（航空宇航推进理论与工程专业论文）基于internet的智能住宅远程监控系统.pdf

摘要 论文提出了一种基于i n t e m e t 的智能住宅远程监控系统的设计方案，并实现了该 系统原理性演示平台。 首先对实验室原有的基于电话网络的智能住宅远程监控系统进行了软硬件的改 进设计，为实现基于i n t e m e t 的远程监控提供了合适的软硬件条件：其次，为智能住 宅小区监控中心设计了一个w e b 服务器，并构建了一个适合远程监控的网络环境； 然后，设计了一种具有p s t n 和i n t e r n e t 互联功能的网关接口，直接将基于电话网络 的远程监控系统迁移到了基于i n t e r n e t 的智能住宅远程监控系统上。最后，还对其他 几种基于i n t e m e t 的家电设备远程监控技术进行了探讨。 关键字：智能住宅，远程监控，i n t e m e t ，网关接口，家电设备 a b s t r a c t ak i n do f d e s i g ns c h e m eo f t h er e m o t em o n i t o rs y s t e mo ft h ei m e l l i g e n tr e s i d e n c e b a s e do ni n t e m e tw a s p r e s e n t e di nt h i sp a p e r ，a n d t h e nad e m o p l a t f o r mw a ss u c c e s s f u l l y d e v e l o p e d f i r s t l yt h er e m o t em o n i t o rs y s t e mo f t h ei n t e l l i g e n tr e s i d e n c eb a s e do nt e l e p h o n e n e t w o r kd e s i g n e di nt h ep a s tw a sd e v e l o p e d ，i to f f e r e ds u i t a b l es o f t w a r ea n dh a r d w a r e t e r m sf o rr e a l i z i n gt h er e m o t em o n i t o rs y s t e mb a s e do ni n t e m e t ；s e c o n d l y , aw 曲s e r v e r w a sd e s i g n e df o rt h ei n t e l l i g e n tr e s i d e n c e sm o n i t o rc e n t e r , a n dt h ee n v i r o n m e n to ft h e n e t w o r ks u i t a b l ef o rr e m o t em o n i t o rw a sc o n s t r u c t e d t h i r d l y , ak i n do fg a t e w a yi n t e r f a c e w a sd e s i g n e dw h i c hc o n n e c t sp s n q 淅t l li n t e m e t ，a n dm o v e d t h er e m o t em o n i t o rs y s t e m o ft h ei n t e l l i g e n tr e s i d e n c eb a s e do ni n t e r n e tt ot h es y s t e mb a s e do nt e l e p h o n en e t w o r k d i r e c t l y i nt h ee n d ，s o m eo t h e rk i n d so fr e m o t em o n i t o rs y s t e mb a s e do ni n t e r a c tw e r e d i s c u s s e d k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n tr e s i d e n c e ，r e m o t em o n i t o r ，i n t e m e t ，g a t e w a y i n t e r f a c e h o u s e h o l d a p p l i a n c e s i i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 随着人类社会的进步和科技水平的发展，数字化和网络化的时代已经来临【lj 。住 宅的智能化已经成为各个研究团体的研究热点，住宅的智能化是指人 f 】借助于发达的 通信技术、控制技术、计算机技术、网络技术对住宅进行管理。它是建筑艺术、生活 理念与信息技术、电子技术等现代高科技的完美结合。智能化住宅为住户提供了一种 更加安全、舒适、方便、快捷和开放的智能化、信息化生活空间，同时，它依靠高科 技实现了回归自然的环境氛围，促进了人文环境发展。