智能家居中央控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

       智能家居是以住宅為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖ�、網(wǎng)絡(luò)通信、信息家電、設(shè)備自動(dòng)化，集系統(tǒng)、結(jié)

構(gòu)、服務(wù)、管理為一體的高效、舒適、安全、便利、環(huán)保的居住環(huán)境。

開發(fā)的智能家居采用模塊化的結(jié)構(gòu)，無(wú)需依靠主機(jī)、復(fù)雜的布線，可以任意連接智能家居等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安防設(shè)備和所有的家庭電器，可以在居室里或遠(yuǎn)程控制所有的家電的開關(guān)時(shí)間和工作方式、控制燈光的開關(guān)亮度、設(shè)置在不同的場(chǎng)景下各種設(shè)備的工作方式、布置安防系統(tǒng)，使家居生活更具個(gè)性化，讓人們在生活中體會(huì)到科技帶來(lái)的便利、自由和舒適。家庭智能系統(tǒng)提供智能控制、信息服務(wù)和家庭安防監(jiān)控三大功能模塊可以單獨(dú)安裝使用。

中控系統(tǒng)示意圖如下：

智能家居具有強(qiáng)大的控制功能：

● 直接控制：利用控制面板控制多個(gè)電器的開關(guān)或布防撤防。

● 聯(lián)動(dòng)控制：報(bào)警時(shí)可以聯(lián)動(dòng)打開燈光， 關(guān)閉氣閥、水閥等。

● 場(chǎng)景控制：調(diào)節(jié)燈光開關(guān)和亮度， 應(yīng)用于就寢、起居、外出、party等場(chǎng)合。

可以為你的工作和生活帶來(lái)極大的便利，是現(xiàn)代時(shí)尚生活的趨勢(shì)。

    本設(shè)計(jì)包括無(wú)線觸屏控制模塊（包括紅外學(xué)習(xí)模塊）、電話控制模塊、紅外反射板、家電控制中心等構(gòu)造成高科技舒適的智能家居系統(tǒng)。

一、觸屏控制模塊

    終端觸控顯示部分硬件電路由微控制器、液晶屏和液晶顯示控制器、觸摸屏和觸摸屏控制器、存儲(chǔ)器以及供電電路等其它部分組成。其中微處理器采用了Winbond公司的W78E58，此單片機(jī)與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS-51系列單片機(jī)兼容，它具有3個(gè)16位定時(shí)器，12個(gè)中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，2個(gè)增強(qiáng)型串口，32KB Flash EPROM，可編程Watchdog,雙DPTR指針。2片62256分別作液晶屏的顯存和簽名數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，液晶顯示觸摸屏控制器采用前兩節(jié)介紹的控制器。

    1、觸摸屏控制系統(tǒng)

    ⑴ 液晶顯示系統(tǒng)

       液晶顯示器簡(jiǎn)稱LCD。LCD產(chǎn)品是世界上最省電的顯示產(chǎn)品。由于液晶顯示器具有低損耗、低價(jià)格、壽命長(zhǎng)、接口方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、照相機(jī)、計(jì)算機(jī)、智能儀器儀表等產(chǎn)品上。

液晶顯示采用北京精電蓬遠(yuǎn)MGLS320240A模塊，結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示。從圖中不難看出該模塊是內(nèi)置SED1335控制器的液晶顯示模塊(LCM)，它由CCFT背光、SED1335控制器、32K×8SRAM、驅(qū)動(dòng)單元(圖中U1～U7)、液晶板等部分組成。SED1335等具有較強(qiáng)功能的I/O緩沖器、較強(qiáng)的管理顯示存儲(chǔ)器的能力(有160種內(nèi)部字符發(fā)生器，并能分區(qū)管理64K的顯示存儲(chǔ)器)和閃爍顯示、點(diǎn)位移等特性。SED1335還可以4位數(shù)據(jù)并行發(fā)送，最大驅(qū)動(dòng)能力為640×256點(diǎn)陣。 

與89C51系列單片機(jī)接口部所屬的引腳如下：

根據(jù)數(shù)據(jù)的性質(zhì)，顯示區(qū)具有文本顯示特性和圖形顯示區(qū)。MGLS320240A模塊有320×240點(diǎn)陣，可以顯示各種圖形和文本信息。文本顯示RAM區(qū)內(nèi)各單元的數(shù)據(jù)都被認(rèn)為是字符代碼，液晶模塊使用這些代碼確定字符庫(kù)中的字符首地址，然后將對(duì)應(yīng)的字模數(shù)據(jù)送到液晶顯示的驅(qū)動(dòng)單元中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)顯示。圖形顯示RAM中的每個(gè)字節(jié)數(shù)被直接送到液晶顯示模塊上，圖形RAM的一個(gè)字節(jié)對(duì)應(yīng)顯示屏上的8×1點(diǎn)陣。

