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哈尔滨理工人学上学硕士论文 网络化智能家居监控系统的研究 摘要 随着2 i 世纪的到柬，现代高科技和信息技术逐步由智能大厦走向智能住宅 小区，进而走向家庭。楼宇自动化的远程控制是未来的一种趋势，因此实现家 庭网络化，提高人类的生活质量，将足完成信息革命的最关键步。作为社区 智能化系统的核心，智能家居系统通过其核心设备家居控制器来实现家庭 自动化。家居控制器是智能家居的心脏，通过它可实现系统信息的采集、信息 输入、逻辑处理、信息输出、联动控制等。本课题的目的就是对网络化智能家 居监控系统进行研究，并设计完成智能家居控制器产品功能样机。 本文设计的智能家居控制器包括两大模块，分别为主控制模块和对讲录音 模块。主控制模块内嵌网卡芯片通过t c p i p 协议的嵌入式编程，为每个家居 控制器分配一个i p 地址，再经由小区服务器上i n t e m e t 网，实现了家庭的网络 化。此外主控制模块还要实现数据的输入和输出处理，利用继电器实现对家用 电器的智能控制，诸如警灯、门灯等的开关。对讲录音模块主要是实现可视对 讲和家庭录音留言以及完成信息的显示功能，二者是通过串口进行通讯的。 实践结果表明，用以太网实现的网络化智能家居监控系统，具有成本低， 性能稳定、经济价值高等优点，在未来的礼区信息传输中必将得到广泛的应用。 关键词智能家居：家庭网络化；以太网 i 哈尔滨理：人学l ：学硕士论文 r e s e a r c ho nm o n i t o rs y s t e mo f n e t w o r ks m a r th o m e a b s t r a c t w i t ht h e c o m i n g o f21s t c e n t u r y ，m o d e mh i g h - t e c h a n di n f o r m a t i o n t e c h n o l o g i e sa r eg e n e r a l l yu s e df r o ms m a r tb u i l d i n gt o s m a r tc o m m u n i t ya n d p e r s o n a lh o m e t h er e m o t ec o n t r o lo fb u i l d i n ga u t o m a t i o ni sa t r e n di nt h ef u t u r e ，s o t h ek e ) s t e pi nt h ei n f o r m a t i o nr e v o l u t i o ni st or e a l i z et h en e t w o r k h o m ea n dt o i m p r o v et h eq u a l i t yo fo u rl i f e a st h ec o r eo fs m a r tc o m m u n i t ys y s t e m ，s m a r th o m e c a nr e a l i z eh o m ea u t o m a t i o nt h r o u g hi t sc o r ed e v i c e - - t h es m a r th o m ec o n t r o l l e r t h e c o n t r o l l e ri st h eh e a r to fs m a r th o m es y s t e m ，i tc a nc o l l e c tt h es y s t e mi n f o r m a t i o n ， i n p u tt h ei n f o r m a t i o n ，p r o c e s sl o g i c ，o u t p u ti n f o r m a t i o n ，l i n k a g ec o n t r o l ，a n ds oo n t h i ss u b j e c ti st or e s e a r c ho nt h em o n i t o rs y s t e mo fn e t w o r ks m a r th o m ea n dd e s i g n as a m p l eo fs m a r th o m ec o n t r o l l e r t h es m a r th o m ec o n t r o l l e ri n c l u d e st w om o d u l e s ，o n ei st h em a i nc o n t r o l m o d u l e t h eo t h e ri st h et a l ka n dr e c o r dm o d u l e t h em a i nc o n t r o lm o d u l ee m b e d e da n e t w o r kc h i pi sd i s t r i b u t e da ni pa d d r e s st h r o u g ht