智能住宅不仅已经成为一个国 家经济实力和科技水平的综合标志之一，而且也是人类社会住宅发展的必然趋势b j 【”。 1 1 概述 1 1 1 基于i n t e r n e t 的智能住宅远程监控系统概述 2 0 世纪7 0 年代随着电子技术和计算机技术的发展，人们提出了“智能家庭网络” 的概念，但在早期方案中实现的功能十分有限。早期方案只是通过传感器和各种输入 设备( 按钮、开关、遥控器、语音识别装置等) 收集环境信息和使用者指令，再根据 预先设定的程序，控制住宅内的家电设备自动完成某些操作，信息交换只局限在很小 的范围内。直到最近几年。i n t c m e t 开始进入了千家万户，这样，单体住宅、小区乃 至整个城市的智能化、信息化才成为现实。同时，广域网的出现，不仅使远程控制家 电变得轻而易举，更重要的是可以提供远程医疗、远程教育、视频会议、网上购物和 电子货币结算等全新的服务，这极大地扩展了智能家庭网络的内涵1 4 】1 5 3 1 6 1 。 基于i n t e m e t 的智能住宅远程监控作为智能家庭网络的一种实现方案正是随着网 络技术的飞速发展才提上研究日程的。从广义上讲，基于i n t e m e t 的智能住宅远程监 控系统是指充分挖掘i n t e r n e t 技术在住宅小区中的使用潜力，为住户提供远程教育、 网上购物、电子货币网上结算、往宅安全状况的网上查询、家用电器设备的网上实时 控制等方便、快捷的网络服务。从狭义上讲，基于i n t e r n e t 的智能住宅远程监控主要 是指当用户远离住宅时，可以通过i n t e r n e t 对住宅内部的家电设备进彳亍远程控制和对 住宅内部近期发生的警情进行查询。 1 1 2 基于i n t e r n e t 的智能住宅远程监控系统国内外研究现状 当前，国内外对智能住宅远程监控系统的研究方兴未艾，各国都投入了大量的资 金对其进行研究吼在国外，现在已有不少地方，如加拿大、澳大利亚等地建立了智 基于i n t e r a c t 的智能住宅远程监控系统 能网络家居社区。这些社区都通过电子手段提供与社区有关的信息和服务。这种方式 不仅缩短了人们物理上的距离，而且给用户带来了许多方便。通过i n t e m e t ，社区向 其住户提供国内外新闻、社区内新闻以及住户自己感兴趣的新闻。另外，还向用户提 供交通信息、天气预报、地区性活动、商业区地图等信息服务。同时，这些社区也提 供其他一些日常生活中需要的服务，如远程医疗、婴儿看护、病人监护、电子图书馆、 网上学校、预定旅店等项目，住户可以根据自己的爱好进行选择。此外，在住户家庭 内部联成局域网，将住宅内部的所有家电设备进行智能控制，支持多台个人电脑，住 户可以远程监视、控制家中的各种设备，如提前打开空调、开关灯、收发传真等一系 列内部事务。这一智能化控制使得整个小区的智能化水平又提高了很多。当然这和国 外网络普及、应用水平、国民收入是密不可分的喁l 【9 l 。 国内智能家庭网络的研究也蒸蒸日上，方正的卓越z 系列、海信的海景二代、海 尔的e 家庭和网络家电、t c l 的家庭信息显示器( h i d ) 以及初露端倪的联想h o m e 等。这些网络家电基本上都是通过在家用电器内嵌入一些w e b 智能接口而完成智能 家电与i n t e m e t 的连接。但这些智能网络系统成本昂贵，技术上还不够完善。家庭网 络产品方面的研究还有待提高| l “。 1 1 3 研究意义 近年来，我国的住宅建设产业发展迅速，在智能住宅的公共智能化设施开发方面， 已经取得了很大的进展0 2 1o 但是在具有小区集中联网能力和联接互联网能力的先进智 能家居设备，以及在住宅小区控制网络的开发上虽然投入了大量的人力物力，但迄今 为止尚未取得实用化的成果 1 3 】。 为了寻求一种比较廉价、实用、合理的住宅网络化解决方案，南京航空航天大学 系统控制与仿真实验室近期开展了这方面的研究。作者针对普通用户的需求，提出了 一套功能齐全、性能稳定的住宅网络化解决方案，并根据该方案，构建了基于i n t e m e t 的智能住宅远程监控系统。该项目的研究可以在一定程度上丰富了我国在智能住宅领 域的研究，并且推动了我国在智能住宅方面的建设，具有一定的社会意义。另外，如 果该项目实现产业化，它可以为用户提供廉价、可靠、舒适的家居服务，满足用户的 住宅智能化需求，又具有一定的现实意义。 1 2 实现智能住宅远程监控需要解决的问题 1 2 1 需要解决的关键技术 本论文提出的基于i n t e m e t 的智能住宅远程监控系统是在实验室原先开发的基于 南京航空航天大学硕士学位论文 电话网络的智能住宅远程监控系统的基础上开发的，作为系统的完善和扩充，需要在 小区服务中心建立w e b 服务器来实现智能住宅的i n t e m e t 远程监控。要完成该功能， 应重点研究和解决如下几个问题： 1 对现有的智能住宅远程监控系统进行改进。原来的系统主要是应用电话网络 进行远程监控的，为了利用i n t e m e t 实现对智能住宅的远程监控，必须对原系统的监 控终端，信号转接器进行必要的软硬件改进，同时，还需要自主开发具有无线收发功 能的智能插座。 2 搭建基于i n t e m e t 的智能住宅远程监控系统的网络结构。