摘 要：介紹的智能家居控制系統(tǒng)采用雙單片機(jī)協(xié)同控制，通過(guò)控制雙音多頻和語(yǔ)音模塊，實(shí)現(xiàn)了具有語(yǔ)音提示和識(shí)別以及人機(jī)鍵盤對(duì)話和語(yǔ)音反饋等功能。對(duì)該控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明，實(shí)現(xiàn)方案總體低成本低，兼容性好，實(shí)用性強(qiáng)，值得推廣使用。

　　所謂智能家居是指借助于綜合布線，通過(guò)綜合配置住宅區(qū)內(nèi)的各功能子系統(tǒng)，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)住宅內(nèi)各種設(shè)備實(shí)行自動(dòng)化管理的新型住宅。

　　在我國(guó)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的迅速提高，特別是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，高科技產(chǎn)品改變了人們生活習(xí)慣，提高了人們生活質(zhì)量，促進(jìn)了家庭生活現(xiàn)代化，居住環(huán)境舒適化和安全化，人們對(duì)基于個(gè)性化的智能家居需求逐漸增大。我國(guó)智能家居建設(shè)發(fā)展速度很快，已建立起了一些具有一定智能化管理功能的住宅。本文介紹一種智能家居的手機(jī)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　本文所述的家庭智能家居系統(tǒng)采用手機(jī)通訊，由兩個(gè)串聯(lián)的單片機(jī)構(gòu)成控制主機(jī)的，利用電力線載波通訊作為家居底層通訊網(wǎng)絡(luò)，這樣構(gòu)成的家居用電設(shè)施實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，有其無(wú)法比擬的優(yōu)越性。這種設(shè)計(jì)理念也已推廣應(yīng)用于智能大廈和智能小區(qū)管理中。

　　用戶在戶外通過(guò)移動(dòng)手機(jī)（GSM 通訊）或者固定電話（語(yǔ)音通訊）對(duì)住宅內(nèi)控制系統(tǒng)主機(jī)中的GSM（Global System for Mobile Communications）模塊發(fā)出語(yǔ)音控制指令，接到用戶指令經(jīng)單片機(jī)處理后，通過(guò)電力線載波PLCC（Power LineCarrier Communication）模塊與各被控分機(jī)進(jìn)行通信，分機(jī)根據(jù)主機(jī)發(fā)送的指令將住宅內(nèi)各被控設(shè)施工作狀態(tài)回饋給主機(jī)，主機(jī)再將被控設(shè)施的工作狀態(tài)通過(guò)GSM 模塊反饋語(yǔ)音提示給通話用戶，用戶再根據(jù)語(yǔ)音提示反饋的情況，通過(guò)返回信號(hào)給控制系統(tǒng)主機(jī)發(fā)出控制指令，主機(jī)指揮分機(jī)對(duì)各被控設(shè)施工作狀態(tài)做出相應(yīng)控制，以此來(lái)實(shí)施用戶對(duì)住宅設(shè)施工作狀態(tài)的了解和控制，如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)工作原理框圖

　　1.1 微處理器

　　智能家居控制系統(tǒng)采用雙單片機(jī)MCU1（Micro Control Unit 1）和MCU2（Micro ControlUnit 2）諧調(diào)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)家居系統(tǒng)中電器設(shè)施的遠(yuǎn)程監(jiān)控操作功能，解決了測(cè)量和控制與監(jiān)測(cè)及信息回饋之間的矛盾，從而提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及效果穩(wěn)定性且價(jià)格較為經(jīng)濟(jì)。

