【正文】 發(fā)的實際需要，相互協(xié)調(diào)、交叉，有機的進(jìn)行。 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 頻編解碼電路實現(xiàn)，單片機通過 MT8870 識別來自電話程控交換機的網(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)行按鍵選擇以實現(xiàn)用戶身份的識別、遠(yuǎn)程控制和安防操作。而此時采用單片機來實現(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，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。 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 (CCSA)、閃聯(lián)聯(lián)盟、 e 家佳聯(lián)盟等。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)，并不涉及具體的實現(xiàn)技術(shù)。國內(nèi)外的公開相關(guān)論文、報告文獻(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，其特點是功能較單一，價格較低廉，不能適應(yīng)新的業(yè)務(wù)需求。 X10 是最早流行于美國的智能家庭網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該產(chǎn)品在美國主要用于舊房改造，其優(yōu)點是造價低 ， 但傳輸速率低下、抗干擾能力差和可擴展性差使得產(chǎn)品的進(jìn)一步推廣 受 到了限制。 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。造價昂貴，也使得 CEBus 系統(tǒng)使用并不廣泛。 EIB(European Installation Bus)是歐洲安裝總線協(xié)會 EIBA(European Installation BusAssociation)推出的用于電器安裝領(lǐng)域的智能控制網(wǎng)路。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。 EHS(European Home System) 是由歐洲 ESPRIT(European Strategic Programme forResearch andDevelopment in InformantionTechnolog)項目組支持開發(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。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]。 通信功能， 包括電話、網(wǎng)絡(luò)、遠(yuǎn)程控制、報警等；消費電子產(chǎn)品的智能控制 ， 例如可以自動控制加熱時間、加熱溫度的微波爐，可以自動調(diào)劑溫度、濕度的智能空調(diào)，可以根據(jù)指令自動搜索電視節(jié)目并攝錄的電視機 、 錄像機等等；交互式智能控制 ， 可 以通過語音識別技術(shù)實現(xiàn)智能家電的聲控功能；通過各種主動式傳感器 (如溫度、聲音、動作等 )實現(xiàn)智能家電的主動性動作響應(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)自動報警、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。該系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能包括鈴流檢測、自動摘 掛 機、密碼驗證 與修改 、語音提示、信號解碼以及家電控制。為了方便用戶使用，系統(tǒng)設(shè)計了密碼保護(hù)和語音提示功能。整個系統(tǒng)包括單片機系統(tǒng)、振鈴檢測及模擬摘掛機系統(tǒng)、語音提示系統(tǒng)、雙音多頻信號 DTMF 解碼、 ZigBee 控制部分。 圖 21 系統(tǒng)總體框圖 主要芯片 本系統(tǒng)是以單片機 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)。AT89S51 具有完整的輸入輸出、控制端口、以及內(nèi)部程序存儲空間 ， 基本功能單元包括定時 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、串行通信接口等。 與我們通常意義上的微機原理類似，可以通過 外接 A/D， D/A 轉(zhuǎn)換電路及運放芯片實現(xiàn)對傳感器傳送信息的采集，且能夠提供以點陣或 LCD 液晶及外接按鍵實現(xiàn)人機交互，能對內(nèi)部眾多 I/O 端口連接步進(jìn)電機對外圍設(shè)備進(jìn)行精確操控，具有強大的工控能力。這種結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)輸出時可鎖存，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]。 圖 22 AT89S51最小系統(tǒng)河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 6 語音芯片 ISD4004 本設(shè)計采用的語音芯片是 ISD4004。