時間：2023-03-25 10:44:26
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關鍵詞：遠程控制雙音多頻網絡通訊無線通訊家庭自動化
21世紀是信息化的世紀，各種電信和互聯網新技術推動了人類文明的巨大進步。數字化家居控制系統的出現使得人們可以通過手機或者互聯網在任何時候、任意地點對家中的任意電器（空調、熱水器、電飯煲、燈光、音響、DVD錄像機）進行遠程控制；也可以在下班途中，預先將家中的空調打開、讓熱水器提前燒好熱水、電飯煲煮好香噴噴的米飯……；而這一切的實現都僅僅是輕輕的點幾下鼠標，或者打一個簡單的電話。此外，該系統還可使家庭具有多途徑報警、遠程監聽、數字留言等多種功能，如果不幸出現某種險情，您和110可以在第一時間獲得通知以便進一步采取行動。舒適、時尚的家居生活是社會進步的標志，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、家庭環境進行方便地控制，使人們盡享高科技帶來的簡便而時尚的現代生活。
1系統的總體結構及工作過程
智能家居系統由系統主機、系統分機、Internet服務器和網絡接口等部分組成。其中系統主機通過服務器（個人計算機）連入Internet，并通過自己的PSTN公用電話交換網接口電路連入PSTN。其結構圖如圖1所示。主機與分機通過無線傳輸組成星形拓撲結構。系統主機通過本地無線傳輸網絡同系統分機進行通訊、傳輸控制命令和反饋信息。
該系統正常工作時，用戶可以通過Internet和PSTN兩種網絡進行訪問，當通過Internet訪問時，本系統可提供一個界面友好的終端軟件，用戶只需登陸到運行在家中的服務器即可對家中的設備進行遠程控制；當通過PSTN訪問時，本系統將為用戶提供語音操作界面。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、固態繼電器控制電路組成，并由固態繼電器控制具體設備，具體硬件組成框圖如圖4所示。
通過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，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功能電路的輸出結果進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）有著細節上的變化。下面主要介紹系統主機的各種接口電路。
2．1nRF401無線數據傳輸電路
無線數據傳輸電路由Nordic公司的單片UHF無線數據收發芯片nRF401及其電路構成。nRF401采用FSK調制解調技術，其工作效率可達20kbit／s，且有兩個頻率通道供選擇，并且支持低功耗和待機模式。它不用對數據進行曼徹斯特編碼，其天線接口設計為差分天線，因而很容易用PCB來實現。
2．2看門狗電路
看門狗電路由MAX813L及其元件組成。通常，在單片機的工作現場，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。如果不及時恢復或使系統復位，就容易造成損失。看門狗電路的作用就是在程序跑飛或者死機時，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送入看門狗信號，就可以保證在程序運行異常時，由MAX813L使單片機復位。
2．3DS1307時鐘接口電路
DS1307時鐘芯片是美國DALLAS公司生產的I2C總線接口實時時鐘芯片。DS1307可以獨立于CPU工作，它不受晶振和電容等的影響，并且計時準確，月積累誤差一般小于10秒。此芯片還具有掉電時鐘保護功能，可自動切換到后備電源供電。同時還具有閏年自動調整功能，可以產生秒、分、時、日、月、年等數據，并將其保存在具有掉電保護功能的時間寄存器內，以便CPU根據需要對其進行讀出或寫入。由于單片機AT89C52沒有I2C總線接口，因此，要驅動DS1307，就必須采用單主機方式下的I2C總線虛擬技術。在此方式下，以單片機為主節點（主器件），主器件永遠占有總線而不出現總線競爭，且可以用兩根I／O口線來虛擬I2C總線接口。I2C總線上的主器件（單片機）可在時鐘線（SDL）上產生時鐘脈沖，在數據線（SDA）上產生尋址信號、開始條件、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總線的從器件。I2C總線為同步串行數據傳輸總線，其內部為雙向傳輸電路，端口輸出為開漏結構，因此，需加上拉電阻。
2．4MT8880C雙音頻編解碼電路
由于單片機是通過MT8880C芯片得到PSTN網絡的雙音頻信號解碼輸出，也就是說，單片機可以識別來自PSTN網絡的控制信號，用戶可以根據系統的語音提示進行按鍵選擇以實現用戶身份的識別與遠程控制。因此，利用MT8880C的雙音頻編碼功能，系統可以在緊急時刻將用戶預置的緊急電話打到PSTN網絡，從而把損失減少到最低。