軟件編程 
    所有程序段均使用MCS-51系列匯編指令編制而成。模塊內(nèi)驅(qū)動(dòng)控制器SED1335等有自身的軟件特性，編初始化程序時(shí)，首先要根據(jù)液晶顯示模塊的特性選擇初始化SYSTEM SET指令參數(shù)和SCROLL參數(shù)。初始化SYSTEM SET指令參數(shù)有8個(gè)，依次為P1～P8。LMBGA_032_49CK_模塊的P1～P8參數(shù)可以定義systab,db 30h、87h、07h、27h、42h、0ffh、28h、00h。

    ⑵ 觸摸系統(tǒng)

    ① 觸摸屏的基本原理

       典型觸摸屏的工作部分一般由三部分組成，如下圖所示：兩層透明的阻性導(dǎo)體層、兩層導(dǎo)體之間的隔離層、電極。阻性導(dǎo)體層選用阻性材料，如銦錫氧化物（ITO）涂在襯底上構(gòu)成，上層襯底用塑料，下層襯底用玻璃。隔離層為粘性絕緣液體材料，如聚脂薄膜。電極選用導(dǎo)電性能極好的材料（如銀粉墨）構(gòu)成，其導(dǎo)電性能大約為ITO的1000倍。

觸摸屏工作時(shí)，上下導(dǎo)體層相當(dāng)于電阻網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)某一層電極加上電壓時(shí)，會(huì)在該網(wǎng)絡(luò)上形成電壓梯度。如有外力使得上下兩層在某一點(diǎn)接觸，則在電極未加電壓的另一層可以測(cè)得接觸點(diǎn)處的電壓，從而知道接觸點(diǎn)處的坐標(biāo)。比如，在頂層的電極(X+,X－)上加上電壓，則在頂層導(dǎo)體層上形成電壓梯度，當(dāng)有外力使得上下兩層在某一點(diǎn)接觸，在底層就可以測(cè)得接觸點(diǎn)處的電壓，再根據(jù)該電壓與電極(X+)之間的距離關(guān)系，知道該處的X坐標(biāo)。然后，將電壓切換到底層電極（Y+,Y－）上，并在頂層測(cè)量接觸點(diǎn)處的電壓，從而知道Y坐標(biāo)。

② 觸摸屏的控制實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)采用BB(Burr-Brown)公司生產(chǎn)的芯片ADS7843觸摸屏專用控制芯片。

● ADS7843的基本特性與典型應(yīng)用

ADS7843是一個(gè)內(nèi)置12位模數(shù)轉(zhuǎn)換、低導(dǎo)通電阻模擬開關(guān)的串行接口芯片。供電電壓2.7~5 V，參考電壓VREF為1 V~+VCC，轉(zhuǎn)換電壓的輸入范圍為0~ VREF，最高轉(zhuǎn)換速率為125 kHz。ADS7843的引腳配置如圖A所示。表A為引腳功能說(shuō)明，圖B為典型應(yīng)用。

●     程序?qū)崿F(xiàn)

程序采用匯編語(yǔ)言編寫，檢測(cè)觸摸信號(hào)采用外部中斷方式。

⑶ 結(jié)論
    利用SED1335和ADS7846組成的用51系列單片機(jī)控制數(shù)字簽名手持式設(shè)備，具有成本低、簽名效果清晰等優(yōu)點(diǎn)。在嵌入式領(lǐng)域中，隨著新器件的不斷涌現(xiàn)，一些微控制器（比如EPSON系列單片機(jī)、Motorola的龍珠芯片）可以直接驅(qū)動(dòng)液晶屏顯示，這樣可以大大降低硬件電路的設(shè)計(jì)。 

    2、學(xué)習(xí)型紅外遙控

    學(xué)習(xí)型紅外遙控系統(tǒng)可以學(xué)習(xí)任何遙控器的每個(gè)按鍵功能。本設(shè)計(jì)采用最佳化應(yīng)用模式設(shè)計(jì)，電路簡(jiǎn)單，可靠性高，尤其是通過(guò)大量不同遙控碼的特征分析，在遙控碼的讀入時(shí)選擇了最佳采樣頻率，使遙控碼的學(xué)習(xí)成功率大大提高。此技術(shù)可應(yīng)用于多媒體教室、家庭集中控制等設(shè)備。

    ⑴ 系統(tǒng)主要程序的設(shè)計(jì)：

    ① 初始化程序；

    ② 遙控碼讀入處理程序；

    ③ 遙控碼發(fā)送處理程序；

    ④ 主程序；

    ⑤ 延時(shí)程序。

    ⑵ 電路主要性能指標(biāo)：

    ① 最大學(xué)習(xí)碼長(zhǎng)206b；

    ② 學(xué)習(xí)碼識(shí)別范圍：

起始位：21us~1.376s;