h et c p i pe m b e d e d p r o g r a m m i n g t h e nt h es m a r th o m ec o n t r o l l e rc a nb ec o n n e c t e dt h ei n t e m e tt h r o u g ht i l es e r v e r p l a c e di nt h ec o m m u n i t ym a n a g e m e n tc e n t r e ，a n dt h e ni t i sp o s s i b l et or e a l i z ea n e t w o r k h o m e f u r t h e r m o r e ，t h em a i nc o n t r o lm o d u l ep r o c e s s e sd a t ai n p u to ro u t p u t ， c o n t r o l st h eh o m ea p p l i a n c ei n t e l l i g e n t l yw i t hr e l a y , s u c ha ss w i t c h i n gt h ea l e r tl a m p a n dd o o rl a m p t h et a l ka n dr e c o r dm o d u l er e a l i z e st h ev i s u a jt a l k ，h o m er e c o r da n d i n f o r m a t i o nd i s p l a y t h et w om o d u l e sc o m m u n i c a t et oe a c ho t h e rt h r o u g ht h e i rs e r i a l p o r t s t h em o n i t o rs y s t e mo fn e t w o r ks m a r th o m eb a s e do ne t h e m e th a st h e a d v a n t a g e so fl o wc o s ta n dh i 曲s t a b i l i t y i tw i l lb eu s e dw i d e l yi nc o m m u n i t y i n f o r m a t i o nt r a n s m i t t i n gi nt h ef u t u r e k e y w o r d ss m a r th o m e ；n e t w o r k h o m e ；e t h e m e t 哈尔滨理1 人学1 ：学硕f ：论文 第1 章绪论 1 1 智能家居技术的发展历程、现状与趋势 1 9 8 4 年美国康潭狄格州的哈特福市将幢旧金融大厦进行了改造，楼内 的空调、电梯、照明、防盗等设备采用计算机控制，采用计算机网络技术为客 户提供文字处理、电子邮件和情报资料等信息服务，这是世界公认的第一座智 能大厦，随后智能大厦在欧美等发达国家获得了飞速的发展。中国的第一座智 能大厦被认为是北京的发展大厦，随后相继建成了一批智能大厦，如深圳的地 王大厦、北京西客站、上海证券大厦等。由于施工和管理方面的原因，中国智 能大厦的建设一度陷入低潮，到了1 9 9 7 年深圳梅林一村( 7 0 0 0 多户) 和上海 邮电二村( 近3 0 0 户) 在全国率先推出了智能系统，在市场上引起了极大的反 响，房地产商纷纷效仿，掀起了一股智能化建设的热潮”】。 智能建筑( 即公共建筑和住宅小区智能化) 是现代建筑技术与现代通信技 术、计算机技术和控制技术发展的必然需求i j | i 。智能建筑在我国建筑行业的迅 速发展，呈现出了巨大的市场潜力，社会、经济效益显著，对于改造提升传统 建筑产业和改善人民生活水平起到了积极的作用，为人们提供了更为安全、舒 适、方便、高效的工作与生活环境。我国国民经济的快速持续发展、综合国力 的增强和城市信息化建设的推进，为智能建筑的发展提供了有力的保障。在进 入2 1 世纪的今天，回顾总结十多年来我国智能建筑的发展经验，以科学的态度 面对已有的公共建筑和住宅小区智能化的建设，进一步提高产品的可靠性和稳 定性，确保使用功能达到节约资源、降低能耗和保护环境的目的。住宅小区 智能化要充分考虑居民的条件，从实际出发，既满足当前功能需求，同时又为 未来拓展留有余地。通过总结、完善、提高，以加快我国智能建筑的建设与发 展”。 1 1 1 智能家居介绍 1 1 1 1 数字化社区智能系统介绍对智能小区的概念至今还没有形成标准 说法很多。其中，比较概括的说法是：智能小区是指配备有智能化系统的屠住 区，达到建筑结构与智能化有机结合，并能通过高效的管理与服务，为住户提 供一个安全，舒适与便利的居住环境。小区智能化系统包括十几个子系统，对 于众多的智能化子系统也存在着多种不同的分类方法。从用户使用的角度出发， 小区智能化系统可以归结为三大系统：家居智能系统、社区智能系统、网络集 哈尔滨理工大学 ：学硕士论文 成系统”。1 。其结构框图分别如图1 1 ，1 2 ，1 3 所示。 