片为核心，通信速度可设定，通常为19200bps。

采用红外接口的优点是单片机系统与手机电气隔离，相互不干扰，接口各自独立，使用方便；缺点是通信距离较短，红外传播的方向性对接口相对位置有要求。

采用电缆连接时，数据传输的可靠性较好；其主要缺点是接口的电气参数不兼容，设计不当时就会对手机的通信质量产生影响。

这个单片机系统其实就是一个具有GPRS功能的GSM手机模块加上单片机控制系统，GSM手机模块主要是用来建立无线信道，接收和发出短消息。

单片机系统用来控制手机模块，并且对收到的短消息信息进行解释并执行，目前全国共有8种短消息格式包含从互联网平台发出的短消息。

本系统采用通信电缆的连接方式。

2.5红外学习遥控设计

2.5.1红外学习遥控的设想

对于空调、电视等需要红外遥控器才可控制的红外控制类家电仅靠接通交流电源是无法使其进入工作状态的。

因此本人提出使用红外遥控进行对空调以及其他红外电气的控制方案，使系统具有的红外学习功能可实现对这类家电的有效控制。

又如红外插座、红外开关等，虽然红外遥控在家电产品中有广泛应用，但各产品的遥控器不能相互兼容，目前市面上常见的万能遥控器只能对某几种产品进行控制，不是真正的“万能”。

本系统可以学习并记忆各种红外控制类家电的遥控指令，利用单片机对遥控器的发射信号的波形进行测量，然后将测量的数据回放，由于只关心发射信号波形中的高低电平的宽度，不管其如何编码，因此做到了真正的“万能”。

也为整个控制器的实现提供了良好的基础。

当用户可以通过任意操作方式对这类家电进行控制时，红外插座或开关会向受控电器发送相应的红外遥控指令，从而控制电器的运行状态。

2.5.2红外学习遥控的实现

经过充分的论证和研讨，本系统采用各设备集中控制的方式实现。

集中各设备的方法是首先对各设备的红外遥控信号进行识别并存储，然后在需要时进行还原，以控制对应设备动作。

由单片机构成集中控制器，它是自学习与还原的核心部分，红外接收部分由CX20106解调电路或一体化红外接收头组成，发射部分有红外发光管极其驱动部分组成。

通常，红外遥控器将遥控信号调制在38KHz的载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管，转化为红外信号发射出去。

二进制脉冲码的形式有多种，其中最为常用的是PWM码（脉冲宽度调制码）和PPM码（脉冲位置调制码）。

PWM码以宽脉冲表示1，窄脉冲表示0。

PPM码脉冲宽度一样，但是码位的宽度不一样，码位宽的代表1，码位窄的代表0。

遥控编码脉冲信号（以PPM码为例）通常由引导码、系统码、系统反码、功能码、功能反码等信号组成。

引导码也叫起始码，由宽度为9ms的高电平和宽度为4.5ms的低电平组成（不同的遥控系统在高低电平上有一定的区别），用来标志遥控编码脉冲的开始。

系统码也叫识别码，它用来指示遥控系统的种类，以区别其他遥控系统，防止各种遥控系统的误操作。

功能码也叫指令码，它代表了相应的控制功能，接收机中的微控制器可根据功能码的数值完成各种功能操作。

系统反码与功能反码是系统码与功能码的反码，反码的加入是为了能在接收端校对传输过程中是否产生差错。

为了提高抗干扰性能和降低电源消耗，将上述的遥控编码脉冲对频率为38KHz（周期为26.3ms）的载波信号进行脉幅调制（PAM），再经缓冲放大后送到红外发光管，将遥控信号发射出去。

由于遥控器的二进制编码脉冲有一定的宽度，而且它的高低电平均不断的交替变化，因此容易让我们想到一种容易且方便的方法，脉宽测量。

虽然它的二进制脉冲的高低电平的宽度有所不同，但它们大都是毫秒级的，因而，采用单片机的定时器来测量它的脉冲宽度，然后存储，还原是完全可以实现的。

实际证明这种思路是可行的，而且电路简单，容易实现。

3硬件电路设计

3.1相关芯片及模块简介

3.1.1MCUSM8952AC25P简介

SM8952C25的最高主频为25MHz,内带8KB闪存的MCU，SM8951/8952系列产品是内嵌4/8K字节闪存的8位单片微控制器它具有多达32个I/O口其4K/8K的闪存既可作程序存储空间也可以作数据存储空间或程序数据混合空间这些硬件特征和其强大的指令系统和其自带可编程看门狗使它能应用于不同的场合，因此是一种通用的和性能价格比高的控制器，SM8951/8952允许用户还可以通过置位SCONF寄存器的位0（ALE1）来降低EMI，其中的看门狗定时器（WDT）是1个16位自运行计数器在计数器溢出时会产生复位信号。