根据现有的i n t e m e t 资源，确定远程监控系统的组网方案，其中主要是w e b 服务器的网站设计。 3 。监控中心网关的设计。为了实现系统由公共电话网络祁 t ：i ：t e m e t 网络的互连， 必须在监控中心设计一个网关。该网关应该具有一定的信息传输量，并且信号转换稳 定、可靠。 4 w e b 服务器和数据库服务器的通信。为了便于用户远离住宅时利用i n t e m e t 实 现对住宅内部警情的查询，系统需要提供用户查询数据库的功能，另外，对合法用户 的网络登录也需要数据库验证技术。要实现这些功能，必须完成w e b 服务器和数据 库服务器的通信。 1 2 2 涉及的技术领域 基于i n t e m e t 的智能住宅远程监控研究是电路设计技术、计算机软件技术、网络 技术、数据库技术等多个新兴学科相互交叉渗透的薪型技术研究领域。 1 电路设计技术。为了实现对智能住宅的i n t e m e t 监控，需要自主开发智能监控 终端，信号转接器，智能插座等装置，为该系统搭建一个硬件平台。电路设计等硬件 开发知识是必需的。 2 计算机软件技术。基于i n t e r a c t 的智能住宅远程监控系统需要一个复杂的软件 环境的支持，包括计算机与信号转接器的通信，w e b 服务器端组件、动态w e b 页面 等的开发，这些功能的开发需要有比较全面的计算机软件知识。 3 计算机网络技术。网络技术是基于i n t e m e t 的智能住宅远程监控系统的动力源 泉，网络环境下的数据传输需要符合相关的传输协议，可以采用b s 结构完成该系统 的网络设计。网络环境下服务器端的软件设计对提高该系统的可用性和实用性具有重 要的意义。 4 。计算机数据库技术。基于l r t t e m e t 的智能住宅远程监控系统主要采用基于b i s 结构的动态w e b 的应用方式，动态w 曲的实现是和数据库技术分不开的，数据库技 术是该系统正常运行的可靠保障。 基于i n t e r a c t 的智能住宅远程监控系统 1 3 论文研究内容 基于i n t e m e t 的智能住宅远程监控系统的设计思路是：构建一个基于i n t e m e t 的 智能住宅远程监控系统的结构体系；研制控制模块；改进现有的具有自动报警功能的 智能监控终端；改进小区中心信号转接器软件设计以实现公共交换电话网p s t n 与 i n t e m e t 的互连；利用网络编程技术开发一个专用网关，开发监控中心w e b 服务器软 件，建立数据库服务器，实现w e b 服务器和数据库服务器的连接。基于以上思路， 须要完成以下几个方面的研究工作。 1 对实验室原先开发的智能住宅远程监控系统进行必要的改进 原先的智能住宅远程监控系统只具有电话语音安全报警和小区双音多频( d t m f ) 报警两项功能，作者需要对该系统进行必要的改进，使其具有以下四方面的功能：基 于电话语音的安全报警、小区d t m f 安全报警、基于电话的远程控制以及基于i n t e r a c t 的远程监控引。 2 构建基于i n t e m e t 的智能住宅远程监控系统的网络结构体系 为了实现用户通过i n t e m e t 对住宅内部的远程监控，需要构建基于i n t e m e t 的智 能住宅远程监控系统的网络结构，该结构如图1 - 1 所示。 图l - 1基于i n t e m e t 的智能住宅远程监控系统结构体系 当用户远离住宅时，用户可以通过浏览器访问发布在i n t e r n e t 上的远程监控网站， 提交家电设备控制或室内安全状况查询的请求。该请求将通过t c p i p 协议提交给 w e b 服务器。当w e b 服务器收到用户的请求后，运行后台脚本程序，作出控制或查 询动作，随后将以良好的人机界面通知用户控制、查询结果。 3 开发面向智能住宅远程监控的w e b 服务器软件 本系统，采用b s 结构设计了远程控制系统监控网站，一方面，用户可以通过该 网站向w e b 服务器发送家电设备控制指令，来实现对住宅内部的家电设备的远程控 制。另一方面，用户也可以通过该网站对住宅内部的安全状况进行查询。该系统w e b 服务器软件的设计主要利用了a s p 网络编程技术，该服务器端软件不仅为用户提供 了全面可靠的远程监控服务，而且还为用户提供了良好的人机界面。 4 实现w e b 服务器和信号转接器的通信 4 南京航空航天大学硕士学位论文 w e b 服务器和信号转接器的通信是实现p s t n 和i n t e m e t 信息互换的关键，两者 的通信在硬件上可以通过计算机串行接口r s 2 3 2 实现，其中信号转接器和w e b 服务 器的通信软件上可以借助于在a s p 网络编程中调用串口控件来完成。 5 对其他几种基于i n t e m e t 的家电设备远程监控技术的探讨 智能住宅远程监控作为一项随着科学技术发展起来的新兴研究领域，引起了业界 各个研究团体的注意。作者在论文中专门对目前市场上出现的基于i n t e m e t 的智能住 宅远程监控系统进行了探讨性研究，通过对其他远程监控系统的研究，可以取长补短， 为实验室自主开发的远程监控系统提供有益的帮助。 