【正文】 1 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 42 附錄 1 系統(tǒng)原理圖 ............................................................................................................... 43 附錄 2 振鈴檢測及模擬摘掛機(jī)部分程序 ........................................................................... 44 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 1 1 緒 論 設(shè)計(jì)背景 21 世紀(jì)是信息化的世紀(jì)，各種電信和互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)推動(dòng)了人類文明的巨大進(jìn)步。本文介紹的 遠(yuǎn)程家電 控制系統(tǒng)可以使得人們可以通過手機(jī)或電話在任何時(shí)候、任意地點(diǎn)對家中的任意電器 (空調(diào)、熱水器、電飯煲、燈光、音響、 DVD 錄像機(jī) )進(jìn)行遠(yuǎn)程控制 ； 也可以在下班途中，預(yù)先將家中的空調(diào)打開、讓熱水器提前燒好熱水、電飯煲煮好香噴噴的米飯。而這一切的實(shí)現(xiàn)都僅僅是打一個(gè)簡單的電話 [1]。此外，該系統(tǒng)還可使家庭具有多途徑報(bào)警、遠(yuǎn)程監(jiān)控等多種功能，如果不幸出現(xiàn)某種險(xiǎn)情，您和 110 可以在第一時(shí)間獲得通知以便進(jìn)一步采取行動(dòng)。舒適、時(shí)尚的家居生活是社會(huì)進(jìn)步的標(biāo)志，智能家居控制系統(tǒng)能夠在不改變家中任何家電的情況下，對家里的電器、燈光、電源、家庭環(huán)境進(jìn)行方便地控制，使人們盡享高科技帶來的簡便而時(shí)尚的現(xiàn)代生活。 實(shí)現(xiàn)智能化離不開運(yùn)算和控制單元， 正是因?yàn)?通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的迅猛發(fā)展與提高，促使了家庭實(shí)現(xiàn)了生活現(xiàn)代化，居住環(huán)境舒適化、安全化。本系統(tǒng)采用 MCU(AT89S52)作為主控器件，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)由硬件和軟件組成。硬件由單片機(jī)擴(kuò)展的存儲(chǔ)器、輸入輸出設(shè)備以及各種實(shí)現(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)控制要求的接口電路和有關(guān)的外圍電路芯片或部件組成；軟件由單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其特定控制功能的各種工作程序和管理程序組成。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)的過程中，應(yīng)不斷調(diào)整軟、硬件，協(xié)調(diào)地進(jìn)行軟、硬件設(shè)計(jì)，以提高工作效率，當(dāng)系統(tǒng)硬件和軟件緊密配合、協(xié)調(diào)一致，就可以組成高性能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。本課題完 成了單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)其開發(fā)過程的系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試，根據(jù)開發(fā)的實(shí)際需要，相互協(xié)調(diào)、交叉，有機(jī)的進(jìn)行。本設(shè)計(jì)的 MCU 與各個(gè)芯片和模塊的接口、各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)都嚴(yán)格遵循國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，為以后的產(chǎn)品化提供了良好的基礎(chǔ)。 本系統(tǒng)的電話遠(yuǎn)程控制是基于電話交換網(wǎng)絡(luò)的國際雙音頻通信標(biāo)準(zhǔn) DTMF 通信方式，程控交換信令作為系統(tǒng)控制命令，采用 MT8870 雙音 多 頻編解碼電路實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)通過 MT8870 識別來自電話程控交換機(jī)的網(wǎng)絡(luò)的控制信號，用戶只需撥通家中的電話可以根據(jù)系統(tǒng)的語音提示進(jìn)行按鍵選擇以實(shí)現(xiàn)用戶身份的識別、遠(yuǎn)程控制和安防操作。 在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時(shí) ，面對各種檢測對象和大量 控制單元 ，需要利用 各 種 接口標(biāo)準(zhǔn) 和 MCU 進(jìn)行連接 ，再經(jīng)過 MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測控。