图1 1 家居智能系统框图 f i g u r e1 - 1b l o c kd i a g r a mo f s m a r th o m es y s t e m 图1 2 社区智能系统框图 f i g u r e1 - 2b l o c kd i a g r a mo f s m a r tc o m m u n i t ys y s t e m 削i 3 网络集成系统框图 f i g u r e1 - 3b l o c kd i a g r a mo f n e t w o r ki n t e r g r a t i o ns y s t e m 1 1 1 2 数字化社区智能的核心是家居智能社区的智能化涉及社区周边、社 区内以及住户家庭内的智能化。包括：在社区周边及社区内设置安全防范系统， 并在住宅内设置可视对讲、防盗报警探测器、紧急求助按钮和报警按钮、可燃 气体探测报警等家庭安全防范系统，设置三表( 或四表) 出户计量系统、家电 哈尔滨理工大学工学硕士论文 控制以及电视、电话和计算机网络服务，为住户需求的高速通信提供可能。家 庭智能化部分与住户生活息息相关，不但满足了住户对安全、舒适、便利的需 求，而且从根本卜改善了住户的居住环境提高了住户的生活质量，是社区智能 化的核心“” 12 1 。 1 1 1 3 智能家居智能家居是指利用先进的计算机技术、网络通讯技术、综 合布线技术，将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起，通过统筹管 理，让家居生活更加舒适、安全、有效“。与普通家居相比，智能家居不仅 具有传统的居住功能，提供了舒适安全、高品位且宜人的家庭生活空间，而且 由原来的被动静止结构转变为具有能动智慧的工具，提供全方位的信息交换功 能，帮助家庭与外部保持信息交流畅通，优化人们的生活方式，帮助人们有效 安排时间，增强家居生活的安全性，甚至为各种能源费用节约资金。作为社区 智能化系统的核心，家居智能平台系统通过其核心设备家庭智能终端来实 现家庭智能化。家庭智能终端是智能家居的心脏，通过它可实现系统信息的采 集、信息输入、逻辑处理、信息输出、联动控制等“j 。家庭智能终端的功能 如下：可视划讲、家庭安防、家电智能控制、三表自动抄送、网络通讯、录音 留言等。 1 1 2 智能家居技术的发展历程 近十年来，我国智能建筑的发展大体可分为两个阶段：初始阶段和发展阶 段“。 初始阶段( 1 9 9 0 1 9 9 5 ) ：我国在2 0 世纪8 0 年代术，由建设部编制的民 用建筑电气设计规范中，实际上已开始涉及到智能建筑的理念，提出了楼宇 自动化和办公自动化，直到2 0 世纪9 0 年代初，随着国际智能建筑技术引入我 国，智能建筑这一概念才逐渐被越来越多的人所认识和接受，尤其是到了1 9 9 3 年以后，成为我国许多城市房地产商售楼的热点。智能建筑在我国的兴起基于 两方面的因素：一是随着改革开放，我国国民经济持续快速发展，综合国力不 断增强，人民生活水平同益提高，人们迫切需要改善、提高工作和生活环境， 而智能建筑正是适应这一需求的重要途径之一：二是由于现代通信技术、计算 机、网络技术和控制技术的迅速发展，为智能建筑提供了充分的技术条件。智 能建筑在我国的出现，受到了政府部门、高等院校、科研设计院所、企业厂商 等的极大关注和支持，并在上海、广州、深圳和北京等地相继建成了一批具有 一定智能化水平的智能大厦。为了适应智能建筑发展的需要，1 9 9 5 年3 月，中 国工程建设标准化协会通信工程委员会发布了建筑与建筑群综合布线和设计 - 3 哈尔滨理工大学工学硕士论文 规范。1 9 9 5 年7 月，华东建筑设计院制定了上海地区智能建筑设计标准。 其后，中国工程建设标准化协会通信工程委员会颁布了建筑结构化布线工程 设计与验收规范。这些标准规范的颁布，为智能建筑的设计、施工提供了依据。 这一阶段的特点：一是建筑智能化的对象主要是宾馆和商务楼，二是主要采用 国外产品，三是出现了片面追求高标准的现象”“”。 发展阶段( 1 9 9 6 年至今) ：自1 9 9 6 年以来，我国智能建筑的建设取得了较 大的发展。智能建筑技术在全国范围内得到了推广应用，其对象由宾馆、商务 楼向银行、证券、办公、图书馆、博物馆、展览馆以及住宅( 含住宅小区) 等 拓展。智能建筑队伍迅速成长，初步形成了一支具有一定规模的智能建筑设计、 施工力量和系统集成商、产品供应商。与此同时，建设部和上海、江苏、陕西、 四川等省市先后成立了智能建筑专业委员会及学术研究机构，对智能建筑的发 展起到了积极的推动作用。1 9 9 7 年1 1 月，建设部颁布1 9 9 6 2 0 1 0 年建筑技 术政策，智能建筑作为开发新技术领域的建筑产品纳入了该文件的建筑技术 政策纲要中。其后，国家经贸委发布“九五”国家重点技术开发指南，智 能建筑技术被列入其中。为了加强对建筑智能化工程的设计管理，规范工程设 计行为，保障工程设计质量，1 9 9 7 年和1 9 9 8 年，建设部发布建筑智能系统工 程设计管理暂行规定和智能建筑设计及系统集成资质管理规定。2 0 0 0 年上 半年，建设部颁布了智能建筑设计标准，信息产业部颁布了建筑与建筑群 综合布线系统工程设计规范及建筑与建筑群综合布线系统工程验收规范。 