編碼位：21us~5.355ms;

    ③ 讀碼誤差：±21us;

    ④ 幀間歇位識(shí)別范圍：小于1.37s,大于5.355ms。

二、電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

1、電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)接收遠(yuǎn)端發(fā)送來(lái)的DTMF信號(hào),并對(duì)其進(jìn)行解碼,解碼后的信號(hào)再由中央處理單元采集處理;為了方便用戶使用,系統(tǒng)設(shè)計(jì)了語(yǔ)音提示界面;電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)一般工作在元人值守環(huán)境,所以應(yīng)具有自動(dòng)離線、上線、復(fù)位功能;為了符合智能化要求,系統(tǒng)采用51系列單片機(jī)作為中央處理器。同時(shí),電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)正常工作還需電源供電電路、驅(qū)動(dòng)電路等輔助電路。智能電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)電原理圖見附頁(yè)。

系統(tǒng)主要由DTMF音頻解碼電路、（語(yǔ)音提示電路）、離線/上線/復(fù)位電路、中央處理單元、驅(qū)動(dòng)電路、電源電路等組成。

2　各部分電路及工作原理

　  2.1　中央控制電路

中央控制電路的主要功能是接收鈴流檢測(cè)電路和DTMF解碼電路的中斷信號(hào),發(fā)送對(duì)上線/離線/復(fù)位電路和受控設(shè)備的控制信號(hào),對(duì)語(yǔ)音錄放電路進(jìn)行尋址操作,接收DTMF解碼電路的四位二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

　　2.2　DTMF音頻解碼電路

DTMF(Dual Tone Multi Frequency)雙音多頻信號(hào)解碼電路是目前在按鍵電話(固定電話、移動(dòng)電話)、程控交換機(jī)及無(wú)線通信設(shè)備中廣泛應(yīng)用的集成電路。它包括DTMF發(fā)送器與DTMF接受器,前者主要應(yīng)用于按鍵電話作雙音頻信號(hào)發(fā)送器,發(fā)送一組雙音多頻信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)音頻撥號(hào)。雙音多頻信號(hào)是一組由高頻信號(hào)與低頻信號(hào)疊加而成的組合信號(hào),CCITT和我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定了電話鍵盤按鍵與雙音多頻信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表所示。

電話撥號(hào)數(shù)字對(duì)應(yīng)的高低頻率組合關(guān)系

　　電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用MITEL公司生產(chǎn)的MT8870 DTMF接受器作為DTMF信號(hào)的解碼核心器件。MT8870主要用于程控交換機(jī)、遙控、無(wú)線通信及通播系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)DTMF信號(hào)的分離濾波和譯碼功能,輸出相應(yīng)16種頻率組合的四位并行二進(jìn)制碼。MT8870具有撥號(hào)音抑制和模擬信號(hào)輸入可調(diào)功能,所以在設(shè)計(jì)MT8870 DTMF解碼電路時(shí),只需外加一些阻容元件即可�！　�

遠(yuǎn)端用戶發(fā)送的DTMF信號(hào),經(jīng)搞合電容的隔直流作用后,由MT8870接收并進(jìn)行譯碼,輸出的四位并行二進(jìn)制數(shù)據(jù)直接與8051單片機(jī)的P0.0～P0.3連接,MT8870在DTMF信號(hào)碼變換完成后,由CID端發(fā)送中斷信號(hào)INT1,通知8051數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。

　　2.3　語(yǔ)音提示電路（參考）

電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)利用語(yǔ)音提示電路實(shí)現(xiàn)用戶和系統(tǒng)的交流。語(yǔ)音提示電路預(yù)先存儲(chǔ)若干段系統(tǒng)提示音,8051中央處理單元電路判斷用戶發(fā)送的DTMF信號(hào)后,對(duì)語(yǔ)音提示電路進(jìn)行尋址,播放相應(yīng)的提示音,從而向用戶反饋信息提示下一步該如何操作。

系統(tǒng)軟件

　　(1)系統(tǒng)身份認(rèn)證功能為了保證只有合法用戶才能操作系統(tǒng),電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)上線以后,用戶必須輸入密碼,待系統(tǒng)確認(rèn)后才具有對(duì)系統(tǒng)的操作權(quán)限。

　　(2)用戶信令解釋功能對(duì)收到的用戶信號(hào),系統(tǒng)按照軟件設(shè)定加以解釋,并決定對(duì)語(yǔ)音提示電路尋址,播放相應(yīng)的系統(tǒng)提示音,實(shí)現(xiàn)用戶和電話遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)間的交互操作,或者對(duì)外部受控設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