而此時(shí)采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn) 智能家居控制系統(tǒng) 不僅具有采集控制方便、簡單、靈活等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高采 各模塊和芯片的協(xié)調(diào)性 ，從而大大提高系統(tǒng)的可利用性。河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 發(fā)展現(xiàn)狀 隨著新技術(shù)和自動(dòng)化的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量越來越大，功能也越來越強(qiáng)，各種傳感器都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化這給 智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供極大方便。 目前從事家庭網(wǎng)絡(luò)研究的組織有很多，影響比較大的有 ITUT、 IEEE、 OSGI、 OMA、 DSLFotum、DLNA、 ECHONET 等國際或國外標(biāo)準(zhǔn)化組織，國內(nèi)有中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì) (CCSA)、閃聯(lián)聯(lián)盟、 e 家佳聯(lián)盟等。每個(gè)組織都有一系列企業(yè)作為其技術(shù)支持隊(duì)伍，每個(gè)組織制定的家庭網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)側(cè)重點(diǎn)不同，它們既重合又交叉，既互補(bǔ)又競爭。所有的標(biāo)準(zhǔn)都是從其成員的利益出發(fā)，規(guī)范技術(shù)的 一般要求、性能指標(biāo)，并不涉及具體的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。其中的 e 家佳所提出的標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了家庭網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)通信協(xié)議規(guī)范、家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及參考模型、家庭網(wǎng)絡(luò)控制子網(wǎng)通網(wǎng)一致性測試規(guī)范等一系列 共 六項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)外的公開相關(guān)論文、報(bào)告文獻(xiàn)也不少，如有基于 us/os 的嵌入式系統(tǒng)，基于 u clinux 的嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)等，其特點(diǎn)是功能較單一，價(jià)格較低廉，不能適應(yīng)新的業(yè)務(wù)需求。目前國際上投入使用相關(guān)產(chǎn)品 大致 有以下幾種 。 X10 是最早流行于美國的智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其只要特點(diǎn)是 以 易于獲得的電力線作為傳輸介質(zhì)。該產(chǎn)品在美國主要用于舊房改造，其優(yōu)點(diǎn)是造價(jià)低 ， 但傳輸速率低下、抗干擾能力差和可擴(kuò)展性差使得產(chǎn)品的進(jìn)一步推廣 受 到了限制。 美國電子工業(yè)協(xié)會(huì) (EIA)于 1984 年組織開發(fā)的家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，于 1992 年正式推出了 CEBus(Consumer Elecronic Bus)，定為 EIA600 標(biāo)準(zhǔn)。 CEBus 是一種完全開放式的家庭網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，它定義了幾乎所有傳輸介質(zhì)中信號的傳輸標(biāo)準(zhǔn)，符合標(biāo)準(zhǔn)的電氣產(chǎn)品均可以直接互聯(lián)互通。但由于對信道的傳輸速率標(biāo)準(zhǔn)定義得太低 (10kbps)，無法滿足逐漸飛速發(fā) 展的多媒體應(yīng)用的需求。造價(jià)昂貴，也使得 CEBus 系統(tǒng)使用并不廣泛。 HBS(Home Bus System)標(biāo)準(zhǔn)由日本首先提出，但是只規(guī)定了通信協(xié)議由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層組成，上層應(yīng)用留作工程問題解決。 EIB(European Installation Bus)是歐洲安裝總線協(xié)會(huì) EIBA(European Installation BusAssociation)推出的用于電器安裝領(lǐng)域的智能控制網(wǎng)路。 EIB 系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu)，主要使用雙絞線作為傳輸介質(zhì)。通信協(xié)議使用物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層。 