这些技术法规的制定为我国智能建筑健康有序地发展奠定了技术基础。2 0 0 0 年8 月，建设部修改了建筑物防雷设计规范，增加了智能建筑弱电系统防雷 及防浪涌部分的内容，解决了在建筑中大量电子产品防雷及防止浪涌设备的破 坏问题。1 9 9 9 年以来，我国智能建筑的设计也较为注重切合实际克服了过去 贪大求全的做法。智能建筑技术产品也由过去的封闭状态向丌放性、市场化、 公平竞争方面转化，使智能建筑市场全丽走向有序的发展轨道。近二三年来， 智能建筑技术迅速向住宅小区延伸，住宅小区已成为智能建筑发展的主要市场。 为了指导住宅小区的智能化建设，建设部住宅产业促进中心与1 9 9 9 年1 2 月， 编写了全国住宅数字化社区智能系统示范工程建设要点与技术导则，目前， 建设部正在编制数字化社区智能系统小区设计标准”“。 1 1 3 智能家居技术的发展趋势 目前，国外的智能建筑发展己处于一个较高水平阶段，具有以下特点，值 得我们借鉴：智能建筑与节能环保以及业主的经济效益紧密相联；智能建筑充 一4 哈尔滨理工大学工学硕士论文 分体现“以人为本”的思想；智能建筑是信息产品升级换代和业主自身需求的 结合。城市信息化的建设必将进一步推进智能建筑的发展。智能建筑可以看作 是城市信息化的基本单元，未来的城市信息化必须依靠信息技术在城市生活的 各个方面发挥作用。因此，采用高科技进一步发展智能建筑技术势在必行。其 主要技术大致如下：控制网；信息网：无线通信技术：视频传输技术等。在智 能建筑中，局域嘲是系统各种信息融合的核心，在网上，不仅可以传输数据信 息，而且还可以传输语音、视像和控制信息。在智能建筑局域网上，实现多种 信息的融合是发展的方向”“。 我国数字化社区智能系统地建设应该朝以下三个方向发展：提高产品质量 和完善产品功能；开发具有“人性化”的产品；制订我国的智能建筑产业标准， 保护自己的知识产权“。 智能系统产品将朝具有人性化、具有远程维护功能、性能稳定、能在网络 上运行、价格低廉、外观美丽和具有时代科技气息的方向发展。中国数字化社 区智能系统建设的未来，将是以网络内容服务建设为主导，利用现有的有线电 视网、电话网、电力网、计算机网和无线网各自的优势，来实现数字化社区智 能系统的一切功能，为业主提供一个安逸、舒适的环境。综合利用现有网络的 各自优势，住宅区内完全不需布线，节约了资会和减轻了施工难度，业主能跟 卜最新科技的发展，是中国数字化社区智能系统未来的发展模式。社区将以电 子商务来提升整个社会的管理和服务水平“。 1 2 本课题来源及研究的背景 由于我国目前在智能社区和家庭自动化方面的发展，起步较晚，在这方面 还有形成统一的标准，各个商家都在提出各自的方案和推出自己的产品。本课 题是在深圳职业技术学院实习时经导师介绍，在深圳市傲斯达科技有限公司完 成。当时公司刚成立不久，主打项目是智能家居，公司的主要产品是网络化智 能家居控制器，在公司人员储备不足，各项管理措施有待完善的条件下开发此 产品，对自己来说是一个难得的锻炼机会。经过半年多的时间，开发出智能家 居控制器产品样机，功能齐全，并作为公司的主打产品参加了2 0 0 4 年1 0 月份 在深圳举办的第六届高新技术成果交易会会上奉产品以新颖的外形，稳定的 性能吸引了大批参观人士及业内人十，为公司创造了。定的经济效益。 1 3 本文的主要工作和内容安排 本文根据实际设计情况，将网络化智能家居控制器分为主控制模块和对讲 哈尔滨理工大学工学硕士论文 录音模块来介绍，分别介绍了网络化智能家居控制系统中各个子功能的软硬件 实现方法，下面是主要工作和内容安排：第2 章对社区信息的传输方式进行了 比较，提出了本课题的家庭自动化解决方案，第3 章介绍了主控制模块和对讲 录音模块之间以及上位机和家居控制器之间的通讯协议；第4 章介绍了主控制 模块的设计方法，主要包括家庭安防、家电的智能控制、网络通讯等予功能， 除此以外还对在调试过程中出现的问题进行了分析和总结；在此基础上，第5 章介绍了网络化智能家居控制系统中各个子系统的功能展示，配以图片加以说 明。最后对全文进行了总结，并提出了今后进一步研究的问题。 啥尔滨理工大学工学硕士论文 第2 章网络化智能家居控制器设计方案 在智能家居系统规划中，智能家居系统遵循的总体原则应该是”以人为本”， 也可以说是以管理和服务为本，这是贯穿整个系统规划的中心思想。智能家居 的集成设计绝不是围绕着各式各样的设备展开，这样会变成“以设备为本”， 但人不是设备的奴隶，设备是为人服务的。 2 1 智能家居控制器设计要求 2 1 1 智能家居控制器设计原则 1 安全性和可靠性安全和可靠是对的智能家居控制器基本要求，是智能 家居控制器所追求的主要目标。 2 满足业主需求智能家居控制器设计将以业主需求分析着手，并以得到 业主认可的需求为目标来开展工作。 3 理性和经济性在保证先进性的同时，充分考虑系统的实用和效益，争 取获得最大的投资回报率。 4 标准化智能家居控制器设计及其实施将按照国家和地方的有关标准进 行，尽可能符合工业标准或主流模式。 