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隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和通信技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對生活要求的不斷提高，實(shí)現家庭智能的遠程控制已經(jīng)成為必然的趨勢。本文采用嵌入式系統、GPRS 通訊技術(shù)和RS485總線(xiàn)技術(shù)相結合的方式，研制了一種操作簡(jiǎn)單且成本較低的遠程智能家電控制系統。通過(guò)該系統，可以將家中的電器、防盜系統、水電系統有機的結合起來(lái)，實(shí)現對家用電器和各個(gè)子系統的智能管理。同時(shí)能通過(guò)短信等方式，實(shí)現對家庭系統的遠程監控。 1 總體方案設計 如圖1所示。智能家電控制系統由家庭智能控制模塊、家庭內部網(wǎng)絡(luò )系統、以及GPRS模塊等幾部分構成。 
(1)家庭智能控制器：該部分是系統的核心。采用嵌入式系統設計，能夠自動(dòng)運行、處理數據，通過(guò)RS485總線(xiàn)管理和控制家庭系統。并且控制器通過(guò)GPRS模塊，實(shí)現家庭系統與外部網(wǎng)絡(luò )的通訊，使用戶(hù)可以通過(guò)短信和互聯(lián)網(wǎng)等方式實(shí)現家庭系統的遠程控制，同時(shí)，控制器還通過(guò)鍵盤(pán)和顯示屏為用戶(hù)提供人機界面，方便用戶(hù)實(shí)現本地控制。 (2)家庭系統：家庭系統通過(guò)單片機組成若干小的控制系統控制各家用設備，并通過(guò)統一的控制總線(xiàn)將這些小的控制系統組成網(wǎng)絡(luò )，連接到家庭智能控制器，受家庭智能控制器控制。 家庭智能控制器系統的具體功能包括： (1)家用設備的數據采集：采集家用設備包括室內溫度、燈具家電、防盜門(mén)等設備的狀態(tài)數據，經(jīng)控制器處理后反饋給用戶(hù)。 (2)本地控制：用戶(hù)通過(guò)控制器上的鍵盤(pán)和顯示屏，對家用設備進(jìn)行監控。 (3)遠程控制：遠程用戶(hù)可以通過(guò)發(fā)送手機短信或通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)對家庭系統進(jìn)行控制和查詢(xún)。 (4) 自動(dòng)報警：當控制器檢測到非法闖入或溫度超高等報警信號時(shí)，及時(shí)觸發(fā)室內報警裝置，并通過(guò)發(fā)送報警短信等方式及時(shí)通知用戶(hù)。 (5)溫度查詢(xún)：用戶(hù)可以通過(guò)控制器查詢(xún)室內溫度。 (6)紅外家電控制：接收用戶(hù)命令，通過(guò)紅外發(fā)射電路控制電視、空調等紅外可控的家電設備。 2 系統硬件設計 2．1 硬件系統結構 本文選用三星公司S3C4480芯片作為控制器的中心控制模塊，負責和GPRS通信模塊、家庭系統模塊、數據存儲、鍵盤(pán)、顯示屏等模塊進(jìn)行通訊以及系統的數據采集和處理。主要分為家庭智能控制器和家庭系統兩部分。 2．2 智能住宅家庭控制裝置的硬件設計 控制器的電路設計部分主要分為如下幾個(gè)模塊： (1)ARM處理器S3C44B0的外圍電路模塊：包括電源管理、鍵盤(pán)、顯示屏以及SDRAM、Flash等數據及程序存儲設備。 (2)GPRS通信模塊及其外圍電路設計：GPRS模塊用于實(shí)現遠程用戶(hù)與控制終端的數據傳送，本文選用了西門(mén)子公司的MC35I模塊。其外圍電路設計主要完成了MC35模塊的供電部分，數據傳送、模塊啟動(dòng)和關(guān)閉及工作模式指示等部分的電路設計。 (3)串口擴展：GPRS modem撥號上網(wǎng)需要處理器為其提供完整的9線(xiàn)串口，而S3C4480只提供了3線(xiàn)串口。