基于i n t e r a c t 的智能住宅远程监控系统 第二章智能住宅远程监控系统的改进设计 南京航空航天大学系统控制与仿真实验室在2 0 0 2 年底开发了基于公共电话网络 的智能住宅远程监控系统。该系统不但可以通过公共电话网络自动向用户报告住宅内 部的警情，而且还可以向住宅小区中心提供d t m f 报警。但该系统只能实现住宅的 安全监视功能，不能实现家电设备的远程控制功能，为了使系统具有对家电设备的远 程控制功能，作者对该系统进行了改进。另外。该系统在调试的过程中还发现运行不 够稳定，通过对系统的改进，可以尽量减少系统内部的不良耦合，消除系统的不稳定 性因素，使系统运行稳定可靠。 通过对实验室原先开发的基于公共电话网络的远程监控系统进行升级改造可以 建立起基于i n t e m e t 的智能住宅远程监控系统的软硬件平台，该系统的升级改造需要 完成以下几方面的工作：对原系统的监控终端的改进设计；对原系统的信号转接器的 软硬件改进设计：研制具有无线收发功能的智能插座；研制县有红外遥控的红外智能 遥控器。下面将对实验室原先开发的基于公共电话网络的智能住宅远程监控系统进行 简要介绍。 2 1 智能住宅远程监控系统改进设计前系统简介 2 1 1 系统的组成p 图2 - 1改进设计前的智能住宅远程监控系统示意图 6 南京航空航天大学硕士学位论文 整个智能住宅远程监控系统主要由智能监控终端、报警模块、中心信号转接器、 中心声光报警器等组成。监控终端、报警模块布置在智能住宅中。信号转接器、中心 服务器以及声光报警器布置在智能住宅的监控中心。报警模块包括无线红外报警器、 无线烟雾报警器、无线燃气报警器、无线门磁报警器等。系统组成示意图如图2 - 1 所 不a 2 1 2 系统的功能 基于电话网络的智能住宅远程监控系统主要用于对住宅的安全进行监视。整个系 统依托于公共电话网络，主要实现两方面的功能：语音报警、d t m f 报警。 语音报警是指系统可以通过固定电话采用语音方式向用户报告警情。当住宅内的 报警模块被触发时，监控终端通过固定电话自动呼叫用户，在用户接听电话后以语音 的形式向用户报告所发生的警情。 d t m f 报警是指系统通过固定电话采用d t m f 方式向监控中心报告警情。d t m f 报警由两部分组成：一部分为安装在用户监控现场的监控终端，另一部分为置于小区 管理中心的监控中心信号转接器。两部分配合使用，其中监控终端发生警情时，通过 电话向监控中心部分以d t m f 形式发送报警信息。监控中心的信号转接器收到信息 后把报警信息通过r s 2 3 2 串口传输到p c 机，经过p c 机处理，在p c 机的显示器上 显示发生警报的时间、地点和警报类型，通知小区管理人员处理警情。 2 1 3 系统的特点 夺系统通过公共电话网络进行安全报警。 夺语音形式直接向用户报警。 夺向监控中心报警。系统设有监控中心，发生警报时，监控终端向监控中心自动报 警，通知值勤人员。 夺报警信号以无线电方式传输给监控终端。 夺系统设置输入采用电话键盘。 夺实时时钟。在系统中，有准确的计时芯片，可以为用户提供准确的计时。 夺液晶显示。显示时间、设置当前值、输入值等。 夺电话线防断检测。 夺安全监听。 夺监控中心声光报警。 夺智能监控终端的改进设计。 该智能住宅远程监控系统基本上实现了住宅内部的安全监控功能。为了把该系统 改造成本文提出的基于i n t e r n c t 的智能住宅远程监控系统，需要在原系统的基础上增 7 基于i n t e m e t 的智能住宅远程监控系统 加远程控制的功能，这样就需要对原系统的智能监控终端，信号转接器进行改进，芳 研制具有无线收发功能的智能插座和具有红外遥控的红外智能遥控器等控制模块。下 文将对这些模块的改进或设计进行介绍。 2 2 智能监控终端的改进设计 2 2 1 改进设计前的智能监控终端1 3 智能监控终端是智能住宅远程监控系统的核心模块。监控终端安装于住宅内，它 可以自动接收报警信号并向中心和用户报告，在智能住宅远程监控系统中处于核一1 1 , 地 位。它由振铃检测电路、模拟摘挂机电路、d t m f 信号收发电路、语音电路、液晶显 示电路、群p r o m 电路、p l c 电路以及无线电接收电路等组成，和住宅中的无线报 警模块一起构成远程监控系统的住宅终端部分。当发生警情时，报警模块发射无线电 信号给监控终端，监控终端接收到信号居会自动拨号给小区监控中心和住宅主人，分 别以d t m f 形式和语音形式报告警情。同时，用户可以拨通家中的监控终端进而对 住宅内部进行声音侦听。 监控终端是集电话摘挂机信号处理、双音多频( d t m f ) 信号处理、语音信号播 放、无线电信号接收、远程监听以及实时时钟信号处理等功能于一体的设备。它的核 心为a t 8 9 c 5 2 微型处理器，双音多频信号处理采用m t 8 8 8 8 c 芯片【l ”，语音芯片采 用i s d 2 5 1 2 0 1 1 5 芯片，无线电接收采用一块无线电接收模块并采用a t 8 9 c 2 0 5 1 对无线 电信号进行解码，实时时钟采用x 1 2 2 8 i t6 】时钟芯片，另外一些逻辑变换采用可编程逻 辑器件g a l l 6 v 8 芯片。监控终端硬件组成方块图见图2 2 。当然整个电路不是各个 电路模块的简单堆积，而是各个电路模块的无缝衔接。