5 结构化和可扩充性智能家居控制器的总体结构将是结构化和模块化 的，具有很好的兼容性和可扩充性，既可使不同厂商的设备产品综合在一个系 统中，又可使系统能在日后得以方便地扩充，并扩展另外厂商的设备产品“”。 2 1 2 智能家居控制器应具备的特点 1 可视对讲所谓可视对讲是指在智能小区中，若有客人在小区的单元门 口主机处按下被访户主的房间号，当户主提起室内分机听筒时，家居控制器则 会显示来访者的图像，户主通过对话和图像的识别后，即可确定是否开门。这 一功能通过音频和视频的双重认定，极大地提高了住户的安全性。 2 安防报警智能家居控制器和用户家中的红外探头、火灾烟感、窗磁开 关、求助按钮开关、燃气泄漏等多种传感嚣相连接，当传感器出现报警状态时， 智能家居控制器立即向住宅小区管理中心报告，同时警灯、警铃也向住房和邻 居报告。 3 自动抄表智能家居控制器与住房家中的水、电、气等计费表相连接， 用户通过智能家居控制器随时查阅读数和费用情况，而管理中心在服务器上随 时查看各个用户的交费情况并自动催费。 哈尔滨理工大学工学硕士论文 4 ，家电控制可定时开启或关闭家电电源，也可通过网络实现远程设置定 时或强制控制家用电器。 5 信息接收可以接收来自小区管理中心发来的广播通知，天气预报、缴 费通知等简短信息，用户可在智能家居控制器的液晶显示屏上看到这些信息。 6 ，留有2 个网络标准接口家中个人电脑通过智能家居控制器可以接入国 际互联网i n t e r n e t ，在宽带网下尽情享受全球信息资源。 7 预留有8 个输入接口和4 个输出( 控制) 设备接口智能家居控制器预留 有8 个输入接口和4 个输出( 控制) 设备接口，每个端口可任意配置相应设备。 8 多项抗干扰技术智能家居控制器在软、硬件方面采用了多项抗干扰技 术，并且能对探测头报警作出判断，看是否满足报警“。 2 1 3 智能家居控制器结构分析和性能指标 智能家居控制器结构图如图2 - 1 所示。 防盗探测器ll 紧急求助按钮l一。j 视对讲il 管理中心 烟雾探测器 煤气探测器 彗n 兰竺竺兰j l 智能家居；：= = = = = =厂小区局域嘲络 兰竺竺卜厂磊订 门磁li 水表l l 电表ll 煤气表 图2 - 1 智能家居控制器结构图 f i g u r e2 - 1s t r u c t u r ed i a g r a mo f s m a r th o m ec o n t r o l l e r 智能家居控制器主要技术性能指标： 1 网络接口：t u 4 5 ； 2 ，网络通讯介质：u t p 5 类； 3 ，通讯带宽：1 0 m ： 4 ，介质访闯协议：i e e e 8 0 2 3 ： 5 输入：8 个相关传感器( 如红外探头等) ； 6 输出：4 路家电控制输出： 7 1 路2 0 秒的独立录放音模组； 8 ，掉电数据保存： 8 哈尔滨理工大学工学硕士论文 9 报警响应时间： 1 ) & j ； s 3 = ( r o a d n u m b e r 2 ) & j ； 这里只用了3 路端口 重新选定路数 哈尔滨理：r ：大学j ：学硕士论文 4 1 4 实验与分析 幽4 2 软件流程蚓 f i g u r e4 - 2s o f l w a r ef l o wc h a r t 根据上述原理的分析可知，智能家居控制器可以通过对8 路传感器的信号 进行数据采集、数据处理、数据判断，即可准确判定是否有险情发生。由于家 居控制器是集可视对讲、安防报警、网络通讯功能、家电智能控制等功能于 体，所以在软件处理时要避免相互之间的影响。我曾经采用查询的方式，每次 哈尔滨理工大学上学硕士论文 都分别采集8 路数据进行处理，由于时间大部分都消耗在数据采集上，所以系 统其他功能的实现便受到了影响。于是我改用定时器定时一段时间，然后再采 集8 路输入中的某一路进行处理，这样不仅大大节省了时间，提高了c p u 的利 用率而且也不影响系统其他功能的正常运行。但定时的时间不可过长，起初 我定时时间为1 秒，但发现系统的报警灵敏度不高，原因是每次采样之间的间 隔时问较长而影响了报警信号的及时处理。后来改为0 1 秒的时间间隔才解决了 此问题。二是要注意对八选一多路模拟开关进行操作时，在给s l ，s 2 ，s 3 一组 二进制数值进行输出路数的选择时要进行适当的延时，以确保多路模拟开关切 换完毕。三是在仿真器初始化时要注意仿真头的选择问题，虽然w 7 7 e 5 8 在有些 功能上和8 0 3 2 一致，但是在此部分电路调试中，决不可选用8 0 3 2 ，因为8 0 3 2 的p o 口只能和p 2 口以总线的方式工作，不可当作普通的i o 口，而在这个电 路中旷是把p o 口当作了普通的i o 口来使用。我曾经选了8 0 3 2 ，但是调试好 久都不能正确控制灯的开关，后来发现是单片机的选型问题。 4 2 家电智能控制功能设计 4 2 1 相关概念介绍 除安防报警功能外，家届控制器同时还是一个很好的家电操控单元，可控 制家庭系统中几乎所有的家电设备，例o n l y 光、电热水炉、空调机、影音设备 等。用户可以在家居控制器的面板上直接控制，亦可以通过网络来远程操控。 前者是通过键盘操作来控制的，后者则是通过网络t c p i p 协议来进行远程控制 这部分将在后续的网络通讯功能中进行详细介绍。 