　　控制系統(tǒng)主機(jī)中的兩個(gè)單片機(jī)串聯(lián)。MCU1經(jīng)由語(yǔ)音模塊通過(guò)GSM 模塊向用戶發(fā)出和接收相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，反饋控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，用戶再根據(jù)反饋情況通過(guò)GSM 模塊發(fā)出指令，指示控制系統(tǒng)使家居電控設(shè)施做出相應(yīng)控制動(dòng)作；單片機(jī)MCU1 做出相應(yīng)的控制是要將數(shù)據(jù)傳到MCU2,MCU1 首先要向MCU2 發(fā)出中斷指令使之進(jìn)入中斷狀態(tài)，MCU1 再將數(shù)據(jù)串行送到MCU2 中，MCU2 上接有液晶顯示器LCD（Liquid Crystal Display），用以顯示控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)，MCU2 上連接的鍵盤用來(lái)供用戶實(shí)時(shí)輸入相關(guān)控制指令。這樣，當(dāng)控制系統(tǒng)主機(jī)接聽用戶來(lái)電詢問(wèn)和指示時(shí)，可以同時(shí)執(zhí)行相關(guān)指令或者按鍵控制。

　　1.2 控制指令收發(fā)模塊

　　由于GSM 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有防盜拷能力佳，網(wǎng)絡(luò)容量大，手機(jī)號(hào)碼資源豐富，通話清晰，穩(wěn)定性強(qiáng)不易受干擾，信息靈敏，通話死角少，手機(jī)耗電量低等應(yīng)用特點(diǎn)，極大地方便了用戶對(duì)智能家居的實(shí)時(shí)監(jiān)控。控制系統(tǒng)主機(jī)GSM 模塊采用Siemens 公司的TC35 模塊，該模塊部件基帶處理器主要處理GSM 終端內(nèi)的語(yǔ)音、數(shù)據(jù)信號(hào)，并涵蓋了蜂窩射頻設(shè)備中的所有的模擬和數(shù)字功能。TC35 模塊自帶RS232 通訊接口，可以方便地與PC 機(jī)、單片機(jī)連機(jī)通訊，快速安全可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語(yǔ)音傳輸、短消息服務(wù)和傳真。

　　1.3 雙音多頻通訊

　　雙音多頻DTMF（Dual Tone Multi Frequency）電路中使用的關(guān)鍵功能部件是MT8870 解碼芯片，該芯片接收控制主機(jī)中GSM 模塊接收到的由用戶通過(guò)手機(jī)發(fā)來(lái)的雙音多頻模擬信號(hào)，首先通過(guò)雙音濾波器初濾后的信號(hào)再經(jīng)高群濾波器和低群濾波器分別濾出其中的高頻和低頻分量，兩種分量經(jīng)過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換后送給數(shù)字檢測(cè)計(jì)算電路，生成4 個(gè)高頻信號(hào)和4 個(gè)低頻信號(hào)組成4 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)由微處理器MCU1 從數(shù)據(jù)總線端口讀入，完成對(duì)雙音多頻信號(hào)的收取。芯片中的數(shù)字檢測(cè)計(jì)算電路對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)一步優(yōu)化，避免MCU1 收取錯(cuò)誤信號(hào)。

　　1.4 語(yǔ)音模塊

　　智能家居控制系統(tǒng)主機(jī)中的語(yǔ)音模塊電路主要由單片機(jī)MCU1、ISD4004 語(yǔ)音芯片和LM386功率放大器等電路構(gòu)成。語(yǔ)音模塊主要用來(lái)接收來(lái)自控制電路的串行數(shù)據(jù)流并鎖存，完成地址碼的查找，錄放音等操作，并向音頻放大電路提供音頻電流。控制系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的語(yǔ)音提示、應(yīng)答和查詢等功能由單片機(jī)MCU1 與ISD4004 之間的通訊來(lái)完成。ISD4004 語(yǔ)音芯片通過(guò)單片機(jī)MCU1 的內(nèi)置串行外設(shè)接口SPI （ SerialPeripheral Interface）送入操作命令，它采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，將經(jīng)放大后的輸入語(yǔ)音信息以接近原始模擬量的形式存儲(chǔ)。在放音時(shí)，錄入的模擬電壓在采樣時(shí)鐘的控制下順序地從存儲(chǔ)陣列中讀出，輸出通道上的平滑濾波器去掉頻率分量并恢復(fù)成原始采樣波形，經(jīng)LM386 功率放大器放大，然后經(jīng)過(guò)變壓器耦合到GSM 模塊上發(fā)送給用戶或接收用戶發(fā)出的模擬指令，實(shí)現(xiàn)與用戶的人機(jī)對(duì)話，或驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)配置的揚(yáng)聲器發(fā)音。

