智能家居远程控制系统设计方案.docx

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智能家居远程控制系统设计方案

智能家居远程控制系统设计方案

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。

本文介绍的数字化家居控制系统可以使得人们可以通过手机或电话在任何时候、任意地点对家中的任意电器（空调、热水器、电饭煲、灯光、音响、DVD录像机）进行远程控制；也可以在下班途中，预先将家中的空调打开、让热水器提前烧好热水、电饭煲煮好香喷喷的米饭……；而这一切的实现都仅仅是打一个简单的电话。

此外，该系统还可使家庭具有多途径报警、远程监控等多种功能，如果不幸出现某种险情，您和110可以在第一时间获得通知以便进一步采取行动。

舒适、时尚的家居生活是社会进步的标志，智能家居控制系统能够在不改变家中任何家电的情况下，对家里的电器、灯光、电源、家庭环境进行方便地控制，使人们尽享高科技带来的简便而时尚的现代生活。

实现智能化离不开运算和控制单元，本系统采用MCU（*****C25P）作为主控器件，单片机应用系统由硬件和软件组成。

硬件由单片机扩展的存储器、输入/出设备以及各种实现单片机系统控制要求的接口电路和有关的外围电路芯片或部件组成；软件由单片机应用系统实现其特定控制功能的各种工作程序和管理程序组成。

在单片机应用系统开发的过程中，应不断调整软、硬件，协调地进行软、硬件设计，以提高工作效率，当系统硬件和软件紧密配合、协调一致，就可以组成高性能的单片机应用系统。

本课题完成了单片机应用系统其开发过程的系统的总体设计、硬件设计、软件设计和系统调试，根据开发的实际需要，相互协调、交叉，有机的进行。

本设计的MCU与各个芯片和模块的接口、各项标准都严格遵循国家有关标准，为以后的产品化提供了良好的基础。

本系统的电话远程控制是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*****TC35GSM模块TC35modem和TI公司的电平转换芯片*****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。

在设计本系统时，面对各种检测对象和大量控制单元，需要利用各种接口标准和MCU进行连接，再经过MCU进行数据处理，实现实时测控。

而此时采用单片机来实现智能家居控制系统不仅具有采集控制方便、简单、灵活等优点，而且可以大幅度提高采各模块和芯片的协调性，从而大大提高系统的可利用性。

此次系统设计统正是把MT8870、TC35modem与*****C25P单片机有机的结合起来，顺利的完成了本设计的要求。

并且实现

了学习型远程红外遥控功能，为控制红外家电和设备提供了良好的基础。

本系统也可应用于工农业中,实现对无人值守岗位的远程监控等。

1绪论

1.1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。

自从1876年，AlexanderGrahamBell（贝尔）发明电话以来，世界各国的电话网络发展非常迅速，近十年来，中国的固定电话业务呈现出举世瞩目的快速增长。

1997年8月局用电话交换机总容量突破1亿门，网络规模跃居世界第二位，2006年初固定电话用户总数达到*****.2万户，移动电话用户达到*****.2万户，现代电话网络是由程控交换机进行交换传输，移动通信也从模拟时代走向了高度数字化时代，它们的性能已经有了很大的进展，而且可靠性非常高。

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。

电话远程控制作为一较新的课题与常规的遥控方式相比，显示出一定的优越性，不需进行专门的布线，不占用无线电频率资源，避免了电磁污染。

同时，由于电话线路各地联网，可以充分利用现有的电话网，因此遥控距离可跨省市，甚至跨越国家。

另外电话属双工通信手段。

因此，这可以大大体现出利用电话进行遥控的更大优越性。

操作者可以通过各种提示音即时了解受控对象的有关信息，从而进行进一步的操作。

电话遥控部分课题目前已有涉足者，但是只是还只限于实验室阶段，因而距离实际应用，尤其是对于日常生活尚有一定的差距，并不能完全体现出电话遥控方式的双工通信特点。

本设计正是针对这一点进行了较大改进，采取单片机智能控制，利用不同的提示音达到对于不同操作的提示及对受控方状态的信息反馈，从而使操作者能够及时了解受控方信息，使产品达到交互式与智能化。

而且本设计的调试都是在线调试，已经在电信、铁通的交换机实验并且能够成功的使用移动电话进行操作。

短信息服务（ShortMessageService，SMS）是GSM（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。

1.2智能家居控制系统的概述

图1.1-1智能家居控制系统示意图

随着社会信息化的加快，人们的工作、生活和通讯、信息的关系日益紧密。

信息化社会在改变人们生活方式与工作习惯的同时，也对传统的住宅提出了挑战，社会、技术以及经济的进步更使人们的观念随之巨变。

人们对家居的要求早已不只是物理空间，更为关注的是一个安全、方便、舒适的居家环境。

家居智能化技术起源于美国，它是以家为平台进行设计的。

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。

1.3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。

1.4系统设计主要任务

本文利用*****C25P、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*****C25P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（*****C25P）、控制电路、电源电路等组成。

火灾烟雾传感器可燃气体传感器扩展信号A/D转换放大、整形放大、整形单片机信号分析处理短信息发送红外学习光电隔离功率器件程控交换信令执行器件LCD显示门窗磁信号电压转换RS232PC机电源电路语音提示控制电路

*****C25P单片机振铃检测模拟摘机DTMF解码

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