4 2 2 硬件设计 如图4 3 所示为家居控制器中家电智能控制的原理图，根据以上概念介绍可 知，家电智能控制功能包括两方面，其一是通过键盘操作进行控制，又叫本地控制， 另外一种就是通过网络协议进行控制，又叫远程控制。对于第一种本地控制方 式来说，用户通过家居控制器上的键盘操作来对家电进行控制，而家居控制器 内部的对讲录音模块先通过键盘扫描的方式识别出用户命令后，再通过串口按 事先定的通信协议将用户的控制口令发给主控制模块；对于第二种远程控制方 式来说，若用户离家在外，通过i n t e m e t 登陆小区w e b 网页。在远程控制界面 中有家电开关的按键，用户按下按键后，上位机软件先将用户的控制口令按照 事先定好的内部通信协议打包，然后再按照t c p 1 p 网络协议打包发出，即发给 哈尔滨理工大学工学硕士论文 用户家中的家居控制器内部的主通讯模块。不管哪种控制方式，都是主控制模 块收到来自对讲录音模块或上位机软件的控制命令后再做出相应的动作。当主 控制模块识别出是家电控制的命令后，先将p 1 3 引脚接的c s l l 置低，选中u 8 即7 4 h c 5 7 3 ，然后将控制电平通过p 0 口输出给继电器，再将p l _ 3 引脚接的c s l l 拉高，使7 4 h c 5 7 3 将数据进行锁存，从而使锁存器的输出稳定。在这个电路中， 锁存器后接了光电耦合器极大地提高了电路的抗干扰能力。为使电路稳定， 保证有足够大的电流来驱动继电器的吸合，在接继电器之前接了u 4 即 u l n 2 0 0 3 ，主要起到继电器驱动的作用，同时具有反向的功能。由此可知，要 使继电器吸合，则p o 口的相应控制位要输出高电平。本图中用了四个继电器， 相应的控制位分别位p 0 0 ，p 0 ，1 ，p o 2 和p o 3 。由于本设计中家居控制器用来控 制的灯的供电电压是1 2 v ，为了避免再外接电源，可以使灯和继电器共用同一 个电源，因此，在继电器和灯之间接了1 2 组跳线，每3 组跳线分别和一个继电 器配合，用来控制灯的开关。以上数第一个继电器为例，根据跳线的连接方式 可知，在继电器吸合后，c o n 8 的1 脚和2 脚分别为地和1 2 v 电压，因此，无 需外接电源，只要继电器相应的控制位为高电平，则灯就会亮，反之，灯则熄 灭。 幽4 - 3 家电智能控制原理幽 f i g u r e4 - 3t h et h e o r yd i a g r a mo f a p p l i a n c ei n t e l l i g e n tc o n t r o l 譬障睦t 哈尔滨理1 大学i 学硕士论文 4 2 3 软件设计 根据以上分析，不难写出家电智能控制的软件代码，这里先不谈通信协议， 认为主控制模块已经识别出来自对讲录音模块或上位机的控制命令，开始调用 输出控制程序，软件代码如下： v o i dr e l a y _ c o n t r o l ( u c h a rr o u t p u t ) c s l l = o ：p 1 3 引脚 p 0 。r o u t p u t ； c s l l = 1 ； 一h o p 一( ) ； n o p 一( ) ； c s l i = 0 ； 4 2 4 实验与分析 在此部分电路的调试中，要注意以下两个问题：其一就是锁存器7 4 h c 5 7 3 的片选信号的控制，在上述软件代码中，加了两个n o p 空操作函数，是通过适当 的延时使领存器锁存稳定，然后再拉低。另外一个问题就是在用仿真器仿真时要 进行仿真器的设置，有个单片机的选型问题，这个问题的原因和解决办法同安 防报警中的一样，这罩就不再赘述。 4 3 信息接收( 网络通讯) 功能设计 从日h 面的叙述中可知，家居控制器除了具有_ 二述安防报警、家电智能控制 功能外，还应该具有接收来自小区管理中心发来的广播通知，天气预报、缴费 通知等简短信息，用户可在智能家居控制器的液晶显示屏上看到这些信息，又 叫网络通讯功能。同时住户也可在外地通过网络向家居控制器发送信息，诸如 前面介绍的家电远程控制功能等。此外，用户家中的p c 机也可以通过家居控制 器留有的网络接口上i n t e m e t 网，真正实现了e 网通的功能。在本设计中，我选 用的是基于以太网的布线方案，网络协议是t c p i p 协议，家居控制器内嵌网卡 芯片，考虑到成本和供货稳定性的问题，我选用的网卡芯片是d m 9 0 0 8 。下面 先对d m 9 0 0 8 进行介绍。 4 3 1 以太网控制器d m 9 0 0 8 d m 9 0 0 8 是单片低功耗的1 e e e 8 0 2 3 以太网控制器。该芯片功能强大，具 哈尔滨理1 人学二r ：学硕十论文 有如下特点：可直接与计算机的i s a b u s 接口；体积小，集成度高，适用于嵌 入式系统；具有完全双工的功能；可编程的接收模式；在片r a m 来缓冲待发 送和接收的帧数据：1 0 b a s e 2 、1 0 b a s e 5 和1 0 b a s e f 的a u i 口；可编程的传 输模式；检测到碰撞后自动重传和自动添加p a d d i n g 位与c r c 位；1 0 b a s e t 口具有模拟滤波器，提供自动极性检测和矫正的功能；连接状态和l a n 活动的 l e d 指示灯的驱动：等待和睡眠状态，功耗较低；边界检测和回环测试功能； 具有8 位和1 6 位两种操作方式：具有i o 、在片存储器和d m a 三种数据传输 方式与主机通讯：对无盘系统提供b o o tp r a m 支持：e e p r o m 支持无跳线配 置。 