因此本文通過(guò)外接雙通道的通用異步收發(fā)器ST16C2550擴展了完整的9線(xiàn)串口擴展。 (4)RS485轉換器：通過(guò)TI公司的RS485接口芯片75LBCl84，實(shí)現了S3C4480(單片機)串行口的TTL電平與RS485電平之間的轉換，該芯片的輸入阻抗為RS485標準輸入阻抗的2倍(≥24kΩ)，故可以在總線(xiàn)上連接64個(gè)節點(diǎn)。 2．2．1 ARM處理器的外圍電路設計 2．2．1．1 開(kāi)發(fā)板資源的使用 開(kāi)發(fā)板提供了豐富的外部資源，下面對除了電源、時(shí)鐘源、復位電路等必要配置外，系統使用到的部分資源作簡(jiǎn)要介紹： 外部存儲器配置：2MB Flash、8MB SDRAM，為系統數據、程序和操作系統內核的存儲和運行提供存儲空間。 擴展網(wǎng)口：10M網(wǎng)口，RTL8019AS，該部分用于從PC機上下載操作系統內核和應用程序。 LCD接口(帶LCD顯示屏)：320×240，STN，16級灰度，最大可接640×480256色。 鍵盤(pán)：鍵盤(pán)和LCD接口用于為用戶(hù)提供本地控制的人機交互界面。 串口：兩個(gè)標準RS232接口。用于和PC機連接，通過(guò)超級終端進(jìn)行系統調試。 JTAG接口：利用JTAG仿真器可以通過(guò)JTAG邊界掃描口進(jìn)行在線(xiàn)仿真。目前JTAG有兩種標準，即14針接口和20針接口，開(kāi)發(fā)板采用的是標準14 針JTAG接口，支持ARM7全系列處理器，支持STD，并口連接，支持網(wǎng)絡(luò )調試功能。 蜂鳴器：作為室內的報警信裝置。 2．2．1．2 系統存儲器的分配 S3C44B0支持數據存儲的大／小端選擇(通過(guò)外部引腳進(jìn)行選擇)；具有8個(gè)存儲體，每個(gè)存儲體可達32MB，總共可達256MB；對所有存儲體的訪(fǎng)問(wèn)大小均可以改變(8位／16位／32位)；8個(gè)存儲體中，Bank0～Bank5可以支持ROM、SDRAM；Bank6、Bank7可支持ROM、 SRAM和SDRAM等；7個(gè)存儲體的起始地址固定，1個(gè)存儲體的起始地址可變。 開(kāi)發(fā)板中Flash選用SST39VFl60，lM×16位，作為程序存儲器主要用于替代ROM，必要時(shí)也可以存儲部分重要數據。開(kāi)發(fā)板中SDRAM芯片選用HY57V641620，4M×16bit，存儲容量為8MB。用SDRAM當作系統內存。 2．2．2 GPRS模塊NC35及其外圍電路設計 2．2．2．1 MC35模塊 MC35是Siemens公司推出的新一代無(wú)線(xiàn)通信GPRs模塊，主要由GSM基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊(ASIC)、閃存、ZIF連接器、天線(xiàn)接口六部分組成。 2．2．2 MC35外圍電路設計 (1)MC35I電源電路 模塊要求單一電源供電，提供3．3～4．8V的電壓(標準輸入為4．2v)、2A的電流。本文選用LM2576ADJ為模塊提供電源，該芯片為降壓式開(kāi)關(guān)電壓調整器，電壓的輸入范圍為：lO～40V，選用12V(通過(guò)220V轉12V變壓器得到)輸入，輸出為4．5V。供電部分電路設計如圖2所示。
(2)啟動(dòng)和關(guān)機電路 啟動(dòng)電路由開(kāi)漏極三極管和上電復位電路組成。本文用程控方式實(shí)現，其電路圖如圖3所示，其簡(jiǎn)化電路如圖4所示。 第一種方式為手動(dòng)控制方式，電路如圖3所示，主要用于MC35I模塊的單獨調試，當S1被按下時(shí)Q3基極為高電平，Q3導通，使IGT腳電壓被拉低，啟動(dòng)模塊。
