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智能家居控制系統的設計與實(shí)現
21世紀是信息化的世紀,各種電信和互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)推動(dòng)了人類(lèi)文明的巨大進(jìn)步。數字化家居控制系統的出現使得人們可以通過(guò)手機或者互聯(lián)網(wǎng)在任何時(shí)候、任意地點(diǎn)對家中的任意電器(空調、熱水器、電飯煲、燈光、音響、DVD錄像機)進(jìn)行遠程控制;也可以在下班途中,預先將家中的空調打開(kāi)、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)現都僅僅是輕輕的點(diǎn)幾下鼠標,或者打一個(gè)簡(jiǎn)單的電話(huà)。此外,該系統還可使家庭具有多途徑報警、遠程監聽(tīng)、數字留言等多種功能,如果不幸出現某種險情,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)步的標志,智能家居系統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(lái)的簡(jiǎn)便而時(shí)尚的現代生活。
1 系統的總體結構及工作過(guò)程
智能家居系統由系統主機、系統分機、Internet服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò )接口等部分組成。其中系統主機通過(guò)服務(wù)器(個(gè)人計算機)連入Internet,并通過(guò)自己的PSTN?公用電話(huà)交換網(wǎng)?接口電路連入PSTN。其結構圖如圖1所示。主機與分機通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸組成星形拓撲結構。系統主機通過(guò)本地無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )同系統分機進(jìn)行通訊、傳輸控制命令和反饋信息。
該系統正常工作時(shí),用戶(hù)可以通過(guò)Internet和PSTN兩種網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn),當通過(guò)Internet訪(fǎng)問(wèn)時(shí),本系統可提供一個(gè)界面友好的終端軟件,用戶(hù)只需登陸到運行在家中的服務(wù)器即可對家中的設備進(jìn)行遠程控制;當通過(guò)PSTN訪(fǎng)問(wèn)時(shí),本系統將為用戶(hù)提供語(yǔ)音操作界面。其工作流程如圖2所示。
2 系統的硬件構成
本系統的硬件主要有系統主機與系統分機兩大部分。系統主機由單片機AT89C52和各種接口電路組成,如圖3所示。系統分機由單片機AT89C52和各種接口電路、傳感器單元電路、固態(tài)繼電器控制電路組成,并由固態(tài)繼電器控制具體設備,具體硬件組成框圖如圖4所示。
通過(guò)系統主機的各種接口電路可將主機CPU從繁忙的計算中解脫出來(lái),以便把主要精力運用在控制和信息傳遞上。系統主機主要依照各個(gè)功能電路的輸出結果進(jìn)行邏輯判斷和控制命令的輸出。系統分機的各種接口電路和主機相似,只是根據設備的不同(傳感器單元)有著(zhù)細節上的變化。下面主要介紹系統主機的各種接口電路。
2.1 nRF401 無(wú)線(xiàn)數據傳輸電路
無(wú)線(xiàn)數據傳輸電路由Nordic公司的單片UHF無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)芯片nRF401及其外圍電路構成。nRF401采用FSK調制解調技術(shù),其工作效率可達20kbit/s,且有兩個(gè)頻率通道供選擇,并且支持低功耗和待機模式。它不用對數據進(jìn)行曼徹斯特編碼,其天線(xiàn)接口設計為差分天線(xiàn),因而很容易用PCB來(lái)實(shí)現。
2.2 看門(mén)狗電路
看門(mén)狗電路由MAX813L及其外圍元件組成。通常,在單片機的工作現場(chǎng),可能有各種干擾源。這些干擾源可能導致程序跑飛、造成死機或者程序不能正常運行。如果不及時(shí)恢復或使系統復位,就容易造成損失?撮T(mén)狗電路的作用就是在程序跑飛或者死機時(shí),能有效地使系統復位以使系統恢復正常運轉。因此,在程序中定期給P1.5送入看門(mén)狗信號,就可以保證在程序運行異常時(shí),由MAX813L使單片機復位。
2.3 DS1307時(shí)鐘接口電路
DS1307時(shí)鐘芯片是美國DALLAS公司生產(chǎn)的I2C總線(xiàn)接口實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。DS1307可以獨立于CPU工作,它不受晶振和電容等的影響,并且計時(shí)準確,月積累誤差一般小于10秒。此芯片還具有掉電時(shí)鐘保護功能,可自動(dòng)切換到后備電源供電。同時(shí)還具有閏年自動(dòng)調整功能,可以產(chǎn)生秒、分、時(shí)、日、月、年等數據,并將其保存在具有掉電保護功能的時(shí)間寄存器內,以便CPU根據需要對其進(jìn)行讀出或寫(xiě)入。由于單片機AT89C52沒(méi)有I2C總線(xiàn)接口,因此,要驅動(dòng)DS1307,就必須采用單主機方式下的I2C總線(xiàn)虛擬技術(shù)。在此方式下,以單片機為主節點(diǎn)(主器件),主器件永遠占有總線(xiàn)而不出現總線(xiàn)競爭,且可以用兩根I/O口線(xiàn)來(lái)虛擬I2C總線(xiàn)接口。I2C總線(xiàn)上的主器件(單片機)可在時(shí)鐘線(xiàn)(SDL)上產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖,在數據線(xiàn)(SDA)上產(chǎn)生尋址信號、開(kāi)始條件、停止條件以及建立數據傳輸的器件。任何被選中的器件都將被主器件看成是從器件。在這里,DS1307作為I2C總線(xiàn)的從器件。I2C總線(xiàn)為同步串行數據傳輸總線(xiàn),其內部為雙向傳輸電路,端口輸出為開(kāi)漏結構,因此,需加上拉電阻。
2.4 MT8880C雙音頻編解碼電路
由于單片機是通過(guò)MT8880C芯片得到PSTN網(wǎng)絡(luò )的雙音頻信號解碼輸出,也就是說(shuō),單片機可以識別來(lái)自PSTN網(wǎng)絡(luò )的控制信號,用戶(hù)可以根據系統的語(yǔ)音提示進(jìn)行按鍵選擇以實(shí)現用戶(hù)身份的識別與遠程控制。因此,利用MT8880C的雙音頻編碼功能,系統可以在緊急時(shí)刻將用戶(hù)預置的緊急電話(huà)打到PSTN網(wǎng)絡(luò ),從而把損失減少到最低。
2.5 ISD4004語(yǔ)音錄放電路
ISD4004是美國ISD公司生產(chǎn)的一種語(yǔ)音錄放芯片。它可錄制8~16分鐘的語(yǔ)音信號。該芯片可提供SPI標準接口和單片機進(jìn)行接口,其語(yǔ)音的錄放控制均通過(guò)單片機來(lái)實(shí)現。該芯片的一個(gè)最大特點(diǎn)是可以按地址編程錄放,因而可由ISD4004和單片機編程控制來(lái)構成本系統與PSTN網(wǎng)絡(luò )用戶(hù)的語(yǔ)音平臺。由于ISD4004的INT和RAC腳輸出為開(kāi)漏結構,因此需要加上拉電阻。
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