1 d m 9 0 0 8 的编码结构编码技术采用曼彻斯特编码( m a n c h e s t e rc o d e ) ， 这种编码特点如图4 - 4 所示。= = 二进制代码“0 ”与“1 ”的表示以电平的跳变来 区分，低电平跳到高电平表示0 ；高电平跳到低电平表示“1 ”。 电平码 曼彻斯特码 i i i - l i 一 _ j 图4 4 曼彻斯特编码 f i g u r e4 - 4m a n c h e s t e rc o d e 2 d m 9 0 0 8 中c s m a c d 机理在公共总线或树型的拓扑结构的局域网上，任 何站点帧的发送和接收过程，通常使用带碰撞榆测的载波侦听多路访问 ( c s m a c d ) 技术。c s m a c d 又口，称为随机访问或争用媒体技术，解决了网 络上多个站点如何共享一个广播型的公共传输媒体的问题。网络上不存在预知 或调度来安排发送时问，每一站发送都是随机的，在时间上对媒体进行争用。 一个想要发送帧的站首先侦听媒体，看看有其它的帧是否正在传输，如有，则 等待一段时间；若空闲，则即可发送。这样就有可能发生帧碰撞现象，而造成 帧的破坏。因此，当一站发送帧的同时，必须随时检测是否发生碰撞，若帧发 送完毕，一直未检测到碰撞，则该帧传送成功：若检测到碰撞，则立即停止发 送，进行检测处理，说明未发送成功，要重新再发。 哈尔滨理工大学工学硕士论文 4 3 2 硬件设计 为叙述方便，由网络化智能家居监控系统中网络通讯功能的硬件原理图抽 象出来的硬件框图如图4 5 所示。 。一i 图4 - 5 网络通讯原理框图 f i g u r e4 - 5t h et h e o r yd i a g r a mo f n e t w o r kc o n u n u n i c a f i o n 图中虚线框部分为智能家居控制器内部原理框图。其中对讲录音模块的功 能主要是提供一个人机对话界面，即完成显示屏的显示工作，以方便用户操作， 它和主控单片机w 7 7 e 5 8 之间是通过串口通讯的，可采用4 8 5 通讯方式，此时 要加电平转换芯片，也可以直接采用t t l 电平传输。d m 9 0 0 8 是d a v i c o m 公司 生产的一种n e 2 0 0 0 兼容的网卡芯片，它的封装是1 0 0 p i n t q f p ，内部集成了在 片r a m 、1 0 b a s e t 收发滤波器，并且提供8 位和1 6 位两种接口，由于w 7 7 e 5 8 是8 位的单片机，因此本设计采用的是8 位模式。关于它的控制方法，将在下 面的小节中详细说明。d m 9 0 8 l 是一种1 0 b a s e t 的h u b 控制器，内部带有8 个t pp o r t ，用来转发数据。为确保网络通讯的稳定性，提高电路的抗干扰能 力，在r j 4 5 接口和系统内部控制板之间加了网络隔离变压器，它可以外接四路 r j 4 5 网络接口。家居控制器可提供两个或三个r j 4 5 网络接口，本设计中默认 用户家中只有一台个人p c 机连i n t e r n e t 网，因此采用了两个r j 4 5 接口。图 中的r j 4 5 1 接用户个人p c 机，r j 4 5 2 通过交换机走小区局域网和管理中心机 相连，再经由路由器和i n e m e t 互联网相连，这样就实现了用户个人p c 机通过 家居控制器直接上i n e m e t 网，同时又可以实现远程智能控制，即远在异地的用 户通过网络可以实时查询家中的状态，真正实现了e 网通。 哈尔滨理i ：大学】学硕十论文 4 3 3 以太网控制器d m 9 0 0 8 编程 d m 9 0 0 8 芯片是d a v i c o m 公司生产的一种n e 2 0 0 0 兼容的网卡芯片，它的封 装是1 0 0 p i nt q f p ，内部集成了在片r a m 、1 0 b a s e t 收发滤波器，并且提供 8 位和1 6 位两种接口，这里只介绍它的8 位模式。 输入输出地址：共3 2 个，地址偏移量为o o h l f h ，( 对应于2 4 0 h 一2 5 f h ， 2 4 0 h 的地址偏移量为0 ，2 4 1 h 的地址偏移量为l ，一- 2 5 f h 的地址偏移量为 1 f h ) 。其中o o h o f h 共1 6 个地址，为寄存器地址。l o h 一1 7 h 共8 个地址， 为d m a 地址。1 8 h l f h 共8 个地址，为复位端口。对于8 位的操作方式，上 面的地址中只有18 个是有用的：0 0 h 一0 f h 共1 6 个寄存器地址。1 0 hd m a 地 址( 1 0 h 一1 7 h 的8 个地址是一样的，都可以用来做d m a 端口，只要用其中的 一个就可以了) 。