【文章內容簡介】 當一個設備被激活，它就監(jiān)聽規(guī)劃給該單元的32個跳頻頻點(跳頻頻點的數目因地理區(qū)域不同而異)。作為Master的設備首先初始化連接程序，如果地址已知，則通過尋呼(Page)消息建立連接；如果地址未知，則通過一個后接Page消息的Inquiry(查詢)消息建立連接。在最初的尋呼狀態(tài)，Master單元將在分配給被尋呼單元的16 個跳頻頻點上發(fā)送一串16個相同的Page消息。如果沒有應答，Master則按照激活次序在剩余16 個頻點上繼續(xù)尋呼。Slave 收到從Master 發(fā)來消息的最大延遲時間為激活周期的2 倍( 秒) ， 平均延遲時間是激活周期的一半( 秒) 。Inquiry 消息主要用來尋找藍牙設備， Inquiry 消息和Page 消息很相象，但是Inquiry 消息需要一個額外的數據串周期來收集所有的響應。如果Piconet 中已經處于連接的設備在較長一段時間內沒有數據傳輸， 藍牙還支持節(jié)能工作模式。Master 可以把Slave 置為Hold(保持)模式，在這種模式下，只有一個內部計數器在工作，Slave也可以主動要求被置為Hold模式。一旦處于Hold模式的單元被激活，則數據傳遞也立即重新開始。除Hold 模式外，藍牙還支持另外兩種節(jié)能工作模式：Sniff(呼吸)模式和Park(暫停)模式，在Sniff模式下，Slave降低了從Piconet“收聽”消息的速率，“呼吸”間隔可以依應用要求做適當調整；在Park模式下，設備依然與Piconet同步但沒有數據傳送，工作在該模式下的設備放棄了MAC地址，偶爾收聽Master的消息并恢復同步、檢查廣播消息。這三種工作模式如果按照節(jié)能效率以升序排隊，那么依次是：呼吸模式、保持模式和暫停模式[15]。本章小結 本章主要介紹了LPC2138單片機的基本知識；藍牙技術的基本知識，及其中用到的相關技術做了詳細介紹。第三章 系統(tǒng)硬件設計第三章 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)的總體結構在系統(tǒng)的設計上采用模塊化設計[16]。這樣我們將智能家居系統(tǒng)分為以下幾個模塊：（1）系統(tǒng)中心控制模塊；（2）家庭安全防范模塊；（3）家用電器控制模塊；（4）家庭內部通信模塊；（5）家庭對外通信模塊；（6）緊急呼叫模塊；（7）語音模塊。圖 系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)硬件電路設計 系統(tǒng)中心控制模塊硬件電路設計中心控制模塊主要由LPC2138單片機構成，加上LCD顯示器和小鍵盤等外圍器件就構成了電源模塊、時鐘模塊、CPU控制模塊、鍵盤輸入、LCD顯示等幾個部分。主要完成各種信息的采集和處理，并發(fā)送相應的控制命令。用戶可通過LCD顯示器和小鍵盤查詢系統(tǒng)的工作狀態(tài)和對系統(tǒng)進行一些設置。下面我們就根據各個模塊分別介紹一下其工作原理。（1）系統(tǒng)的電源模塊的電路原圖 LPC2138微控制器的內核和I/O使用同一電源電壓。(a)所示，輸入9V直流電源，電感L1用于限制瞬態(tài)電流，經過CC2濾波。當正確連接電源后，LED發(fā)光作為電源工作指示燈。LPC2138具有獨立的模擬電源引腳V、V，為了降低噪聲和出錯幾率，我們用電感LL3將數字電源和模擬電源隔離。系統(tǒng)中有些外圍器件的工作電壓為5V，所以我們還需要5V穩(wěn)壓電路，(b)所示，其工作原理為輸入9V的直流電源，經CC9濾波，然后通過LM78L05將電源穩(wěn)壓至5V。