　　1.5 電力線載波

　　電力線載波PLCC （ Power Line CarrierCommunication）是電力系統(tǒng)特有的基本通信方式，是指利用現(xiàn)有電網(wǎng)低壓電力線，通過(guò)電力線調(diào)制器以載波的方式將數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、圖像等模擬或數(shù)字信號(hào)加載于電力線進(jìn)行高速傳輸，再由接受信息的調(diào)制解調(diào)器（俗稱電力貓）把信號(hào)從電流中解調(diào)出來(lái)，并傳送到終端設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)信息傳遞的技術(shù)。采用PLCC 通信技術(shù)具有信息傳輸穩(wěn)定可靠，路由合理，可同時(shí)復(fù)用信號(hào)，不再需要投入鋪設(shè)控制線路資金，將原來(lái)房間中的電源插座變?yōu)樾畔⒉遄忍攸c(diǎn)。把電力線通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)、微控制器結(jié)合起來(lái)，使電力線和信號(hào)線的功能合二為一，把分布在住宅各個(gè)角落的微控制器和家電設(shè)施連成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，是在現(xiàn)有住宅電力線路布線的基礎(chǔ)上推進(jìn)家庭自動(dòng)化的現(xiàn)實(shí)和經(jīng)濟(jì)的途徑。

　　電力線載波局端在主機(jī)內(nèi)與MCU2 進(jìn)行串行通信，接受控制指令并向主機(jī)反饋控制對(duì)象的工作狀態(tài)。該模塊集成了所有載波收發(fā)電路，為實(shí)現(xiàn)與被控對(duì)象之間的通信，僅需外接配套供應(yīng)的耦合線圈及隔離高壓電容，就可以方便地組成完整的電力載波應(yīng)用系統(tǒng)，即將MCU2 發(fā)出的控制信號(hào)調(diào)制到220V 電力線上和解調(diào)出電力線上的反饋信號(hào)傳入MCU2。

　　在各個(gè)電力線載波終端上，均內(nèi)置有增強(qiáng)型8 位處理器，其內(nèi)核是全面兼容51 指令集的多級(jí)流水線指令架構(gòu)MCU,同時(shí)提供對(duì)程序存儲(chǔ)器的在系統(tǒng)編程能力，方便開發(fā)人員反復(fù)編程調(diào)試。

　　在每個(gè)終端上還內(nèi)嵌有顯示各終端控制設(shè)施的工作狀態(tài)的LCD 驅(qū)動(dòng)電路。終端模塊內(nèi)嵌了載波防沖突機(jī)制，允許多套載波設(shè)備同時(shí)收發(fā)數(shù)據(jù)。正是采用了這種大規(guī)模集成模塊，控制系統(tǒng)具有低成本、低功耗、多功能、高可靠性等傳統(tǒng)系統(tǒng)所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用舉例

　　2.1 日光燈調(diào)光模塊

　　日光燈調(diào)光模塊由IRS2530D 及外圍電路組成，集調(diào)光控制和半橋驅(qū)動(dòng)電路為一體，顯著簡(jiǎn)化了熒光燈可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器電路的設(shè)計(jì)并提高它的性能和它的性能。IRS2530D 采用IR 的電子鎮(zhèn)流器技術(shù)和高壓集成電路技術(shù)，保功能齊全。DC 調(diào)光輸入電壓基準(zhǔn)與AC 燈電流反饋信號(hào)疊加，由半橋驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)單引腳調(diào)光控制，構(gòu)成的電子鎮(zhèn)流電路工作可靠性高，縮短了電子鎮(zhèn)流器的設(shè)計(jì)周期。