另外，智能监控终端硬件电路 图2 - 2 监控终端硬件组成方块圈 中还有一些i o 口，保留作以后系统的扩展。 南京航空航天大学硕士学位论文 监控终端的软件设计主要采用了汇编、a b e l 和c 5 1 三种编程语言。中央处理器 由于程序比较复杂，所以采用c 5 1 进行编写【 】，而另外的一个专门处理无线电接收 的处理器由于程序比较简单，所以采用汇编语言进行编写。可编程逻辑器件g a l l 6 v 8 程序采用a b e l 语言进行编写。 监控终端的中央处理器软件主要由三个相对 独立的模块组成，即：d r i m f 报警模块、语音报 警模块、系统参数设置模块。另一个专门处理无 线电接收的微处理器软件主要由无线电解码模 块、串行通信模块两个软件模块组成。中央处理 器和无线电解码处理器之间的信息通信通过它们 的串行口实现，在中央处理器中设置串行中断程 序可以很方便的从无线电解码处理器中获取所需 的无线电信息。 监控终端中央处理器软件模块结构如图2 3 所示，监控终端在上电复位后，首先进行初始化， 初始化包括时钟、通讯设置、液晶显示、d t m f 收发芯片、语音芯片的初始化。在完成这些初始 化后，系统进入功能标志循环检测程序，根据各 功能标志的取值来确定功能程序模块的执行顺 序，这种设计方法最大程度的避免了不必要的系 统资源浪费，减轻了中央处理器的负担。 2 2 2 监控终端的改进设计 霉n l - i 。7 莉i 和 捌骠磐 n l 止一 y f 图2 - 3 中央处理器的软件模块结构 改进设计前的智能监控终端可以自动摘挂机，通过公共电话网络向用户提供语音 报警，并可以向小区中心提供d t m f 报警，但不能实现利用i n t e m e t 对住宅实现远程 监控的功能。另外，在系统的可靠性方面也存在一些问题，为了完成系统的既定功能， 并提高系统的可靠性，作者从实用的角度出发，从以下几个方面对监控终端迸行了一 些改进： 夺增加了监控终端电源模块。 夺在监控终端中安装了温度传感器。 夺对监控终端的摘挂机电路进行了改进。 夺增加了电话线防剪电路。 夺增加了无线电发射模块。 夺对监控终端的软件进行了部分修改和扩展。 夺对系统的可靠性方面进行了改进设计。 9 基于 n t e r n e t 的智能住宅远程监控系统 改进后的硬件电路模块如图2 4 所示。硬件电路图见附l a 图2 - 4 智能监控终端改进后硬件电路模块 1 电源模块的设计 整个监控终端需要三个不同电压值的电源，即无线发射模块电源( 9 - 1 2 v ) ， e 2 p r o m 常备电源( 3 3 v ) ，徼处理器和集成芯片电源( 5 v ) 。常备电源采用电池来 提供，其他电源采用一个变压器从2 2 0 v 市电得到。变压器输出电压为9 v ，功率为 4 w 。变压器输出的交流电源端经过整流桥整流，2 2 0 0 u f 1 6 v 电容滤波后，可以产生 大约为1 1 v 的直流电源。5 v 电源由1 1 v 电源经过稳压模块7 8 l 0 5 变换得到。由于在 7 8 l 0 5 上有压降，所以会有发热，需要在7 8 l 0 5 上加散热片。考虑到后面芯片对电压 稳定性要求比较高，所以从7 8 l 0 5 输出的5 v 电源还要经过滤波处理。采用2 2 0 t f 1 6 v 的电解电容来过滤低频电压波动，用0 1 心的电容过滤掉高频的干扰信号。这样得到 的5 v 电源比较稳定，能够满足5 v 供电芯片的要求。 2 温度测量电路的设计 当用户远程控制住宅中的空调时，应该首先了解住宅内部的温度，然后根据温度 值来对空调进行操作。基于以上原因，作者在监控终端中增加了温度传感器。 目前，温度传感器有很多种，根据使用的精度和方便性，这里选择一种1 - w i r e 的数字温度传感器d s l 9 2 0 。1 w i r e 网络是一种低成本总线，它基于p c 或微控制器， 通过双绞线与1 - w i r e 器件进行数字运信。网络采用一个漏极开路的主机和多点从机 结构，即在主机端通过一个电阻上拉至5 v 的标称电源。卜w i r e 协议采用传统的 c m o s 厂r t l 逻辑电平，允许工作在2 8 v 至6 v 的宽电源电压范围。主机和从机两者 都配置有收发器，允许位序列数据双向传输，读写数据均为低位在前，但在同一时 刻只能是一个方向。 d s l 9 2 0 是一种形状如纽扣的1 - w i r e 总线的温度传感器，它能够在0 2 s 内测量出 从- 5 5 到+ 1 0 0 的温度，温度测量的精度达到0 5 。它的电源线和数据线复用，在 不进行数据传输时作为电源线使用，当需要进行数据通信时则作为数据线使用。 d s l 9 2 0 具有2 个字节的e 2 p r o m ，能够存储两个温度值，当温度超出这两个温度范 1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 围时会发出警报。每一个d s l 9 2 0 器件都具有相互不同的8 位器件地址。 在监控终端采用d s l 9 2 0 来测量温度，由于采用1 w 协议，所以只要把d s l 9 2 0 的数据线接在单片机的一个u o 口上，温度传感器的电源由i o 口提供，在需要测量 温度时，由i ，o 口发送指令给传感器，然后在读出从传感器输出的数据。 