基于公话网的智能家居系统设计方案

摘 要：分析了智能家居的相关技术现状，提出了一种基于公共交换电话网的智能家居系统的总体方案，阐述了该系统的工作原理及软硬件的设计方法与过程。 该系统利用计算机和红外遥控等技术实现了一个智能化的窗帘机构，采用双音多频信号进行信息的传输，实现了家居的安全防护和家电的远程控制。 经过调试与检测证明，该系统具有性能可靠、功能丰富、易于使用等特点，具有广泛的实用价值。

近年来，计算机技术的不断发展和信息化程度的不断提高，为智能家居系统的研究与开发提供了坚实的技术平台。 通常把智能家居定义为一个整体，即利用先进的计算机技术、网络技术，以及综合布线技术，通过家庭信息管理平台，将与家居生活相关的各个部分有机结合成一个特殊的集成系统。 伴随着智能家居功能的不断细化，其概念逐步得到延伸，更多地考虑到了居民对住宅环境性能的全方位要求。 因此，现阶段的智能家居系统已从原先以智能化为重心的产品，转变为一个具备以下条件的集成系统：首先，要在家居中建立一个通讯网络，为家庭信息提供必要的通路，在家庭网络操作系统的控制下，通过相应的硬件和执行机构，实现对所有家电和设备的控制与监测;其次，所有家电和设备都要通过一定的媒介平台，构成与外界的通讯通道，以实现与外部世界的信息交流，满足远程控制、监测和交换信息的需求;最后，要满足人们对家居安全、舒适、方便、高效和环境保护的需求。

智能家居系统的控制命令与信息的传输可以通过2种途径实现：无线传输方式和有线传输方式。 随着经济实力的日益增长，高速、可靠的公共电话网络( PSTN)已经覆盖了绝大多数的地区和家庭，有线电话线上的双音多频(DTMF)信号除了用于建立通话连接外，也可广泛应用于数据通信，且具有较强的抗干扰能力，所以利用公话网络实现家居设施的控制在技术上是完全可行的。 与采用无线通信方式相比，采用公话网不需进行专门的布线，也不占用无线电频率资源，基本上没有电磁污染，也无需大量的额外投资;而与采用有线IP网络( Internet)的通信方式相比，采用公话网的通信方式则具有更高的安全性和实时性。 因此，基于公用电话网络的智能家居方案在技术的可行性和成本的经济性等方面具有一定的优势，研究开发一种基于公话网的智能家居系统具有较大的现实意义。

1 系统的总体研究

1. 1 系统的功能需求

家居系统的功能需求主要包括舒适宜人的家庭生活空间、家居的安全防护(以下简称安防) 、家用电器的远程监控等内容，因此，基于公话网的智能家居系统可以设置以下功能：

1) 窗帘的智能化控制，包括遥控器控制， 定时开合控制， 光控、雨控等人性化的自动控制等。

2) 家居的安全监控与报警，主要包括燃气(煤气、天然气、液化器)泄漏监控， 窗幕探测器监控， 门磁偶合监控。

3) 家用电器的远程控制。 在远端拨入住宅电话号码，延时若干秒后系统自动接通，用户首先输入密码，然后再输入操作指令，即可对家用电器设备进行远程控制。 操作过程中将给出必要的语音提示。

1. 2 系统的总体方案

根据系统的功能设置，结合计算机技术、自动控制技术和通信技术的特点与要求，可将整个系统划分为环境与安防检测、控制，以及设备驱动等三大部分。 环境与安防检测部分由光照、雨水、燃气检测器及窗幕、门磁探测器等传感检测器组成。 控制部分主要由主控模块(也称主控板)和安防报警与家电控制模块(也称报警与控制板)构成，其中主控板负责智能窗帘的控制和安防报警信号的采集。 报警与控制板完成自动电话拨号、报警、提示语音的录放，以及电话号码和家电控制操作码(密码与指令码)的存储、查询与修改。 系统结构如图1所示。

图1 系统的整体结构

2 系统硬件设计

本系统力求使用性价比高的电路芯片实现各项功能，经过技术分析，主控板和报警与控制板均以MCU (微控制器) 为核心，采用Atmel 公司的AT89S52单片机。 这种单片机是一种低功耗、高性能的8位微控制器，内嵌8K可编程Flash 存储器，属于MCS单片机产品系列，已为众多嵌入式系统所选用。 窗帘遥控器的MCU则采用该系列中贴片式MCS89C2051 单片机，以满足体积与功耗的要求。

2. 1 主控模块

主控模块主要包括MCU及外围电路、窗帘电机控制电路、窗幕探测(红外感应)处理和燃气检测处理等单元电路，以及MCU与光照、雨水、门磁等传感器、报警与控制板的接口，如图2所示。

图2 主控模块的电路结构

1) MCU及外围电路。 主要包括MCU (89S52)、时钟电路、ISP在线编程电路(COM)及遥控器信号接收单元( IR) ,电路如图3所示。 连接器J4用于接收由环境监测和安防传感器及处理电路发送的状态信息， J5主要用于向报警与控制板发送各类报警请求。

