基于LPC2138和蓝牙技术的智能家居系统的设计论文

1、 硕 士 学 位 论 文论文题目：基于LPC2138和蓝牙技术的智能家居系统的设计1 / 49摘 要随着电子技术和计算机技术的进步，智能家居逐步进入人们的生活中。然而通过调研发现，目前市场上的产品还都存在这样或那样的不足，例如功能不全、成本较高、安装维护不便等，使智能家居产品没有得到很好的推广。为此，设计了基于LPC2138和蓝牙技术的智能家居系统。系统采用菲利普公司的LPC2138作为中心控制芯片。LPC2138是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的ARM7TDMI-STM CPU的微控制器,支持32/16位代码，有很强的处理能力。其具有多达47个GPIO和9个外部中断，使系统可实现多种功能。

2、系统应用蓝牙模块来组建家庭部通信网络。蓝牙技术是一项公开的近距离无线连接的技术规，工作在2. 4GHz的ISM(工业、科学、医学) 频段上,具有开放性、低功耗等特点，传输距离一般为0.1m10m，功率放大后可达100m。蓝牙模块在系统中的应用，解决了智能家居系统应用时需重新布线的烦恼。但是，蓝牙工作的ISM频段是全球的公共频段（大多数国家规定该频段为24002483.5 MHz ,并划分为79个信道, 每个信道带宽为1MHz），在使用其中某个频段时，也就难免出现相互之间的干扰。为此,系统采用跳频和前向纠错方案以确保链路的稳定性。在进行系统的硬件电路设计时，为了提高系统电路的通用性，从而将系统分

3、为不同的模块。中心控制模块，负责信息汇总处理和系统总体控制功能；家庭安全防模块，监控并采集家庭环境信息，并通过系统中心控制模块与安全设备连接可实现安全联动功能；家用电器控制模块，通过控制开关和红外遥控来实现控制家用电器的功能；紧急呼叫模块，实现紧急呼救功能；家庭部通信模块，即为蓝牙模块，嵌入在系统中心控制模块、家庭安全防模块、家用电器控制模块和紧急呼叫模块上，实现系统中心控制模块和家庭安全防模块、家用电器控制模块、紧急呼叫模块间的通信；家庭对外通信模块，可实现自动报警和远程控制的功能。 由于系统电路的模块化设计和无线通信技术的应用，从而使得系统便于安装、维护。在进行软件设计时，遵循模块化的设计

4、思想，既考虑了各模块功能的实现，又兼顾了程序总体的协调性。系统软件主要由一个中心控制程序和六个子程序构成。各个子程序基本上与硬件模块相对应。在ARM公司推出的ADS1.2集成开发环境下，利用C语言进行系统的程序设计。论文首次将ARM单片机和蓝牙技术应用于智能家居系统中；蓝牙技术的无线连接解决了家庭布线的烦恼；系统的硬件和软件都采用了模块化设计，使得系统具有很强的可移植性。系统的各部分硬件电路均经过联机检测实验，性能良好。系统具有成本较低，性能完善，可靠性高，易于安装、维护、扩充升级等特点，便于推广和应用。关键词：智能家居；LPC2138；蓝牙技术；模块化设计AbstractWith the d

5、evelopment of the technology in electronic and communication, the smart home system is coming into peoples life. But the products on the market still have some deficiencies at present, for example, incomplete function, high cost, discommodious to install and safeguard and so on. So the smart home sy

6、stem product isnt popularized very well. Therefore, the smart home system based on LPC2138 and bluetooth technology has been designed.LPC2138 which Philip Corporation promotes is used for the master control chip in the smart home system.It is a micro-controller which based on a 32/16 bit ARM7TDMI-ST

7、M CPU supported Real-Time Emulation and Embedded Track. It supported 32/16 bit code and can supply strong process function. Because of forty-seven GPIO and nine external interrupt in LPC2138,the smart home system can supply many kinds of function.Bluetooth technology is used for organizing the commu

8、nication network in the house. It is one kind of public short distance wireless connection technology manual. It works in the 2.4GHz ISM (Industry, Science, Medicine) frequency band and has many characteristics, for example, openness, low power consumption. Its trans- mission distance is popularly f

9、rom 0.1mto10m, it can reach100mif amplifying its power.The applicationof bluetooth module in the smart home system，solve the trouble that the systemwouldnt need wiring in house again when being employed. But the ISM frequency band which bluetooth works in is one kind of global public frequency band

10、(defined 2400 to 2483.5MHz by most countries in the world and it is plotted out to seventy-nine channels and the bandwidth is 1MHz). It is inevitable to come across mutual interference when it is working at one of channels. The project of Frequency Hopping and Forward Error Correction is used for in

11、suring stability of the link. While carrying on hardware circuit design of the smart home system, in order to improve the commonality of the circuit, the system is plotted out different modules. The master control module assumes the information collecting , information processing and the major contr

12、ol of the system; The house safety and protection module monitors and collects the environmental information of the system, it also can realize the safety team work if it connects the safety equipment by the master control module; The household appliances control module can control the household app

13、liances by control switch points and infrared remote-control; The emergency call module it has the function of calling for help peremptorily; The house inside communication module is the bluetooth module and realizes the reciprocal communication about the master control module and the household appl

14、iances control module, the emergency call module, the house inside communication module, the house safety and protection module by embedded in them; The house externalcommunication module, it can realize the function of autoalarm and long-range control. The building block design of the system circui

15、t and the application of wireless communication make the smart home system being easy to install and safeguard. While carrying on software design of the system, follow the building block design philosophy. It not only considers the realization of the function of each module, but also thinks over the