3 终端摘挂机电路的改进设训埽】 在电话回路中，电话交换机端可以检测出电话线路中的电流大小，当回路电流小 于2 0 m a 时交换机不认为是电话摘机，如果回路中电流大于2 0 m a 时便认为是摘机了。 为了实现电话电路的模拟摘挂机，可以在电话回路中接入一个电阻，然后利用开关元 件控制该电阻的通断，如果电阻断开，则电路回路断路，不摘机，如果电阻接通，通 过调整电阻大小可以使电话回路中电流值超过2 0 m a ，这样，电话就可以实现模拟摘 机。 改进前的智能监控终端模拟摘 挂机电路如图2 5 所示，该电路中， 通过采用机电继电器控制一个电阻 在回路中接通或断开来模拟电话的 摘挂机。当摘挂机控制输入端被置 高后，三极管q 1 导通，既而使继 电器k 1 吸台，继电器触点3 和6 连接，电话模拟电路导通，加在电 话输出信号端的信号就可以通过电 话线传送给用户。使用机电继电器 图2 - 5 改进前的模拟摘挂机电路 存在一些缺点，如线圈产生的磁场对其它元件将形成电磁和射频干扰；通电时触点簧 片在切换的瞬间可能会损坏电路；使用寿命取决于触点材料等。 改进后的模拟摘挂机电路如 图2 - 6 所示，该电路采用了两个 三极管构成的电子开关来控制回 路电阻的接通或断开，当电话摘 挂机控制端被置高后，三极管0 2 导通，从而使三极管q 1 发射极和 基极产生电位差，三极管q 1 导 通，这样，电话输出信号端的信 号就可以通过q 1 加载到电话线 上。该摘挂机模拟电路，具有干 扰小、无触点、体积小、耗电少 的优点。 4 电话线防剪检测电路 图2 - 6 改进后的模拟摘挂机电路 基于i n t e m e t 的智能住宅远程监控系统 整个监控系统都是依托于公 用电话系统的，如果电话线被切 断，系统就会处于瘫痪状态。虽 然系统不能保证电话线不被人为 地破坏，但可以检测电话线是否 正常，当检测到电话线断开会发 出声音报警信号。电话线防剪检 测电路如图2 7 所示。由于电话 线在正常的情况下有直流电压， 通过整流可以得到固定方向，所 以可以对这个电压的有无进行判 图2 7 电话线防剪检测电路 断。对这个电压信号进行分压得到一个比较合适的电压v t ，再与由电源分压褥到的 大约0 ，5 v 的参考电压进行比较，如果 v t 比参考电压o 5 v 大，比较器输出低 电平，表示电话线正常，如果v t 小与 0 5 v ，比较器输出高电平，表示电话线 不正常。当中央处理器8 9 c 5 2 检测到 电话线不正常信号时，采用蜂鸣器发出 声音提醒用户检查电话线路f 1 9 。 5 智能监控终端软件部分的修改 改进设计前的监控终端软件，主要 是针对用户通过公共电话网络进行远 程报警而设计的。为了便于用户利用 i n t e m e t 实现住宅的远程监控，对监控 终端的软件进行了必要的修改，使用户 能够利用p s t n 和i n t e r a c t 两种网络实 现对住宅的远程监控。 修改后的软件主流程如图2 8 所 示：控终端除了完成原来规定的功能以 后，还需要能够完成i n t e r a c t 的远程控 制，在主流程中，通过设置控制方式标 志值，可以判断监控终端自动摘机后应 该是进行基于i n t e r n e t 的远程监控还是 基于电话网络的远程监控。 6 提高系统可靠性的一些措施 夺选用频率低的微控制器。本系统中 图2 - 8 监控终端软件流程 南京航空航天大学硕士学位论文 自行开发的智能监控终端、信号转接器、无线智能插座，都采用了外时钟频率比 较低的微处理器，可以有效降低噪声和提高系统的抗干扰能力。 夺电路板上元件的合理分区。元件在印刷线路板上排列的位置充分考虑到了抗电磁 干扰问题，尽量缩短各部件之间的连接距离。在布局上，把模拟信号部分，高速 数字电路部分，噪声源部分( 大电流开关，电话电路等) 这三部分进行了合理的 区分，使相互间的信号耦合为最小。 夺正确处理接地线。印刷电路板上，电源线和地线最重要。克服电磁干扰，最主要 的手段就是接地。对于双面板，地线布置特别讲究，一般采用单点接地法，单点 接地法是指，电路中的电源和地是从电源的两端接到印刷线路板上来的，电源一 个接点，地一个接点 2 0 l 。在印刷线路板上，设置了多个返回地线，这些都回聚到 了电源的那个接点上。 夺合理使用去耦电容。设计印刷线路板时，每个集成电路的电源、地之间都加了一 个去耦电容。去耦电容有两个作用：一方面作为集成电路的蓄能电容，提供和吸 收该集成电路开门关门瞬间的充放电能；另一方面可以旁路掉该器件的高频噪 声。 夺电路板上合理的信号走线。模拟电压输入线、参考电压端尽量远离数字电路信号 线，特别是时钟。时钟线垂直于i o 线比平行i o 线干扰小，时钟元件引脚远离 i o 电缆。石英晶体下面以及对噪声敏感的器件下面不走线。保证任何信号都不 形成环路。 2 3 智能插座的研制口1 】 目前住宅中的多数家电设备都不具有遥控的功能，这样给智能化控制带来了很大 的不便。为了对这些普通的家电设备实现遥控，理论上讲，有两种解决方案：一种方 案是对电器进行改装，装入遥控电路接1 ：3 ，使其具有被遥控的功能；另外一种方案是 对家电设备不进行改装，只是在其外部挂一个可实现无线遥控的插座，显然，第二种 方案更加方便可行。 