图3 MCU及外围电路

2) 电机控制电路。 为了实现窗帘的电动控制，选用可正反双向转动的低速交流同步电机，由市电220V 供电。 电机转动最大行程的机械控制装置与电机一起封装在窗帘电机盒内，安装时可根据窗帘的尺寸来设置。 窗帘电机的控制电路如图4所示。

图4 窗帘电机控制电路

ACL和ACN分别为AC220V交流电的火线、零线，由MCU的P13 和P14端口对继电器J5和J6进行控制，"1"电平为动作，"0"电平为释放。 J5动作、J6释放则电机正转; J6动作、J5释放则电机反转; J5和J6都不动作，则电机不转。

2. 2 安防报警与远程控制模块

该模块主要包含MCU及外围电路、与公话网相连的接口电路、电话振铃的检测电路、信号音的检测电路、电话号码和远程控制操作码的收发电路、报警和提示语音的录放电路、LCD显示电路和键盘电路(16键)等，如图5所示。

1) MCU及外围电路。 主要包括MCU、时钟电路和串行FLASH存储器。 该存储器用来预存报警时自动拨打的电话号码(如主人手机、办公室座机、110等)和家电远程控制的操作码，选用容量为256字节的AT24C02, 采用I2 C总线结构与MCU的端口进行连接。

2) 电话接口及振铃检测电路。 主要包括电话的摘机电路，音频偶合变压器(用于信号音、报警及提示语音、DTMF信号与电话外线的偶合) ,以及振铃检测电路，如图6所示。

图6中SIGN为音频偶合变压器与信号音检测电路的接口， TONE 为双音多频(DTMF)号码收发电路的接口， SP +与SP–为语音播放电路的接口。

摘机电路：由MCU 控制继电器JP1 来实现。

当MCU的P36端口送出高电平时，三极管Q1导通，继电器JP1动作， JP1的接点7和8与电话外线相连，并通过R2等元件构成摘机回路;当P36端口送出低电平时，则摘机回路断开，回到挂机状态。

铃流检测电路：用于家电的远程控制。 电话振铃信号是40 ±15 V /25 Hz的正弦波。 当该信号到来时， 电话线路上的正弦波信号叠加在直流电压上变成90 ±15 V 电压， 经过整流后击穿稳压管D6再驱动光电耦合器Q2,从Q2的C极输出方波信号送至MCU的INT0中断口，累计振铃次数，达到预定次数MCU则控制自动摘机，进行家电的远程控制处理。

3) 信号音检测电路。 主要由信号音专用检测芯片CR6230来完成，其信号输入管脚SIGN与音频变压器的管脚4相连，可准确识别电话线路的拨号音、回铃音、忙音、催挂音等各种信号音，其状态通过4个管脚输出，再连至MCU的端口。 MCU只需读取端口即可。

4) 号码和操作码的收发电路。 主要完成电话号码的发送(拨号)及远程控制操作码的接收(收号)。 由于公共电话网上的号码与信令都是以DTMF制式来传输的，所以决定采用M ITEL 公司的DTMF收发专用集成电路MT8880,如图7所示。 该元件的DTMF 信号的输入( IN - ) /输出( TONE)端通过外围放大电路与音频变压器的第2管脚相连，号码的二进制数据通过管脚D3、D2、D1、D0与MCU的I/O端口相连，从而使拨号号码的DTMF信号可上传到电话线路，远端送到电话线路上的DTMF信号也可被译码成远程控制操作码由MCU读取。

图7 DTMF信号的收发电路。

3 系统软件设计

本系统的软件程序包括主控程序，安防监控报警程序，定时、红外遥控信号的接收程序，振铃、拨号、收号等中断处理程序，家电远程控制程序，以及遥控器的信号发射程序等， 主要采用C语言设计。 由于篇幅所限， 这里只给出主控程序和报警程序的设计思路和处理流程。

3. 1 主控程序的设计

主控程序装载于主控板的MCU 芯片的FLASH存储器中，主要功能是完成以下功能：单片机的初始化，接收和处理遥控器发送的窗帘控制命令;在定时中断程序的配合下进行窗帘的定时开合的控制;扫描红外感应、燃气检测等传感器的输出信号，如有报警，当有人在家时(未设防)播放声音提示，无人在家时则向报警与控制板发出请求，再由该板完成电话拨号报警处理。 主控程序的处理流程如图8所示。

图8 主控程序流程

3. 2 安防监控报警程序的设计

该程序装载于报警与控制板的MCU芯片中，振铃、拨号、收号等中断处理程序也驻留在该芯片内，主要实现循环电话拨号、向摘机者播放报警留言语音，以及电话号码(及远程控制操作码)的预存、查询与更新等功能。 程序的处理流程如图9所示。

图9 安防报警程序流程

4 结束语

通过近1年的工作，基于公话网的智能家居系统已完成了样品的研制，经试用检测，基本上实现了设计的各项功能，具有性能稳定、功能齐全、操作简便、安装快捷等特点，适用于绝大多数的家庭和场馆大楼，可为广大公众提供一个舒适、安全、方便的生活与办公环境， 具有广泛的实用价值。