WDT对那些易受噪声干扰电压波动或放电现象影响的系统很有用在程序跑飞或死机的情况下，WDT可以使用户程序脱离不正常状态。

WDT不同于8052系统的定时器0定时器1和定时器2。

通过软件周期性的清除WDT计数器的值可以防止WDT产生复位信号。

片上闪存可以使用商用编程器进行编程。

3.1.2双音多频收发器MT8870简介

MT8870是一种带呼叫进展过滤器的单片双音多频收发器。

它包括一个带增益可调放大器的DTMF接收器和一个DTMF发送器。

其中滤波电路采用高频群和低频群两个六阶开关电容带通滤波器，解码采用数字计数器技术来确定输入的DTMF音调的频率，并将其译成标准的四位二进制码。

发送器采用开关电容D/A变换器。

片内使用了一个脉冲计数器，能合成精确的音调脉冲，保证音调脉冲准确的定时发送。

MT8870提供了一个标准的微处理器总线接口，可以直接与MCS-51系列MCU和微机接口。

它还可以选用呼叫进展方式工作，通过呼叫进展滤波器来检测特定通带内的信号频率，供微处理机或计数器电路分析，以确定检测到的呼叫进展音的性质。

它从接收端接收来自电话机的双音多频脉冲信号该双音多频信号先经其内部的拨号音滤波器，滤除拨号音信号，然后经前置放大后送入双音频滤波器，将双音频信号按高，低音频信号分开，再经高，低群滤波器，幅度检测器送入输出译码电路，经过数字运算后，在其数据输出端输出相对应的8421码。

3.1.3ISD2500系列单片语音录放简介

美国ISD公司的2500芯片，按录放时间60秒、75秒、90秒和120秒分成ISD2560、2575、2590和25120四个品种。

ISD2500系列和1400系列语音电路一样，具有抗断电、音质好，使用方便等优点。

它的最大特点在于片内E2PROM容量为480K（1400系列为128K），所以录放时间长；有10个地址输入端（1400系列仅为8个），寻址能力可达1024位；2500系列最多可分为600段，只要在分段录/放音操作前（不少于300纳秒），给地址A0~A9赋值，录音及放音功能均从设定的起始地址开始，录音结束由停止键操作决定，芯片内部自动在该段的结束位置插入结束标志（EOM）；而放音时芯片遇到EOM标志即自动停止放音，设有OVF（溢出）端，便于多个器件级联。

3.1.4固态继电器（SSR）简介

继电器是本系统的执行机构，本系统选用D4810型固态继电器，固态继电器（SSR）与机电继电器相比，是一种没有机械运动，不含运动零件的继电器，但它具有与机电继电器本质上相同的功能。

SSR是一种全部由固态电子元件组成的无触点开关元件，他利用电子元器件的点，磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管，功率场效应管，单项可控硅和双向可控硅等器件的开关特性，来达到无触点，无火花地接通和断开被控电路。

固态继电器有三部分组成:

输入电路，隔离（耦合）和输出电路。

安输入电压的不同类别，输入电路可分为直流输入电路，交流输入电路和交直流输入电路三种。

有些输入控制电路还具有与TTL/CMOS兼容，正负逻辑控制和反相等功能。

固态继电器的输入与输出电路的隔离和耦合方式有光电耦合和变压器耦合两种。

固态继电器的输出电路也可分为直流输出电路，交流输出电路和交直流输出电路等形式。

交流输出时，通常使用两个可控硅或一个双向可控硅，直流输出时可使用双极性器件或功率场效应管。

固态继电器有寿命长、可靠性高、灵敏度高、控制功率小、电磁兼容性好、快速转换、电磁干扰小的优点。

D4810型继电器输入电流为5-40mA，电压3－30V，额定输出电流10A，输出电压范围宽为20-220V，满足项目的要求。

3.2远程控制电路设计

3.2.1振铃检测电路

振铃检测电路如图3.2-1所示，图中二极管有2种作用：

（1）将不确定的线路供电正负变为固定的正负输出；

（2）将交流的振铃信号变为脉动直流以供检测。

当没有振铃信号时，线路上的供电电压为48V（部分交换机为60V），经四个二极管构成的全桥整流后，不足以使62V稳压管导通，振铃信号输出端电压接近0V，当振铃信号到来时，线路上的90V交流振铃信号经全桥整流变换后90V的脉动直流电，其峰值足以击穿耐压值为62V稳压管，经电阻R1给U1提供电压，从光电耦合器输出的波形是时通时断的方波方波信号，可以直接输出至单片机的中断输入口，CPU可以根据振铃信号光电转换后的高低电平检测有无振铃。

其中通过光电耦合一次侧的输入及的电流为：

（3-1）

即R1取5.1K满足设计要求。

电路中光电耦合U1隔离了振铃信号和单片机的直接连接，光电耦合器以光电转换原理传输信息，它不仅使信息发出端（一次侧）与信息接收并输出端（二次侧）是绝缘的，从而对地电位差干扰有很强的抑制能力，而且有很强的抑制电磁干扰能力。

保护单片机也提高了稳定性。

3.2.2模拟摘挂机电路

设计主要思路：

根据ITU及国家标准规定：

不论任何电话机，摘机状态的直流电阻应≤300Ω，有“R”键的电子电话机的摘机状态直流电阻应≤350Ω。

在挂机状态下，其漏电流≤5μA。

当用