EIB 受到西門子、 ABB 公司的大力推廣，在歐洲應(yīng)用比較廣泛，在我國也有一些應(yīng)用。 EHS(European Home System) 是由歐洲 ESPRIT(European Strategic Programme forResearch andDevelopment in InformantionTechnolog)項(xiàng)目組支持開發(fā)的一種開放式的家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它采用客戶 /服務(wù)器方式連接。 EHS 主要傳輸介質(zhì)有電力線和雙絞線。通信協(xié)議采用了 IOS/OSI 模型中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層 [2]。河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 3 功能及特點(diǎn) 智能家電并不是單指一個(gè)家電，而應(yīng)是一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)，隨著人類應(yīng)用需求和家電智能化的不斷發(fā)展，其內(nèi)容將會(huì)更加豐富，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境的不同智能家電的功能也會(huì)有所差異，但一般應(yīng)具備以下基本功能。 通信功能， 包括電話、網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程控制、報(bào)警等；消費(fèi)電子產(chǎn)品的智能控制 ， 例如可以自動(dòng)控制加熱時(shí)間、加熱溫度的微波爐，可以自動(dòng)調(diào)劑溫度、濕度的智能空調(diào)，可以根據(jù)指令自動(dòng)搜索電視節(jié)目并攝錄的電視機(jī) 、 錄像機(jī)等等；交互式智能控制 ， 可 以通過語音識別技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能家電的聲控功能；通過各種主動(dòng)式傳感器 (如溫度、聲音、動(dòng)作等 )實(shí)現(xiàn)智能家電的主動(dòng)性動(dòng)作響應(yīng)。用戶還可以自己定義不同場景不同智能家電的不同響 應(yīng)。例如你可以在電話里告訴智能家居控制器： 晚上 5 點(diǎn)把花園的燈打開，并把空調(diào)設(shè)定到 25 度；安防控制功能 ， 包括門禁系統(tǒng)、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警、煤氣泄漏、漏電等；三表遠(yuǎn)程抄收系統(tǒng)；健康與醫(yī)療功能 ， 包括健康設(shè)備監(jiān)控 、遠(yuǎn)程診斷、病人異常監(jiān)護(hù)等等。河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 4 2 總體 設(shè)計(jì) 遠(yuǎn)程家電控制系統(tǒng)是一種基于 AT89S51 單片機(jī)的家用電器電話遙控裝置，該裝置使用現(xiàn)有的電話線來傳送遙控命令，利用普通電話作為遙控命令生成和發(fā)送裝置，我們只要 設(shè)計(jì)接收 端的電路，把它接在現(xiàn)有的電話線路中，那么就可以在任何地方，任何一部電話機(jī)上實(shí)施對 系統(tǒng) 的遙控操作，從而實(shí)現(xiàn)對家用電器的遠(yuǎn)程控制 [3]。該系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的功能包括鈴流檢測、自動(dòng)摘 掛 機(jī)、密碼驗(yàn)證 與修改 、語音提示、信號解碼以及家電控制。 硬件設(shè)計(jì) 遠(yuǎn)程家電控制系統(tǒng)首先要檢測電話線上的鈴流信號，確定電話無人接聽后自動(dòng)摘機(jī)，接收 遠(yuǎn)端發(fā)送來的信號，并對其進(jìn)行解碼，解碼后的 信號由中 央處理器單元采集處理，根據(jù) 要求控制相應(yīng)的電器。為了方便用戶使用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了密碼保護(hù)和語音提示功能。家電遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)一般工作于無人值守的環(huán)境，為了智能化，采用單片機(jī)作為中央處理器。整個(gè)系統(tǒng)包括單片機(jī)系統(tǒng)、振鈴檢測及模擬摘掛機(jī)系統(tǒng)、語音提示系統(tǒng)、雙音多頻信號 DTMF 解碼、 ZigBee 控制部分。總體系統(tǒng)框圖如圖 21 所示。 圖 21 系統(tǒng)總體框圖 主要芯片 本系統(tǒng)是以單片機(jī) AT89S5雙音多頻解碼芯片 MT8870、語音錄放芯片 ISD4004以及 Zigbee 控制模塊 CC2530 為核心，通過固定電話網(wǎng)來遙控的遠(yuǎn)程家電控制系統(tǒng)。電話線 ZigBee 無線 傳輸模塊 家用電器 單片機(jī) 振鈴檢測電路 DTMF 解碼電路 語音提示電路 模擬摘掛機(jī)電路 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 主控芯片 AT89S51 AT89S51 是一 種 低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP 的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲(chǔ)單元， AT89S51 在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。