2．5ISD4004語音錄放電路
ISD4004是美國ISD公司生產的一種語音錄放芯片。它可錄制8～16分鐘的語音信號。該芯片可提供SPI標準接口和單片機進行接口，其語音的錄放控制均通過單片機來實現。該芯片的一個最大特點是可以按地址編程錄放，因而可由ISD4004和單片機編程控制來構成本系統與PSTN網絡用戶的語音平臺。由于ISD4004的INT和RAC腳輸出為開漏結構，因此需要加上拉電阻。
2．6MAX202串行通訊電路
通訊電路可由串行通訊專用芯片MAX202組成，通過此電路可以方便地與PC機進行串行通訊。
2．7鈴流檢測與摘掛機控制電路
當系統被呼叫時，電話交換機發出鈴流信號。振鈴為25±3V的正弦波，失真小于10％，電壓有效值為90±15V。振鈴信號以5秒為周期，即1秒送，4秒斷。由于振鈴信號電壓比較高，所以先要通過高壓穩壓二極管進行降壓，然后輸入至光耦。再經光耦隔離轉換后，從光耦輸出時通時斷的正弦波，最后經RC回路進行濾波以輸出標準的方波。該方波信號可以直接輸出至單片機的定時器1進行計數，以實現對鈴流的檢測。
由于程控電話交換機在電話摘機時電話線回路電流會突然變大（約30mA），因此，交換機檢測到回路電流變大就認為電話機已經摘機。自動摘掛機電路可以通過單片機的P1．7來控制一個固態繼電器，固態繼電器的控制端應連接一個大約300Ω的電阻后再接入電話線兩端，從而完成模擬摘掛機。
3系統軟件編制
本系統軟件主要由系統主機和系統分機的C51程序和系統與Internet網絡通訊程序組成。
3．1系統主機程序的編制
系統主機程序主要用于實現系統的總體功能。包括無線數據傳輸程序、看門狗程序、時間戳程序、雙音頻編解碼程序、語音錄放程序、串行通訊程序、鈴流檢測與摘掛機控制程序、系統初始化程序、意外事件處理程序等。程序編制以消息驅動為主導思想。消息由計數器中斷1、外部中斷0和串行中斷產生，在中斷服務程序中，應將相應的狀態位置位，而在消息循環中則應按相應的狀態位調用功能函數，然后由功能函數將相應的狀態位清0并完成所需功能，并最后返回到消息循環中。其程序流程如圖5所示。該系統的分機程序和主機類似，故此不再詳述。
3．2系統與Internet網絡通訊程序的編制
這部分通訊程序分為服務器和客戶端兩個程序，主要通過Internet網絡完成用戶的控制功能。
服務器程序主要完成客戶端與系統主機通訊的中轉，即將客戶端發來的控制或者查詢命令翻譯成系統主機能識別的格式，或者將系統主機收到的報警等信息上傳到客戶端。服務器程序使用Socket與客戶端進行Internet通訊。
客戶端程序是運行在遠端用戶的控制界面，主要用于完成家居內狀態的顯示以及對家居內電器的遠程控制，同時使客戶端直接連接到服務器。
自1985年在德國首先出現家居數字系統基礎上，很多國家或地區爭先恐后研發各類系統理念方案、產品設備。同時這一現代化生活系統在全球實現了較大范圍的實施。1988年，國際電子工業協會提出第一個適用于家居環境的電器設計標準，即“Homeautomationsystemandcommunicationstandards”（家庭總線系統標準，哈佛商學院）。智能家庭系統已經進入中國家庭中，其安全、舒適、高效的生活方式已成為人們的一種追求。2012年，在城市和農村住宅科技產業項目實施計劃中，數字建設是中國首批新能源研發項目，此項目在實施的過程中，中央部門大力重視這個項目的實施，在建設部批準建設網絡社區，有30000數字家庭在華中地區社區實施。
1.設備不統一
相對獨立研發，通過添加一些簡單的遠程操作功能，稱其產品數字家庭系統。一個家庭在多個獨立的專有數字系統信息中，多個重疊數字家庭系統用戶在功能上往往比較混亂。
2.產品不穩定
國內數字產業在數字家庭方面的發展中，并沒有一個統一的相關標準規定，在這樣的一個市場環境下，許多中型小型企業獨立經營標準，加上市場炒作，不注意用戶的實際體驗，很多是簡單增加在某一性能或功能基礎上就投入市場，產品間的聯系不強，互不相容，甚至互相干擾，不利于數字家庭系統的修改和擴展，只能給用戶帶來不好的影響。
二、智能系統在家居設計中的狀態
從今天的產品體系看，國內還未樹立完整的智能數字理念，市場提供的產品間大都無一定的功能與形式的聯系，各類產品都獨自研發與更新。部分產品研發程序中過多地在電器的使用初級階段加入指令命令，沒有一個完善的整體處理系統。構架內各類設備與電器產品聯系較少，超控性能較低，使用效率不高，同時在核心的遠程命令體驗上的問題需要改進。從使用者的角度出發，智能數字家庭系統的出現首要功能是把人從煩瑣的家庭工作解放出來，更多地來享受生活和工作之余歸家的放松；同時能掌握家庭中的每一個信息數據，并分析相應的智能家電設備的智能操作以完成某些任務。此系統應用前景非常廣闊，適應不同國家、地區人生活的功能需求；同時更應該注意到不同國家、地區、民族、季節等方面的不同，根據用戶的需求量身定做對應的數據庫、監控方式、信息源代碼，保證信息記錄與搜索的必要功能。