，其特點為輸出電流大，輸出電壓高，穩(wěn)定性好。其輸出電流可達800mA，輸出電壓的精度在１％以內，還具有電流限制和熱保護功能，被廣泛用于手持式設備、數字家電和工業(yè)控制等領域。（2）時鐘模塊 LPC2138微控制器可使用外部晶振或外部時鐘源，內部PLL電路可調整系統(tǒng)時鐘，使系統(tǒng)運行速度更快（其CPU最大操作時鐘為60MHz）。若不使用片內PLL功能及ISP下載功能，則外部晶振頻率為1～30MHz，外部時鐘頻率為1～50MHz；若使用片內PLL功能或ISP下載功能，則外部晶振頻率為10～25MHz，外部時鐘頻率為10～25MHz.。在本系統(tǒng)中為了能支持微控制器內部的PLL及ISP功能，（），這樣也可使串口的波特率更精確。(a)(b)圖 系統(tǒng)電源模塊電路原理圖 系統(tǒng)時鐘電路（3）鍵盤電路 在系統(tǒng)中我們設計了6個獨立的按鍵，分別為S1～S6。我們用LPC2138的P0口作為輸入口，由于其內部無上拉電阻，所以用R1～R6 6個10K的電阻做上拉電阻。當沒有按鍵按下時，口線的值為1；當有按鍵按下時，其對應的口線的值為0，控制器通過查詢對應I/O口的值，來判斷按鍵是否按下。其中S這兩個口分別與外部中斷EINT0、EINT3復用，為此我們將這兩個鍵作為系統(tǒng)的功能鍵，其余的按鍵作為輔助鍵。 鍵盤電路 家庭安全防范模塊家庭安全防范模塊又稱為家庭安防，是利用不同的傳感器，例如，煙霧傳感器、煤氣傳感器、紅外傳感器、門磁和窗磁等對家庭內部環(huán)境參量進行監(jiān)控。中心控制模塊根據采集到的傳感器的信息，進行判斷和報警，并做出相應的聯(lián)動處理，一般的警情有煤氣泄露報警、火災報警、外人入侵報警等。具體來講就是將處理過的傳感器的信號，送到分控制器89C2051的I/O口，單片機根據檢測到的口線值生成報警信息，通過家庭內部通信發(fā)送至中心控制模塊。由中心控制模塊對報警信息做出處理。下面我們以紅外傳感器為例，介紹一下防盜報警電路的設計。由于人體都有恒定的體溫，℃左右，會發(fā)出特定波長10左右的紅外線，被動紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10左右的紅外線進行工作的。人體發(fā)射的10左右的紅外線通過菲尼爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。紅外感應源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，電后續(xù)電路經檢驗處理后即可產生報警信號。由傳感器發(fā)出的微弱的電信號經放大電路放大后輸入到分控制器89C2051的I/O口，分控制器檢測到該口線的值，就會做出是否有警情的判斷，如果有警情，則向中心控制模塊發(fā)送報警信息。中心控制模塊通過家庭對外通信模塊撥打用戶事先設置好的電話號碼，電話接通后，通過語音芯片播放預先錄制好的報警錄音，連續(xù)播放三遍，每一遍中間加1s的延遲。 防盜報警電路 家用電器控制模塊家用電器控制模塊其主要功能是根據接收系統(tǒng)中心控制模塊的命令，進而打開或關閉家用電器。 家電控制電路原理圖89C2051收到中心控制制器發(fā)送的控制信號后，光電耦合器導通，導致繼電器吸合，給信息插座通電，從而接通家用電器。，單片機則通過TXD和RXD發(fā)送報警信號，經藍牙模塊傳輸到中心控制制器。