AT89S51 具有完整的輸入輸出、控制端口、以及內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間 ， 基本功能單元包括定時(shí) /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行通信接口等。主要是用來滿足單片機(jī)測控功能要求的基本計(jì)算機(jī)外圍電路，用來完善和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能。 與我們通常意義上的微機(jī)原理類似，可以通過 外接 A/D， D/A 轉(zhuǎn)換電路及運(yùn)放芯片實(shí)現(xiàn)對傳感器傳送信息的采集，且能夠提供以點(diǎn)陣或 LCD 液晶及外接按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，能對內(nèi)部眾多 I/O 端口連接步進(jìn)電機(jī)對外圍設(shè)備進(jìn)行精確操控，具有強(qiáng)大的工控能力。單片機(jī) 51 系列共有四個(gè) 8 位雙向并行 I/O 通道口，分別是 P0、 P P P3，各具有特殊的電路結(jié)構(gòu)，每位均有自己的鎖存器、輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。這種結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)輸出時(shí)可鎖存，即輸出新的數(shù)據(jù)之前，通道口上原數(shù)據(jù)一直保持不變，但對輸入信息是不鎖存的，因此從外部輸入的信息必須保持到取數(shù)指令執(zhí)行完為止 [4]。 其最小系統(tǒng)如圖 22 所示。 圖 22 AT89S51最小系統(tǒng)河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 6 語音芯片 ISD4004 本設(shè)計(jì)采用的語音芯片是 ISD4004。用于對語音信號的錄制存儲(chǔ)和輸出。通過單片機(jī)的 I/O 口對 ISD4004 系列語音芯片進(jìn)行錄放音控制，其結(jié)構(gòu)簡單、控制可靠、有較高的實(shí)用價(jià)值。 ISD4004 系列工作電壓 3V， 單片錄放時(shí)間 8 至 16 分鐘 ， 音質(zhì)好 ， 適用于移動(dòng)電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中。芯片采用 CMOS 技術(shù) ， 內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動(dòng)靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。芯片設(shè)計(jì)是基于所有操作必須由 微控制器控制， 操作命令可通過串行通信接口 (SPI 或 Microwire)送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù) ， 每個(gè)采樣值直接存貯在片內(nèi) FLASH 存貯器中 ，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲 ， 避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和 金屬聲 。采樣頻率可為 、 、 、 。 頻率越低 ， 錄放時(shí)間越長 ， 而音質(zhì)則有所下降 ， 片內(nèi)信息存于 FLASH 存貯器中 ， 可在 斷電情況下保存 100 年 (典型值 )， 反復(fù)錄音 10 萬次。 ISD4004 系列芯片的參數(shù)如表 21 所示。 表 21 ISD4004 系列芯片的參數(shù) 型 號 時(shí) 間 輸入采樣 典型帶寬 最大段數(shù) 最小段長 外部鐘頻 ISD400408 8 分鐘 1200 200ms ISD400410 10 分鐘 1200 250ms ISD400412 12 分鐘 1200 300ms ISD400416 16 分鐘 1200 400ms ISD4004 芯片的引腳圖如圖 23 所示。 圖 23 ISD4007河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 解碼芯片 MT8870 DTMF 信號 的解 碼模塊是將接收的兩個(gè)疊加的正弦波模擬信號通過解碼變成二進(jìn)制信號 ， 同時(shí)解碼電路還具有判斷功能 ， 判斷 DTMF 信號是否發(fā)送，再將解碼的二進(jìn)制信號傳送到單片機(jī) 。遠(yuǎn)程家電控制系統(tǒng)采用 MITEL 公司生產(chǎn)的 MT8870 作為 DTMF 信號的解碼核心器件 。 MT8870 主要用于程控交換機(jī)、遙控、無線通信及通播系統(tǒng) ， 實(shí)現(xiàn)DTMF 信號的分離濾波和譯碼功能 ， 輸出 16 種頻率組合而成的四位并行二進(jìn)制碼。MT8870 具有撥號音抑制和模擬信號輸入可調(diào)功能 ， 所以在設(shè)計(jì) MT8870 DTMF 解碼電路時(shí) ， 只