（一）智能家居系統的性能需求
1.系統10s從每個傳感器節點收集的數據。
2.數據的準確性小數點后1位小數。
3.快速響應用戶的請求。
4.問題處置利用圖像控制。
5.各類參數信息建立在系統內，便于搜索。
（二）智能數字家庭系統功能層次
不同層的智能家居系統根據用戶需求，根據硬件處理能力分配任務。系統劃分為兩層平臺。一級使用嵌入式開發板硬件支持平臺，與此同時，選擇電腦作為二級處理系統平臺。由于嵌入式設備的處理能力和內容容量限制，選擇使用這個系統級負責數據收集平臺，與一些復雜程度不高的智能家用電器的開啟和關閉，發送數據到輔助平臺，從個人電腦（PC）接受數據傳輸任務。所以利用PC機應用一個二級硬件設備、圖像安保，目的是為使用者及時處置相關數據，同時處理數據的保存任務。在前期硬件設計過程中多級平臺建設必須具有以下原則。
1.透明模擬。利用Java語言研發可供使用的仿真體系，并能夠運行至少兩個Windows和Linux操作系統上，系統抽象OSGI組件技術和設備的使用服務，以Bundle的形式。仿真平臺是面向服務為主的，所以不必關心虛擬設備和服務真實設備。
2.可配置性。SmartHome是一個動態的設備，具有各種不確定因素的各式各樣的工作。出現各種類型的檢測要求。檢測工作中會出現能搭檔的數據模式。
3.模擬環節方便性能平臺是二維圖像版式。SHEmu平臺是圖形界面視覺顯示領域的設備，設備工作狀態之間具有互操作性，Xml通過配置文件來記錄設備的不同狀態，相應的圖像資源在GU視圖與其中某一個文件相搭配，實現不同視圖對應不同設備的關系。
4.數據庫統。SHEmu提供數據的分類，數據庫的管理通過消息記錄和初始信息來實施。
三、智能系統在居住空間中的應用
我國早在20世紀末期和21世紀初期就開始智能化家具方面的研究和開發，通過一段時間的摸索，在科研和技術上也都取得了一定的成果。如通過在知網上對以“智能化”和“家具”為關鍵詞進行檢索，可以看在早在1995年就有相關學者對智能化家具進行了研究。從1995年至今，我國在智能化家具方面的研究可查的已經有將近100篇之多，其中還不包括專著等文獻資料。此外，在智能化家具設計開發上現今也卻了一定的成就。如有些家具生產商和設計人員設計出了具有自動加熱與保溫的功能餐桌；可以自動調節溫度、角度的高度指標的床類家具；能對嬰兒尿床時立即發出警報的嬰兒床等。從整體來看，我國的家具智能化設計方面還處于起步階段，主要表現在以下幾點：產品技術含量低、可以實現的智能功能少、安全性有待于進一步完善、普及型和個性化發展方向還有待摸索。
2智能化家具設計的多元化發展方向
2.1智能化家具設計向功能性多樣化方向發展
統觀我國的智能化家具的設計現狀還是主要以體現家具的智能化為主。與國外的智能化家具設計相比，在功能性多樣化的體現方面還有很大的差距。我國智能化家具設計的多元化發展的方向基本的一點即是實現設計上的多樣化功能。不僅要體現智能化家具的某一項功能，還要結合先進的科學技術手段進行多種功能共同實現的目標。如智能化的燈具在設計時可以通過不同的技術手段間的融合來達到自動開關、自動控制光照強度以及自動控制局部范圍內的溫度等多項功能的實現；智能化餐桌通過多元化設計同時實現滿足不同數量的人使用和對餐桌上的食物進行保溫等多項功能的。
2.2智能化家具設計向普及化方向發展
隨著人們生活水平的提高。智能化家具的受眾已經不僅僅限于某些富裕的群體，它也開始進入尋常的百姓家。它的消費群體開始向普通的人民大眾轉移，那么對于文化程度處于中等水平的普通大眾來說，智能化家具設計中的高的科技含量往往使他們望而卻步，對其使用技術難以熟練掌握。所以，智能化家具設計的一個多元化的發展方向即使促進它的普及性。這需要設計人員在對智能化家具進行設計時要充分考慮使用者和所使用的場合，確保家具的可接受程度和便于操作性。
2.3智能化家具設計向安全性方向發展
如前文所述，智能化家具的組成都是一些與電相關的元件，一些運行型的家具也需要電來支撐和某些金屬或者材質來構成。這些動力系統或原料在智能化家具設計中的應用就在一定程度上提高了智能化家具使用的危險性。故而，在設計人員對智能化家具進行設計時要充分考慮到使用者在使用家具時的安全性,將電路控制在安全電壓范圍之內,并要在絕緣和接地方面做到很好的防護措施；必須有過載和漏電保護裝置及良好的散熱措施;在設計時還要考慮到當使用不當時,要將緩沖裝置和自動停機等功能考慮到設計中去。
2.4智能化家具設計向個性化方向發展
智能化家具設計向個性化方向發展主要是針對社會上某些群體而言的，如老人和兒童以及一些特殊群體等,設計人員對智能化家具進行設計時要針對這些群體設計出具有一定針對性，能夠體現個性化服務和個性化專長的特點。如針對老人和兒童設計的具備一定監管、娛樂、安居和護理特性的桌案類、坐臥類等智能化家具。
3結論