基于以上分析，作者设计了种智能插座作为控制模块。它按插在普通插座上， 自身又提供被控家电设备电源的插孔。当用户通过浏览器发送控制指令给监控终端 时，监控终端将相应的指令通过无线电方式发送给智能插座，智能插座根据指令对相 应的家电设备进行开关控制，它不但具有接收无线电指令，发送家电设备状态信息的 功能，而且还有软件编解码的功能，使用灵活、方便。 2 3 1 智能插座的硬件设计 基于远程控制的无线遥控智能插座，不仅要求能够准确的接收、识别无线电脉冲 j 3 基于i n t e m e t 的智能住宅远程监控系统 序列，还要求准确无误的返回家电设备 的状态信息，同时还要根据无线电序列 的控制指令对其进行正确的控制。在最 初的设计中，作者选用了运筹公司的自 带p t 2 2 7 2 解码芯片的y c r l 0 0 型接收模 块来构成插座系统2 2 1 2 3 1 ，该模块可根据 不同的无线电信号序列产生四种不同的 控制输出，这种方案虽然使用方便，但 在智能住宅的远程监控系统中有很大的 不足；第一，它编址不够灵活；第二， 它无法回送家电设备的状态信息，不利 图2 - 9 硬件结构图 于对家电设备的可靠控制。基于上述原因，无线遥控智能插座采用了由中t l , 处理器 c p u 、电源模块、无线发射模块、无线接收模块、控制模块等几个模块组成的系统， 它们的相互关系如上图2 - 9 所示，硬件电路图见附1 c 。 1 电源模块 该模块为智能插座的控制电路提供电源。主要由智能插座插头引入2 2 0 v 电压， 然后通过2 2 0 v 9 v ，2 w 的小型变压器降压，整流桥整流，电容滤波，7 8 l 0 5 稳压后， 给c p u 、接收模块和发射模块提供电源。 2 无线接收模块 无线电脉冲序列接收模块采用运筹公司的y c r 2 0 0 ，该模块采用超外插方式接 收、解调，工作频率3 1 5 m h z 。该模块相对于超再生接收模块来讲具有较强的抗干扰 能力。对接收到的无线电信号经过解调以后得到脉冲序列信号送c p u 进行识别。 3 无线发射模块 无线发射模块的主要功能是把c p u 送出的数字脉冲序列以a s k 方式调制成无线 电脉冲序列发送出去，无线电脉冲序列发射模块选用运筹公司的y c f 2 0 0 发射模块。 该模块工作频率为3 1 5 m h z ，发射有效距离为2 0 0 m 。为了避免发射模块不停地发射 无线电脉冲序列，造成对接收模块的干扰，可以通过单片机来控制发射模块的开关状 态。 4 中心处理模块 中心处理模块作为整个插座的信息处理中心，主要完成无线电脉冲序列信息的识 别、家电设备的控制和表示家电设备状态的无线电脉冲序列信息的发送等功能。该模 块的核心c p u 选用a t 8 9 c 2 0 5 1 ，它是一个具有2 k 字节可编程e p r o m 的高性能的 通用微控制器，其资源可以完全满足该系统的使用。 5 开关驱动模块 开关驱动模块的功能主要是实现弱电对强电的控制，电路中主要使用了机电继电 器和可控硅等电子元件来完成对家电设备的电源控制。双向可控硅具有双向导通功 1 4 南京航空航天大学硕士学位论文 能，可以通过可控硅的控制极来控制可控硅的通断，继而控制机电继电器的开关状态， 以达到控制家电设备的开关。 2 3 2 智能插座的软件设计 1 无线电脉冲序列的分析1 2 4 j ： 该智能插座发送的无线电脉冲序列是基于p t 2 2 7 2 的编解码规范的，满足该规范 的无线电脉冲序列被广泛应用于智能安全系统、汽车防盗系统、玩具车遥控系统当中。 该无线电脉冲序列的一帧完整的数据如图2 1 0 所示： nn 厂1n 厂 nnnr 几厂 n 几nn 厂 n 几几nn 几nn 厂 图2 1 0 无线电脉冲序列 不难看出，该脉冲序列的信息主要是由不同周期不同占空比的四种脉冲序列来 表示的。分别如图2 1 l 中a 、b 、c 、d 所示。为了便于分析，可以把一帧数据分成两 部分，即帧头部分和数据编码部分。 k 随随m a bc d 图2 - 1 1 无线电脉冲编码 无线电序列的帧头是由时间常数为5 6 0 t s 的高电平和时间常数为1 7 4 0 0l t s 的低电 平组成的( 图2 1 l a ) ，帧头后面代表脉冲序列信息的数据编码主要有三种编码形式， 为了便于分析，可以把这三种数据编码分别记为0 0 ( 图2 - 1 l b ) ，0 1 ( 图2 1 l c ) ，0 2 ( 图2 - 1 l d ) ，这三种数据编码都是由4 段组成的，即时间常数为5 6 0 雌的高电平段、 时间常数为5 6 0 1 x s 的低电平段、时间常数1 6 8 0 胂的高电平段、时间常数为1 6 8 0 a s 的 低电平段。这4 段不同时间常数、不同电平值的相互组合，就可以表示o o 、o l 、0 2 这三种不同的脉冲序列数据编码。在获得这些基本的信息之后，就可以利用单片机对 该无线电脉冲序列进行准确的辨识。 2 软件解码 采用软件解码是该智能插座的一个特色。出于对该智能插座的实用性要求，软件 解码不但要求能够准确识别无线电脉冲序列信息，还要求在编解码过程中对该脉冲序 列信息的确认具有一定的容错，这样才能满足系统的现场使用。