1 f h 复位地址( 1 8 h 到l f h 共8 个地址都是复位地址，每个 地址的功能都是一样的，只要其中的一个就可以了，但实际上只有 1 8 h ，l a h ，1 c h ，l e h 这几个复位端口是有效的) 。 寄存器：0 0 h o f h 共1 6 个地址是寄存器地址。寄存器分成4 页p a g e 0 一p a g e 3 ，但n e 2 0 0 0 兼容的寄存器只有3 页( p a g e 0 - - p a g e 2 ) ，第四页是d m 9 0 0 8 自己定义的，我们不用去管这些寄存器，由于寄存器较多，我将一些主要的寄 存器介绍如下： 1 c r 命令寄存器。高两位p s i 和p s 0 用来选定寄存器页，接下来的r d 2 、 r d l 、r d 0 三为用来代表网卡要执行的功能，t x p 这个位写入1 时发送数据包， 发完自动清零，低两位s t a 和s t p 用来启动命令或停止命令。 2 p s t a r t 接收缓冲区的起始页的地址。 3 p s t o p 接收缓冲区的结束页地址。( 该页不用于接收) 4 b n r y 指向最后一个已经读取的页( 读指针) 5 c u r r 当前的接收结束页地址( 写指针) 。网卡含有1 6 k 字节的r a m ， 地址为0 x 4 0 0 0 - - o x 7 f f f ( 指的是网卡上的存储地址，是网卡工作用的存储器) ，每 2 5 6 个字节称为一页，共有6 4 页。页的地址就是地址的高8 位，页地址为o x 4 0 一o x 7 f 。这1 6 k 的l a r n 的一部分用来存放接收的数据包，一部分用来存储待发 送的数据包。在我的程序中使用o x 4 0 - - - o x 4 b 为网卡的发送缓冲区，共1 2 页， 刚好可以存储2 个最大的以太网包。使用0 x 4 c _ - o x 7 f 为网卡的接收缓冲区，共 5 2 页。因此p s t a r t = 0 x 4 c ，p s t o p = 0 x 8 0 ( 0 x 8 0 为停止页，就是直到0 x 7 f ，是接 收缓冲区，不包括o x 8 0 ) 冈u 开始，网卡没有接收到任何数据包，所以，b n r y 设 置为指向第一个接收缓冲区的页0 x 4 c ) 这四个寄存器用于接收的设置。 哈尔滨理f 大学 i 学硕十论文 6 t p s r 为发送页的起始页地址。初始化为指向第一个发送缓冲区的页， 0 x 4 0 。 7 r c r 接收配置寄存器，设置为使用接收缓冲区，仅接收自己的地址的数 据包( 以及广播地址数据包) 和多点播送地址包，小于6 4 字节的包丢弃( 这是 协议的规定，设置成接收是用于网络分析) ，校验错的数据包不接收。 8 t c r 发送配置寄存器。启用c r c 自动生成和自动校验，工作在正常模式。 9 ，d c r 数据配置寄存器。设置为使用f i f o 缓存，普通模式，8 位数据传 输模式，字节顺序为高位字节在前，低位字节在后( 符合我们的习惯) 1 0 i 帜中断屏蔽寄存器。设置成o x 0 0 ，屏蔽所有的中断 1 1 m r 0 棚a r 8 是设置多点播送的参数。 系统工作时，应首先对网卡芯片进行初始化，即写寄存器c r 、p s t a r t 、 p s t o p 、b n r y 、t p s r 、r c r 、t c r 、d c r 、i m r 、c u r r 、m a r 0 一m a r 8 。 发送数据时，网卡芯片将数据打包为链路层类型并添加填充位和c r c 校验送到 网络，同样，单片机查询到网络上有数据来到后，将接收到的数据帧进行解包 以得到传输数据。网卡芯片初始化和单片机控制网卡芯片发送和接收数据的软 件代码如下： v o i dd r i v e d n i t ( v o i d ) 网卡芯片初始化程序 u c h a rt e s t l = 0 ，t e s t 2 = 0 ； n e t c a r d r e s e t ( ) ； o u t _ p o r t ( d m p o r t ，p a g e 0 + e n _ n o d m a + e n _ s t o p ) ；0 x 2 1i n t os t o pm o d e o u td o r t ( d c r ，d c r _ f t lo + d c r l s ) ；m u s tb ei n i t i a l i z e dp r i o rt ot h er e m o t e b y t ec o u n tr e g i s t e r s o u t a o o r t ( r b c r 0 ，o ) ；r e m o t eb y t ec o u n tr e g i s t e r o o u t - p o r t ( r b c r l ，o ) ；r e m o t eb y t ec o u n tr e g i s t e r l o u t _ p o r t ( r e c v c r ，r c r m o n ) ；0 4r e c e i v ec o n f i g u r m i o