　　2.2 煙霧報(bào)警

　　煙霧報(bào)警器利用煙霧中的顆粒折射紅外光的原理，電路主要由紅外發(fā)生部分和接收部分組成。

　　在無(wú)煙霧狀態(tài)下，傳感器只接收到很弱的紅外光，當(dāng)有煙霧紅外光進(jìn)入光學(xué)迷宮時(shí)，經(jīng)智能報(bào)警電路判斷一旦超過(guò)設(shè)定閾值，則發(fā)出警報(bào)。該報(bào)警器對(duì)緩慢陰燃或明燃產(chǎn)生的可見煙霧，反應(yīng)尤為敏感。光電煙霧報(bào)警模塊采用紅外光電傳感器，可自動(dòng)復(fù)位，采用ASIC 可同時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警。

　　2.3 熱釋電防盜報(bào)警器

　　防盜報(bào)警器中的關(guān)鍵部件是一個(gè)熱釋電模塊。當(dāng)人或其它具有紅外特征的目標(biāo)進(jìn)入其感應(yīng)范圍內(nèi)時(shí)，熱釋電全自動(dòng)感應(yīng)發(fā)出警報(bào)；當(dāng)人離開其感應(yīng)范圍之外，則自動(dòng)延時(shí)后停止報(bào)警。經(jīng)跳線選擇，有不可重復(fù)觸發(fā)和可重復(fù)觸發(fā)兩種觸發(fā)方式。該熱釋電模塊具有光敏控制和溫度補(bǔ)償功能，以免在環(huán)境條件正常變化范圍內(nèi)產(chǎn)生誤報(bào)警。該熱釋電模塊具有感應(yīng)封鎖時(shí)間，當(dāng)感應(yīng)模塊在每感應(yīng)輸出后，可以緊跟著設(shè)置一個(gè)封鎖時(shí)間段，在此時(shí)間段內(nèi)感應(yīng)器不接受任何感應(yīng)信號(hào)，此功能可有效抑制負(fù)載切換過(guò)程中產(chǎn)生的各種干擾。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　本文所述的智能家居控制系統(tǒng)利用手機(jī)通訊，由雙單片機(jī)諧調(diào)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)家居系統(tǒng)的程控制、工作狀態(tài)監(jiān)控功能，解決了監(jiān)測(cè)與控制和監(jiān)測(cè)及信息回饋之間的矛盾，可使之同步進(jìn)行，適應(yīng)人們的對(duì)手機(jī)使用的習(xí)慣；應(yīng)用PLCC 技術(shù)，有效地利用已有的家居低壓電力線作為物理媒介，把分布在住宅各個(gè)角落的微控制器和家電設(shè)施連成一個(gè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；此項(xiàng)設(shè)計(jì)與現(xiàn)有同功能智能家居控制系統(tǒng)相比，應(yīng)用范圍得以擴(kuò)展，警情發(fā)現(xiàn)及智能處理和控制功能更加完善，建設(shè)和使用成本更低，從而提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及效果穩(wěn)定性且價(jià)格較為經(jīng)濟(jì)。

　　經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證實(shí)，本文所述智能家居控制系統(tǒng)具有以下3 個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

　　（1） 利用GSM模塊的語(yǔ)音通話功能和自動(dòng)語(yǔ)音提示模塊組成的語(yǔ)音智能家居系統(tǒng)，實(shí)時(shí)性好；

　　（2） 電力線載波來(lái)解決家居網(wǎng)絡(luò)布線問(wèn)題，可減少系統(tǒng)安裝的時(shí)間和費(fèi)用；

　　（3） 借助于智能家居系統(tǒng)的學(xué)習(xí)記憶能力，可以利用（諸如電視、空調(diào)）遙控器遙控智能家居系統(tǒng)中的其他用電設(shè)備。