摘 要：分析了智能家居的相關技術現狀，提出了一種基于公共交換電話網的智能家居系統的總體方案，闡述了該系統的工作原理及軟硬件的設計方法與過程。 該系統利用計算機和紅外遙控等技術實現了一個智能化的窗簾機構，采用雙音多頻信號進行信息的傳輸，實現了家居的安全防護和家電的遠程控制。 經過調試與檢測證明，該系統具有性能可靠、功能豐富、易于使用等特點，具有廣泛的實用價值。

　　近年來，計算機技術的不斷發展和信息化程度的不斷提高，為智能家居系統的研究與開發提供了堅實的技術平臺。 通常把智能家居定義為一個整體，即利用先進的計算機技術、網絡技術，以及綜合布線技術，通過家庭信息管理平臺，將與家居生活相關的各個部分有機結合成一個特殊的集成系統。 伴隨著智能家居功能的不斷細化，其概念逐步得到延伸，更多地考慮到了居民對住宅環境性能的全方位要求。 因此，現階段的智能家居系統已從原先以智能化為重心的產品，轉變為一個具備以下條件的集成系統：首先，要在家居中建立一個通訊網絡，為家庭信息提供必要的通路，在家庭網絡操作系統的控制下，通過相應的硬件和執行機構，實現對所有家電和設備的控制與監測；其次，所有家電和設備都要通過一定的媒介平臺，構成與外界的通訊通道，以實現與外部世界的信息交流，滿足遠程控制、監測和交換信息的需求；最后，要滿足人們對家居安全、舒適、方便、高效和環境保護的需求。

　　智能家居系統的控制命令與信息的傳輸可以通過2種途徑實現：無線傳輸方式和有線傳輸方式。 隨著經濟實力的日益增長，高速、可靠的公共電話網絡（ PSTN）已經覆蓋了絕大多數的地區和家庭，有線電話線上的雙音多頻（DTMF）信號除了用于建立通話連接外，也可廣泛應用于數據通信，且具有較強的抗干擾能力，所以利用公話網絡實現家居設施的控制在技術上是完全可行的。 與采用無線通信方式相比，采用公話網不需進行專門的布線，也不占用無線電頻率資源，基本上沒有電磁污染，也無需大量的額外投資；而與采用有線IP網絡（ Internet）的通信方式相比，采用公話網的通信方式則具有更高的安全性和實時性。 因此，基于公用電話網絡的智能家居方案在技術的可行性和成本的經濟性等方面具有一定的優勢，研究開發一種基于公話網的智能家居系統具有較大的現實意義。

　　1 系統的總體研究

　　1. 1 系統的功能需求

　　家居系統的功能需求主要包括舒適宜人的家庭生活空間、家居的安全防護（以下簡稱安防） 、家用電器的遠程監控等內容，因此，基于公話網的智能家居系統可以設置以下功能：

　　1） 窗簾的智能化控制，包括遙控器控制， 定時開合控制， 光控、雨控等人性化的自動控制等。

　　2） 家居的安全監控與報警，主要包括燃氣（煤氣、天然氣、液化器）泄漏監控， 窗幕探測器監控， 門磁偶合監控。

　　3） 家用電器的遠程控制。 在遠端撥入住宅電話號碼，延時若干秒后系統自動接通，用戶首先輸入密碼，然后再輸入操作指令，即可對家用電器設備進行遠程控制。 操作過程中將給出必要的語音提示。

　　1. 2 系統的總體方案

　　根據系統的功能設置，結合計算機技術、自動控制技術和通信技術的特點與要求，可將整個系統劃分為環境與安防檢測、控制，以及設備驅動等三大部分。 環境與安防檢測部分由光照、雨水、燃氣檢測器及窗幕、門磁探測器等傳感檢測器組成。 控制部分主要由主控模塊（也稱主控板）和安防報警與家電控制模塊（也稱報警與控制板）構成，其中主控板負責智能窗簾的控制和安防報警信號的采集。 報警與控制板完成自動電話撥號、報警、提示語音的錄放，以及電話號碼和家電控制操作碼（密碼與指令碼）的存儲、查詢與修改。 系統結構如圖1所示。

　　圖1 系統的整體結構

　　2 系統硬件設計

　　本系統力求使用性價比高的電路芯片實現各項功能，經過技術分析，主控板和報警與控制板均以MCU （微控制器） 為核心，采用Atmel 公司的AT89S52單片機。 這種單片機是一種低功耗、高性能的8位微控制器，內嵌8K可編程Flash 存儲器，屬于MCS單片機產品系列，已為眾多嵌入式系統所選用。 窗簾遙控器的MCU則采用該系列中貼片式MCS89C2051 單片機，以滿足體積與功耗的要求。

　　2. 1 主控模塊

　　主控模塊主要包括MCU及外圍電路、窗簾電機控制電路、窗幕探測（紅外感應）處理和燃氣檢測處理等單元電路，以及MCU與光照、雨水、門磁等傳感器、報警與控制板的接口，如圖2所示。

　　圖2 主控模塊的電路結構

　　1） MCU及外圍電路。 主要包括MCU （89S52）、時鐘電路、ISP在線編程電路（COM）及遙控器信號接收單元（ IR） ，電路如圖3所示。 連接器J4用于接收由環境監測和安防傳感器及處理電路發送的狀態信息， J5主要用于向報警與控制板發送各類報警請求。