通過單片機的 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、有較高的實用價值。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、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陳列。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術(shù) ， 每個采樣值直接存貯在片內(nèi) FLASH 存貯器中 ，因此能夠非常真實、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 。 頻率越低 ， 錄放時間越長 ， 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。 表 21 ISD4004 系列芯片的參數(shù) 型 號 時 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。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 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 MT8870 DTMF 解碼電路時 ， 只需外加一些阻容元件即可 。它包括一個帶增益可調(diào)放大器的 DTMF 接收器和一個 DTMF 發(fā)送器。發(fā)送器采用開關(guān)電容 D/A 變換器。 MT8870 提供了一個標(biāo)準(zhǔn)的微處理器總線接口，可以直接與 MCS51 系列 MCU 和微機接口。它從接收端接收來自電話機的雙音多頻脈沖信號該雙音多頻信號先經(jīng)其內(nèi)部的撥號音濾波器，濾除撥號音信號，然后經(jīng)前置放 大后送入雙音頻濾波器，將雙音頻信號按高 ，低音頻信號分開，再經(jīng)高 、 低群濾波器，幅度檢測器送入輸出譯碼電路，經(jīng)過數(shù)字運算后，在其數(shù)據(jù)輸出端輸出相對應(yīng)的 8421 碼 [5]。 圖 24 MT8870河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 8 ZigBee 控制模塊 CC2530 CC2530 是用于 、 ZigBee 和 RF4CE 應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng) (SoC)解決方案。 CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的 RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型 8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KBRAM 和許多其他強大的功能。 CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。 CC2530 整合了業(yè)界領(lǐng)先的 業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的增強性 8051MCU 的卓越性能，還包括了 8kB 的 SRAM，大容量 flash 以及許多其他的強大特性。 CC2530芯片系統(tǒng)保持了 CC2520 所包含的作射頻性能，包括了超低功耗、高靈敏度，出眾的抗噪聲及抗干擾性能，所集成的 MCU 為強大的 8 位，單周期 8051 微控制器核心 (其典型性能可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的 8 倍 )。 其芯片引腳圖如圖 25 所示。 由于 該系統(tǒng)并聯(lián)在電話機的兩端，并且不能影響電話的正常使用，所以要求系統(tǒng)在接到鈴流信號后不能馬上動作，只有在達(dá)到設(shè)定的響鈴次數(shù)后，才默認(rèn)家里無人， 允許 電力摘機響應(yīng)。當(dāng)有振鈴信號時，電話線上的鈴流信號為 (90V177。其中直流電壓為 48V 左右，交流電壓為 (25V177。鈴流信號進(jìn)入檢測電路以后，首先用高壓電容進(jìn)行隔直，再經(jīng)濾波穩(wěn)壓以后，經(jīng)過光耦再通過觸發(fā)器最后輸出標(biāo)準(zhǔn)的高低電平給單片機，單片機通過對鈴聲信號的計數(shù)，當(dāng)響鈴次數(shù)達(dá)到設(shè)定值時，就發(fā)出指令讓繼電器閉合，實現(xiàn)模擬摘機狀態(tài)。 圖 26 振鈴檢測及模擬摘掛機 DTMF 信號解碼模塊 雙音多頻 DTMF(Dual Tone Multi Frequency)，有高頻群和低頻群組成，高低頻群各包含 4 個頻率。DTMF 信令有 16 個編碼。每一個按鍵就發(fā)送一個高頻和低頻的正弦信號組合，比如 1 就相當(dāng)于 697Hz 和 1209Hz。 DTMF 編解碼器在編碼時將擊鍵或數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成雙音信號并發(fā)送，解碼時在收到的 DTMF 信號中檢測擊鍵或數(shù)字信息的存在性。