另外為防止程序“跑飛”、進入“死循環(huán)”使系統(tǒng)失控，我們還設計了看門狗電路。在上述電路中電阻R1的選擇至關重要，它影響著4N25開通與關閉的性能。R1較小時，可減小開關時間與開關損耗，R1較大時則相反。一般根據產品手冊上提供的數據作為參考，在參考值（48Ω）的1倍到10倍間選取，然后經過試驗波形來分析確定。在開關頻率較低時，可選的偏大一些，在這里選的是5倍的參考值，即240。為了進一步滿足用戶的需求我們可以對這部分電路進行改進和擴展，加上紅外發(fā)射模塊，那么就可以模擬遙控器控制家用電器，例如可以調整空調的溫度、模式或者選擇電視機不同的頻道。其工作原理為，用戶使用此功能的時候可以自行設置。先讓系統(tǒng)自己“學習”家用電器的紅外波遙控信號。首先選定所要設置的家用電器，然后將遙控器對準系統(tǒng)紅外線接收頭，將主要按鍵依次按下，紅外線接收頭將接收到的信號經處理后送往中心控制指定位置存儲。學習完畢后，就可以應用。應用時中心控制根據指令，將預先存儲的信號從寄存器中讀出，然后經處理后發(fā)射出去，相應家電根據接收到的遙控信號做出相應的動作，從而達到實現(xiàn)模擬遙控家電的目的。 紅外發(fā)射模塊學習狀態(tài)原理圖 家庭內部通信模塊家庭內部通信模塊主要是應用無線通信技術中的藍牙技術來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的有線傳輸，即將藍牙模塊嵌入到智能家居系統(tǒng)中。這樣使家庭內部無須重新布線，就可應用智能家居系統(tǒng)，使系統(tǒng)易于安裝維護。在本系統(tǒng)中，我們應用愛立信公司的ROK101007作為通信模塊。ROK 101007是Ericsson公司生產的一種在電子設備中實現(xiàn)藍牙功能的短距離通信模塊。該藍牙模塊是由基帶控制器、快閃式存儲器、PBA313 01/2無線電收發(fā)器3個芯片組成。其同時支持數據和語音的傳遞。ROK101 ，支持多操作點工作方式，通過了FCC和ETSI認可[17]。[18]。 ROK101007的內部結構及管腳排列圖ROK101007與單片機的連接主要包括與中心控制機LPC2138的連接和與分控機89C2051的連接。在終端探測單元，藍牙模塊和單片機之間通過串口輸入HCI指令實行數據通信。當使用UART進行通信時，藍牙模塊作為一個DCE。ROK101007藍牙模塊的UART接口符合工業(yè)標準16C450，支持多種波特率，提供四個信號TXD、RXD、RTS和CTS，均按照null modern方式連接，其中TXD和RXD用于數據流傳輸，RTS和CTS用于數據流控制[17]。 LPC2138和ROK101007的接口電路原理圖而在與89C2051連接時，我們用TXD和RXD用于數據流的傳輸，來控制數據流。 89C51和ROK101007的接口電路原理圖 家庭對外通信模塊家庭對外通信模塊，是通過電話線或者GSM[18]模塊與外界聯(lián)系。這樣，如果家中出現(xiàn)什么警情，系統(tǒng)可自動播出預先設置的電話號碼或發(fā)出報警信息，報警或通知用戶。用戶也可通過電話或者編輯短信對家居系統(tǒng)進行遠程控制。本文主要討論實現(xiàn)通過電話線與外界聯(lián)系的方法。在其硬件電路設計中包括振鈴檢測電路、模擬摘掛機電路、DTMF編解碼及發(fā)送電路等。（1）振鈴檢測電路在電話線路未來鈴流前，電話線路由電話交換機提供大約48V的直流電壓。當用戶被呼叫時，電話交換機發(fā)來鈴流信號。振鈴信號為25Hz的正弦波，諧鈴失真不大于10%，電壓有效值約為90V。振鈴以5秒為周期，即1秒送，4秒斷。