關(guān)機電路通過(guò)三極管給該腳一個(gè)大于3．5s的低電平，可以關(guān)閉GPRS模塊。電路圖設計與圖3類(lèi)似。 2．2．2．3 數據通信電路 電氣特性方面MC35模塊的串口采用的是ITU—TV．24協(xié)議，和RS232電平并不兼容。因此需要進(jìn)行電平轉換。 本系統中我們使用TI公司的MAX3238電平轉換芯片。數據通信電路設計如圖5所示。
2．2．2．4 SlM卡電路 MC35I還提供了6個(gè)SIM卡電路接口，SIM卡讀卡器的電路連接圖如圖6所示：
2．2．3 串口擴展模塊 為了實(shí)現家庭智能控制器的網(wǎng)絡(luò )遠程控制，需要通過(guò)GPRS modem MC35實(shí)現撥號上網(wǎng)。本設計選用過(guò)AT公司的ST16C2550完成串口擴展，ST16C2550與ARM處理器的電路連接圖如圖7所示。
此外，ST16C2550的串口輸出為T(mén)TL電平，這里使用MAX3238將電平轉化為串口的RS232電平。 2．2．4 RS485接口電路 本系統設計的家庭智能控制器，家庭內部網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)采用RS485總線(xiàn)。由于A(yíng)RM處理器44B0和單片機(文中選用的Atmel公司的AT89C52)都沒(méi)有提供現成的RS485總線(xiàn)接口，因此需要選擇轉換芯片實(shí)現接口的轉換。本系統選用了TI公司生產(chǎn)的一種RS485接口芯片75LBC184。 2．2．4．1 RS485接口電路設計 44B0和單片機的串口輸出都為T(mén)TL電平，因此44B0和單片機與75LBC184的連接電路一致，其電路圖如圖8所示。
2．3 家庭系統模塊 家庭智能系統集家電控制、安全防范、娛樂(lè )休閑等多功能于一體。本文在家庭系統模塊實(shí)現了紅外家電控制、溫度報警模塊，每個(gè)模塊都由單片機作為控制器構成，并通過(guò)單片機連接RS485總線(xiàn)組成家庭網(wǎng)絡(luò )，并最終受家庭智能控制器控制。 2．3．1 紅外家電控制模塊 紅外家電控制模塊主要用于控制一些設備內含有紅外接收芯片的家用電器。 2．3．1．1 紅外發(fā)射電路設計 紅外發(fā)射電路中采用的紅外發(fā)射器件是塑封的TSAL6200紅外發(fā)射二極管，紅外脈沖串的寬度和間隔由單片機通過(guò)I／O口輸出的高低電平的時(shí)間間隔來(lái)控制，調制電路是74LS123的兩個(gè)單穩態(tài)觸發(fā)器U2A和U2B級聯(lián)構成的可控振蕩器。其電路圖如圖9所示。
2．3．1．2 紅外接收電路設計 紅外接收采用HS0038B紅外接收器，電路設計如圖10所示。
2．3．2 溫度報警器模塊 溫度測試和報警裝置在家用設備中是非常必要的。很多家用設備可以通過(guò)智能控制器讀取溫度信號進(jìn)行自主調節，當室內發(fā)生火情等緊急情況，可以通過(guò)溫度測試及時(shí)地向用戶(hù)發(fā)出報警信號，做出處理。 溫度傳感器選擇Dallas公司的單線(xiàn)數字溫度傳感器芯片DS18B20。電路設計如圖11所示。
3 系統軟件設計 系統的軟件設計主要的分為三個(gè)部分：家庭系統模塊的軟件設計、RS485通訊協(xié)議設計及家庭智能控制器與家庭系統通訊的軟件設計、家庭智能控制器的軟件設計。其中，家庭智能控制器的軟件設計是系統軟件設計的核心，該部分的軟件設計以嵌入式u Clinux操作系統為開(kāi)發(fā)平臺，負責家庭系統的數據采集、數據處理，并且能夠和遠程用戶(hù)通訊，實(shí)現遠程控制，是實(shí)現對家庭系統的智能化管理的關(guān)鍵。系統的軟件結構框圖如圖12所示。
4 結論 利用本裝置可以控制住宅溫度等參數，滿(mǎn)足智能住宅規定標準(溫度控制在18～28℃)；可以將家中的電器、防盜系統、水電系統有機地結合起來(lái)，實(shí)現對家用電器和各個(gè)子系統的智能管理。同時(shí)能通過(guò)短信等方式，實(shí)現對家庭系統的遠程監控。 作者：侯建華 菏澤學(xué)院 來(lái)源：電子技術(shù) |