(3)軟件定時(shí)功能系統(tǒng)軟件設(shè)定系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位的軟件定時(shí)器,定時(shí)器的設(shè)置值規(guī)定了系統(tǒng)一次上線工作的最大時(shí)間。若一次工作超時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)離線,進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

三、家電集中控制中心

       1、硬件電路設(shè)計(jì)

       微處理器采用與51系列兼容的華邦W78E5X單片機(jī)。

十六路輸出控制繼電器，可以控制十六路家用電器的電源。為了系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性起見，使用了TLP521-4光電耦合器進(jìn)行隔離保護(hù)。

兩路光控可控硅可調(diào)燈光（日光燈、白熾燈或LED燈）輸出接口。

六路家居安防接口。系統(tǒng)主要包括門感煙火災(zāi)探測(cè)器、玻璃探測(cè)器、磁或被動(dòng)紅外探測(cè)器，主機(jī)與探測(cè)器之間采用加密信號(hào)有線（無(wú)線）聯(lián)絡(luò)，如為無(wú)線距離可達(dá) 150 米以上。

       2、控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

       ⑴ 初始化程序和主程序模塊

       初始化程序部分主要使系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位初始化的狀態(tài)值。

       主程序部分首先調(diào)用初始化程序，再進(jìn)入主程序循環(huán)狀態(tài)，在循環(huán)中主要任務(wù)是50Hz交流過(guò)零檢測(cè)和調(diào)用移相角控制的延時(shí)程序。

       ⑵ 外部中斷0中斷服務(wù)程序

       當(dāng)紅外接收器輸出脈沖幀數(shù)據(jù)，第一位碼下降沿觸發(fā)中斷程序，實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)幀，并對(duì)第一位（起始位）碼的碼寬進(jìn)行驗(yàn)證。

       ⑶ 移相角控制用延時(shí)程序

       通過(guò)改變移相角的大小，可以改變光控可控硅的導(dǎo)通角的大小，從而改變輸出電壓的高低，所以移相角的變化控制燈光的明暗亮滅變化。移相角是利用軟件延時(shí)的長(zhǎng)短來(lái)改變的。當(dāng)延時(shí)長(zhǎng)時(shí)，移相角大，導(dǎo)通角��；當(dāng)延時(shí)程序短時(shí)，移相角小，導(dǎo)通角大；當(dāng)導(dǎo)通角為0時(shí)，燈光熄滅。

       ⑷ 串口通信程序

       主要接收來(lái)自智能遠(yuǎn)程電話控制器的控制數(shù)據(jù)。

各系統(tǒng)模塊電原理圖請(qǐng)參閱附件。

四、成本核算

       本中控系統(tǒng)平臺(tái)采用最簡(jiǎn)化、性能價(jià)格比最優(yōu)化軟硬件（電路）進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1、 無(wú)線紅外觸摸中控

● 液晶模塊MGLS320240A   450元RMB/PCS

● 四線電阻觸摸屏             220元RMB/PCS

● 微處理器W78E54              12.0元RMB/PCS

● 觸摸屏控制器ADS7843     20元RMB/PCS

● 存儲(chǔ)器AT24C256         10.0元RMB/PCS    

● 可充電電池（鋰電）           元RMB/PCS

加上其它電阻電容、二三極管、電源、線路板等合計(jì)約：786元RMB

請(qǐng)參照附件INFRARED  BOM表。         

2、 電話遠(yuǎn)程控制器

● 微處理器W78E54              12.0元RMB/PCS

● DTMF音頻解碼電路MT8870  8.0元RMB/PCS

● 語(yǔ)音電路 ARP9600         40元RMB/PCS

● 運(yùn)算放大器LM386         2.0元RMB/PCS

● 電源變壓器               30元RMB/PCS

加上其它電阻電容、二三極管、電源、線路板等合計(jì)約：110元RMB

請(qǐng)參照附件TELE  BOM表。

3、 家電集中控制器

● 微處理器W78E58              16.0元RMB/PCS

● 24V繼電器               3.5元RMB/PCS×16

● 光電藕合器TLP521-4        3元RMB/PCS×4

● 電源變壓器               120元RMB/PCS

加上其它電阻電容、二三極管、電源、線路板等合計(jì)約：210元RMB

請(qǐng)參照附件CONTROL  BOM表。

以上報(bào)價(jià)是以本人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的估價(jià)(包括電話或網(wǎng)絡(luò)詢價(jià))，具體價(jià)格以當(dāng)前市場(chǎng)價(jià)格為準(zhǔn)。

成本不包含機(jī)械（結(jié)構(gòu)）部分。