這兩個音頻信號的頻率來自兩組預(yù)分配的頻率組，即行頻組和列頻組。電話機中通過常有 16 個按鍵，其中 10 個數(shù)字鍵 0~9 和河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 10 6 個功能鍵 、 *、 A、 B、 C、 D。用這 8 中頻率可以形成 16 種不同的組 合，從而代表 16 中不同的數(shù)字或功能鍵。 表 22電話鍵盤與 DTMF頻率對應(yīng)關(guān)系表 高頻 低頻 1209Hz 1336Hz 1477Hz 1633Hz 697Hz 1 2 3 A 770Hz 4 5 6 B 852Hz 7 8 9 C 941Hz * 0 D MT8870 是 MITEL 公司生產(chǎn)的 DTMF 接收器，是一種大規(guī)模 COMS 集成電路，主要有濾波器、譯碼器和控制電路三個部分組成。 MT8870 的 電路連接 如圖 27 所示，其 3 腳接收來自電話機的雙音多頻脈沖信號 ， 該雙音多頻信號先經(jīng)其內(nèi)部的撥號音濾波器，濾除撥號音信號，然后經(jīng)前置放大后送入雙音頻濾波器，將雙音 多 頻信號按高、低音頻信號分開，再經(jīng)高，低群濾波器，幅度檢測器送入輸出譯碼電路，經(jīng)過數(shù)字運算后，在其數(shù)據(jù)輸出端輸出相對應(yīng)的 8421 碼。電話按鍵與相應(yīng)譯碼輸出。為了使單片機 能 及時獲取有效數(shù)據(jù)， MT8870 的 CLD 有效端經(jīng)反相后接 CPU 的 INT0 引腳。而無效的雙音頻信號是不會引起 MT8870 的 CLD 端變化的。ISD4000 系列單片語音錄放器件是用 COMS 工藝實現(xiàn)的高語音質(zhì)量。為了給設(shè)計的系統(tǒng)足夠的后期擴展空間， 本系統(tǒng) 采用 的是 錄放時間較長的 ISD400408M 芯片，這個芯片的錄放時間長達(dá) 8min，輸入采樣頻率是 ，典型的濾波通帶是 。而對于 ISD4000 系列器件，在時鐘上升沿鎖存 MOSI 引腳數(shù)據(jù)，在下降沿將數(shù)據(jù)送達(dá)到 MISO 引腳。語音提示電路將錄入芯片的提示語音在正確的解碼信號的作用下，準(zhǔn)確的播放出來，以便對用戶的操作帶來方便。 考慮到系統(tǒng)設(shè)計的產(chǎn)品是要面對不同的人群，所以在設(shè)計中充分考慮產(chǎn)品的實用性，故不向 ISD4004 語音芯片中錄入一成不變的提示音而是在設(shè)計語音提示放音電路的同時加入錄音電路由于ISD4004 語音芯片必須使用 SPI 接口與外部的語音控制 器 (AT89S51)通信，而設(shè)計使用的AT89S51 沒有專門的 SPI 接口硬件模塊，所以在編程的時候，同樣需要采用模擬 SPI 協(xié)議時序的方法控制 ISD4004 芯片。 圖 28 ISD4004語音提示電路河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 12 控制模塊 系統(tǒng) 的 控制模塊是由三個 ZigBee 模塊組成 的 ， 將 其中 的 一個 ZigBee 模塊 設(shè)定為協(xié)調(diào)器，另 兩個 ZigBee 模塊 作為 控制 節(jié)點。 本系統(tǒng)所采用的 ZigBee 模塊是以單片機 CC2530為控制核心，讓控制模塊 中作為 協(xié)調(diào)器 的 ZigBee 模塊 與整個系統(tǒng)的主控芯片 AT89S51相連。當(dāng)用戶 通過 進(jìn)行按鍵操作來選擇要控制的家用電器時，先由 DTMF 信號解碼模塊對按鍵進(jìn)行解碼， 程序在 匹配到要控制的家用電器 后 ，由主控芯片發(fā)出指令給ZigBee 模塊的協(xié)調(diào)器單片機，協(xié)調(diào)器在得知要控制 的家用電器以后，就對相應(yīng)的控制節(jié)點發(fā)出控制指令，最后由相應(yīng)的控制節(jié)點單片機來完成對家用電器的控制，從而實現(xiàn)了系統(tǒng) 對家用電器的遠(yuǎn)程控制。 圖 29 控制模塊 軟件設(shè)計 整個系統(tǒng) 除了硬件電路以外，還需要軟件系統(tǒng)來協(xié)調(diào)工作，才能夠最終實現(xiàn)整個預(yù)定功能。振鈴信號經(jīng)振鈴檢測電路變換成單脈沖，這個脈沖被輸入到單片機的中斷引腳進(jìn)行計數(shù)。此時通話雙方之間建立了正常的通話線路。軟件會對用戶進(jìn)行身份確認(rèn)，若用戶 3 次輸入錯誤密碼將直接掛機。系統(tǒng)主程序是系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。 主控芯片 AT89S51 按鍵操作 DTMF 解碼 協(xié)調(diào)器 控制節(jié)點 1 控制節(jié)點 2 家電 1 家電 2 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 13 圖 210 系統(tǒng)主程序流程圖振 鈴 信 號 計 數(shù)振 鈴 次 數(shù) = 5 次 ？模 擬 摘 機密 碼 校 驗是 否 正 確控 制 命 令 識 別控 制 命 令 輸 出模 擬 掛 機是 否 掛 機語 音 提 示YYNYNN開 始結(jié) 束河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明