本電路檢測鈴流信號時，以五次鈴響為準，即五次振鈴后無人摘機，便由單片機控制自動模擬摘機。電話振鈴信號通過電容CC2耦合、整流橋整流、C3隔直、R23限流輸入至光電耦合器4N25[19]的輸入端1口， 4N25起的是隔離作用。光電耦合器是一種電信號的耦合器件，它一般是將發(fā)光二極管和光敏三極管的光路耦合在一起，輸入和輸出之間沒有電氣上的聯(lián)系，輸入電信號加于發(fā)光二極管上，輸出信號由光敏三極管輸出。光電耦合器以光電轉換原理傳輸信息，它不僅使信息發(fā)出端（一次側）與信息接收并輸出端（二次側）是絕緣的，從而對地電位差干擾有很強的抑制能力，而且有很強的抑制電磁干擾能力，還具有速度高、價格低、接口簡單等優(yōu)點。 振鈴檢測電路振鈴信號通過4N25的4腳輸出振鈴正弦波，R3和C4共同組成濾波電路對輸出信號進行濾波。R3和C4共同組成振鈴信號音濾波電路，根據電話振鈴的技術指標：頻率25Hz的正弦波，1秒通，4秒斷，τ=≤τ≤4（S）。為了使振鈴信號音輸出很好的方波波形，計算后選取R=310kΩ，C4=100μF，τ=1s。（2）模擬摘掛機電路根據國家有關標準規(guī)定：任何電話機，摘機狀態(tài)的直流電阻應≤300Ω，有“R”鍵的電子電話機的摘機狀態(tài)直流電阻應≤350Ω。在掛機狀態(tài)下，其漏電流≤5μA。當用戶摘機時，電話機通過叉簧接上約300Ω的負載，使整個電話線回路流過約30mA的電流。交換機檢測到該電流后便停止鈴流發(fā)送，并將線路電壓變?yōu)槭畮追闹绷?，完成接續(xù)。，模擬摘掛機電路主要由一個三極管開關電路來控制繼電器通斷，繼電器控制電話線兩端300Ω電阻的接入。，從而開啟繼電器K1，使電阻R2接入電話線兩端。因為R2的電阻為300Ω，使回路電流變大，控制電路向交換機發(fā)出模擬摘機的信號，交換機響應摘機信號，完成電話線路接通。整個電路完成自動模擬摘機過程。 模擬摘掛機電路（3）DTMFDTMF（Dual Tone Multi Frequency），即雙音多頻，電話系統(tǒng)中電話機與交換機之間的一種用戶信令，通常用于發(fā)送被叫號碼，其具有很強的抗干擾性能，因此被廣泛用于通信網中。DTMF信令有16個編碼。由高頻群和低頻群組成，高低頻群各包含4個頻率。一個高頻信號和一個低頻信號疊加組成一個組合信號，代表一個數字[20]。雙音多頻的撥號鍵盤是44的矩陣，每一行代表一個低頻，每一列代表一個高頻。每按一個鍵就發(fā)送一個低頻和高頻的正弦信號組合，比如“1”用697和1209赫茲的組合表示。交換機可以解碼這些頻率組合并確定所對應的按鍵雙音多頻信號（DTMF），在智能家居系統(tǒng)中為了實現(xiàn)遠程控制和自動撥號報警功能要求系統(tǒng)既能檢測并識別電話線上傳來的雙音頻信號，又能發(fā)送相應的雙音頻信號，因此在系統(tǒng)中需進行DTMF編解碼。在本系統(tǒng)中，我們采用MITEL公司的MT8880[21]來進行DTMF編解碼。MT8880是一個帶有呼叫處理濾波器的單片DTMF信號收發(fā)器。它采用MITEL公司的低功耗、高穩(wěn)定性的ISOCMOS技術。DTMF信號的接收部分采用DTMF信號接收單片機MT8870的工業(yè)制造標準；發(fā)送部分采用開關電容進行D／A轉換發(fā)送高精度、低畸變的DTMF信號。內部寄存器提供一個群模式。在雙音頻群模式下DTMF信號可以通過精確的時序被發(fā)送出去。可選擇呼叫處理濾波器讓一個微處理器處理呼叫音頻信號。整合了收發(fā)功能的MT8880的結構包括一個帶有可變增益的