　　圖3 MCU及外圍電路

　　2） 電機控制電路。 為了實現窗簾的電動控制，選用可正反雙向轉動的低速交流同步電機，由市電220V 供電。 電機轉動最大行程的機械控制裝置與電機一起封裝在窗簾電機盒內，安裝時可根據窗簾的尺寸來設置。 窗簾電機的控制電路如圖4所示。

　　圖4 窗簾電機控制電路

　　ACL和ACN分別為AC220V交流電的火線、零線，由MCU的P13 和P14端口對繼電器J5和J6進行控制，“1”電平為動作，“0”電平為釋放。 J5動作、J6釋放則電機正轉； J6動作、J5釋放則電機反轉； J5和J6都不動作，則電機不轉。

　　2. 2 安防報警與遠程控制模塊

　　該模塊主要包含MCU及外圍電路、與公話網相連的接口電路、電話振鈴的檢測電路、信號音的檢測電路、電話號碼和遠程控制操作碼的收發電路、報警和提示語音的錄放電路、LCD顯示電路和鍵盤電路（16鍵）等，如圖5所示。

　　1） MCU及外圍電路。 主要包括MCU、時鐘電路和串行FLASH存儲器。 該存儲器用來預存報警時自動撥打的電話號碼（如主人手機、辦公室座機、110等）和家電遠程控制的操作碼，選用容量為256字節的AT24C02， 采用I2 C總線結構與MCU的端口進行連接。

　　2） 電話接口及振鈴檢測電路。 主要包括電話的摘機電路，音頻偶合變壓器（用于信號音、報警及提示語音、DTMF信號與電話外線的偶合） ，以及振鈴檢測電路，如圖6所示。

　　圖6中SIGN為音頻偶合變壓器與信號音檢測電路的接口， TONE 為雙音多頻（DTMF）號碼收發電路的接口， SP +與SP–為語音播放電路的接口。

　　摘機電路：由MCU 控制繼電器JP1 來實現。

　　當MCU的P36端口送出高電平時，三極管Q1導通，繼電器JP1動作， JP1的接點7和8與電話外線相連，并通過R2等元件構成摘機回路；當P36端口送出低電平時，則摘機回路斷開，回到掛機狀態。

　　鈴流檢測電路：用于家電的遠程控制。 電話振鈴信號是40 ±15 V /25 Hz的正弦波。 當該信號到來時， 電話線路上的正弦波信號疊加在直流電壓上變成90 ±15 V 電壓， 經過整流后擊穿穩壓管D6再驅動光電耦合器Q2，從Q2的C極輸出方波信號送至MCU的INT0中斷口，累計振鈴次數，達到預定次數MCU則控制自動摘機，進行家電的遠程控制處理。

　　3） 信號音檢測電路。 主要由信號音專用檢測芯片CR6230來完成，其信號輸入管腳SIGN與音頻變壓器的管腳4相連，可準確識別電話線路的撥號音、回鈴音、忙音、催掛音等各種信號音，其狀態通過4個管腳輸出，再連至MCU的端口。 MCU只需讀取端口即可。

　　4） 號碼和操作碼的收發電路。 主要完成電話號碼的發送（撥號）及遠程控制操作碼的接收（收號）。 由于公共電話網上的號碼與信令都是以DTMF制式來傳輸的，所以決定采用M ITEL 公司的DTMF收發專用集成電路MT8880，如圖7所示。 該元件的DTMF 信號的輸入（ IN - ） /輸出（ TONE）端通過外圍放大電路與音頻變壓器的第2管腳相連，號碼的二進制數據通過管腳D3、D2、D1、D0與MCU的I/O端口相連，從而使撥號號碼的DTMF信號可上傳到電話線路，遠端送到電話線路上的DTMF信號也可被譯碼成遠程控制操作碼由MCU讀取。

　　圖7 DTMF信號的收發電路。

　　3 系統軟件設計

　　本系統的軟件程序包括主控程序，安防監控報警程序，定時、紅外遙控信號的接收程序，振鈴、撥號、收號等中斷處理程序，家電遠程控制程序，以及遙控器的信號發射程序等， 主要采用C語言設計。 由于篇幅所限， 這里只給出主控程序和報警程序的設計思路和處理流程。

　　3. 1 主控程序的設計

　　主控程序裝載于主控板的MCU 芯片的FLASH存儲器中，主要功能是完成以下功能：單片機的初始化，接收和處理遙控器發送的窗簾控制命令；在定時中斷程序的配合下進行窗簾的定時開合的控制；掃描紅外感應、燃氣檢測等傳感器的輸出信號，如有報警，當有人在家時（未設防）播放聲音提示，無人在家時則向報警與控制板發出請求，再由該板完成電話撥號報警處理。 主控程序的處理流程如圖8所示。

　　圖8 主控程序流程

　　3. 2 安防監控報警程序的設計

　　該程序裝載于報警與控制板的MCU芯片中，振鈴、撥號、收號等中斷處理程序也駐留在該芯片內，主要實現循環電話撥號、向摘機者播放報警留言語音，以及電話號碼（及遠程控制操作碼）的預存、查詢與更新等功能。 程序的處理流程如圖9所示。

　　圖9 安防報警程序流程

　　4 結束語

　　通過近1年的工作，基于公話網的智能家居系統已完成了樣品的研制，經試用檢測，基本上實現了設計的各項功能，具有性能穩定、功能齊全、操作簡便、安裝快捷等特點，適用于絕大多數的家庭和場館大樓，可為廣大公眾提供一個舒適、安全、方便的生活與辦公環境， 具有廣泛的實用價值。