在解码过程中，根据 无线电脉冲序列的特点，采用t 0 定时器计时的方法，在主流程中不停地对无线电脉 冲序列中的低电平段时间循环计时，当检测到时间常数大约为1 7 4 0 0 p , s 的低电平段 1 5 基于i n t e m e t 的智能住宅远程监控系统 时，就可以认为已经检测到了脉冲序列的帧头，然后继续对后面的脉冲数据编码进行 辨识。对数据编码的辨识仍然采用t 0 定时器计时的方法，对各个不同数据编码的时 间常数进行识别，然后通过与标准时间常数的比较，确定数据编码的值。 为了配合电话智能监控终端的使用，本无线遥控智能插座对无线电脉冲序列的信 息在逻辑上进行了划分，数据位共有1 2 位，由三部分组成，即区别不同家庭的7 位 家庭地址数据编码和区别不同用电器的3 位电器数据编码，另外还有2 位家电设备的 控制数据编码。这样就会有2 1 8 7 组家庭地址数据编码，2 7 组插座数据编码，可以实 现电话智能终端对不同家庭的不同用电器进行灵活、可靠的控制。 3 程序主流程 在程序主流程中。考虑到中心处理芯片在资 源和速度上都能够完全满足系统的使用，所以采 用了先采样后判断的软件编解码算法。首先把采 样到的无线电脉冲序列的时间常数存储起来，然 后再和标准序列的时间常数值进行比较，进而确 定脉冲序列的值。该算法相对于实时采样同步比 较的编解码算法来讲，不会导致对脉冲序列中低 电平段持续时间的计时丢失现象，在现场使用中 有较高的可靠性。 程序主流程如图2 1 2 所示，当程序开始运行 时，首先通过跳线器的状态确定智能插座的数据 编码，然后从e e p r o m 存储器中读取家庭地址 的数据编码。完成这些准备工作后，c p u 开始接 收y c r l 0 0 送来的无线电脉冲序列，如果识别出 的脉冲序列的前1 0 位数据编码与家庭地址和插 座的数据编码一致，则认为是有效的无线电脉冲 序列，如果不一致，则认为该脉冲序列无效，重 新搜索确认帧头。在确定接收到正确的脉冲序列 以后，c p u 通过比较、判断对家电设备作出控制 动作。c p u 在对家电设备完成控制以后，还必须 向智能监控终端返回家电设备的状态信息，以便 让用户知道此时家电设备的状态，用户也可以通 过查询指令对无线遥控插座进行状态奁询。 2 4 红外智能遥控器的研制瞄5 】 图2 1 2 智能插座软件主流程 当前许多家电设备具有红外接口，单独控制家电设备的电源开关无法实现对其正 1 6 南京航空航天大学硕士学位论文 确的操作，为此研制了具有发射红外指令的红外智能遥控器。该遥控器主要用于接收 监控终端发送的无线电指令，再发送红外指令来控制具有红外开关控制的设备的状 态。这种遥控器具有自学习功能，能够学习其它遥控器的红外信号，从而实现一定功 能上代替被学习的遥控器，使之能够在智能住宅远程监控系统中使用。使用示意图如 图2 1 3 所示 2 6 1 。 匝! 卜越岖受圃燃咂亟堕型隧囹 图2 - 1 3 红外智能遥控器使用示意图 该遥控器中主要包含无线指令接收模块、红 外指令接收模块、红外指令发射模块以及信息存 储模块。其结构图如图2 1 4 所示，电路图见附 1 b 。( 注：本遥控器由严后选同学设计开发，具体 技术资料详见参考文献 2 5 ) 2 5 信号转接器的改进设计 图2 1 4 缈h 智能遥控器硬件结构 信号转接器安放在监控中心用来自动接听监控终端报警电话，和监控中心的p c 机通过r s 2 3 2 串行端口连接，把接收到的信号传输到p c 机。报警信息由p c 机来进 行处理。信号转接器在接收到警报时通过控制声光报警器来提醒值勤人员。 1 硬件电路设计” 信号转接器的振铃检测、模拟摘挂机、接收d t m f 信号和发送d 聊f 信号与监 控终端的设计相同。与p c 机之间串行通讯采用r s 2 3 2 传输协议。硬件结构图如图 2 - 1 5 所示，由于单片机8 9 c 5 1 的逻辑电平和r s 2 3 2 串行协议中定义的逻辑电平不匹 图2 - 1 5 信号转接器硬件结构 配，8 9 c 5 1 的数据逻辑1 在2 4 v 以上，数据逻辑o 在1 4 v 以下，而r s 2 3 2 串行协议 中定义+ 5 + 1 5 v 为数据逻辑0 。5 1 5 v 为数据逻辑1 ，所以需要一个电平转换电 路，采用m a x 2 3 2 芯片来进行转换。m a x 2 3 2 是一种采用5 v 电源供电、两路驱动 和两路接收、最大可以士3 0 v 输入的电平转换芯片。 信号转接器采用m t 8 8 8 8 c 进行收发d t m f 信号。d t m f 收发电路、模拟摘挂机 电路等和监控终端的d t m f 收发、模拟摘挂机电路相同。这里就不再叙述。 1 7 基于i n t e m e t 的智能住宅远程监控系统 由于有许多电路和监控终端的电路相同，所以信号转接器的软件许多部分也和监 控终端相同，所不同的是以串行方式和p c 机进行通讯部分。串行通讯通过8 9 c 5 l 的 串行口进行数据的发送和接收，软件设计中串行工作模式采用方式1 。硬件电路图见 附1 d 2 信号转接器软件设计 信号转接器的软件设计见第四章。 2 6 改进设计后的智能住宅远程监控系统 通过对实验室原先的智能住宅远程监控系统进行适当的改进设计，为系统增加了 家电设备远程控制的功能，整个系统的使用图如图2 1 6