16、 total compatibility of the procedure. The software includes one master program and six subprograms. Each subprogram is corresponding to the hardware module.Under the ADS1.2 integrated development environment which ARM Corporation promotes, exploits software of the system using the C language.ARM pr

17、ocessor and bluetooth are the first time used in the construction of the smart home system in this paper; Because of the wireless link of the bluetooth, there is no trouble in house wiring; Because both the hardware and software of the system apply the building block design, so the system has better

18、 portability. Each part of the hardware circuit is reliable performance by online detecting.The smart home system is low cost, perfect performance, high reliability, easy to install, safeguard and upgrade. So, it is expedient to popularize and apply.Keywords: smart home; LPC2138; bluetooth; building

19、 block design 目 录摘 要2Abstract3第一章 绪论11.1智能家居的发展现状11.2智能家居系统的结构与功能21.3本文的主要工作和技术路线21.3.1主要工作21.3.2技术路线31.4 本文的创新点3本章小结4第二章 应用技术介绍42.1 LPC2138单片机42.1.1 LPC2138单片机简介42.1.2 LPC2138单片机的特性42.1.3 LPC2138结构图和引脚排列52.2 蓝牙技术62.2.2 跳频技术72.2.3 纠错技术72.2.4 微微网（Piconet）7本章小结9第三章 系统硬件设计113.1 系统的总体结构113.2 系统硬件电路设计113

20、.2.2 家庭安全防模块133.2.3 家用电器控制模块143.2.4 家庭部通信模块153.2.5 家庭对外通信模块17第四章 系统软件设计254.1 系统的软件结构254.2 各模块软件设计254.2.1 安防模块254.2.2 家电控制模块264.2.3 家庭部通信模块284.2.4 家庭对外通信模块30第五章 系统测试与应用前景345.1 系统测试与结论345.2 系统中需要改进的地方345.3 系统的发展趋势345.3.1 ZigBee技术介绍355.4系统的应用前景36参考文献37在校期间发表或完成的论文39致 40第一章 绪论智能家居是在传统住宅的基础上, 利用现代计算机技术、现

21、代通信技术、自动控制技术来实现家庭部各种信息的采集、处理、传输和显示,实现对家庭部各种电器设备和安全防护设备的自动化、智能化监控, 从而使人们的家居生活更加安全、舒适、便利。1.1 智能家居的发展现状智能家居从上世纪八十年代兴起于日本和欧美，九十年代末引入中国。目前，美国有7000万家庭依靠智能化家庭网络设备生活1。近年来，以美国微软公司与摩托罗拉公司等为首的一批国际知名企业也先后进入智能家庭网络的研究与开发领域，分别开发了“梦幻之家”、“家庭主任”、“居所之门”等家庭智能设备。3COM公司研发出家用无线网关等网络产品，并与Microsoft联手开发通用式即插即用的家庭网络系统。该系统方便地连

22、接家电与网络，可以高速传输文字、语音、视听等资讯。这套产品也适合小型办公室2。Intel推出了Any point家庭网络系统可以通过线或无线方式将PC机与住户家中的各种设备连接起来，该公司还准备在适当的时候推出家用网关等网络设备。日本松下电器等一批大公司联手推出了无线连接和电力线连接并用的Echone系统，该系统支持即插即用，且能兼容不同厂家的家庭电器设备。近年来随着自动化技术、智能技术的不断更新，国际上出现了很多功能比较齐全的智能家居产品，例如ELAN、Life Ware、Home Logic和mControl等产品，引领了国际智能家居产品的潮流3。国厂商也在进行智能化家庭网络产品的研发和生

23、产，一些大型IT企业利用自身在资金与技术等方面的优势，在低端产品市场上己占据了相当重要的地位。清华同方在智能化家庭网络领域与建设部智能建筑化专家委员会共同设立了智能住宅开放实验室，还取得了著名综合布线厂商西蒙、百通全线产品在中国的总代理资格。德达创先科技集团先后开发了LDMS-2000，智能家居控制器、HomeNet网络化综合管理系统，并开通中国智能建筑服务网提供智能化建筑的在线咨询与在线技术支持，该已成为国建筑智能化领域的权威。目前在国从事智能化家庭网络产品的企业中还有近几年从事安防产品转移过来的一些中小企业，一些传统家电业的巨头如海尔、创维、TCL、科龙、海信也开始进入智能化家庭网络产品市

24、场。在近几年，各电子产品制造商、各电信产品生产与运营商，在合作基础上提出了三种符合中国国情的智能家居协议标准，包括以中国电信为首的中国通信标准化协会的CCSA标准协议、以联想为首的国闪联信息设备资源共享协同服务的IGRS标准协议和以海尔为首的e家佳的 ITop- Home标准协议4。虽然国各大厂商开始进入智能家居产品的研制和开发，但目前市场上的产品还都存在这样或那样的不足，例如功能不全、成本较高、安装维护不便等，使智能家居产品没有得到很好的推广。因此，国市场迫切需研制一种功能完善、安装维护方便并且价格合理的智能家居系统。1.2 智能家居系统的结构与功能目前国市场上的智能家居系统依据其体系结构为

25、特征进行划分，可以分为以下四种类型5-9：（1）拼凑型控制系统；（2）主机式集中控制系统；（3）遥控型系统；（4）现场总线控制系统。智能家居系统主要有以下几种功能：（1）智能家庭安防：实现家庭的防火、防盗和防煤气泄漏。在无线连接状态下，对防盗报警器、烟雾探测器、有害气体检测装置等进行数据采集以与可自动查询各传感器的工作状态。 一旦出现警情，则由智能监控系统通过网向主人报警或通过互联网向监控中心报警。（2）智能家庭仪表：通过蓝牙设备和计算机实现对水表、电表和煤气表的远程抄表。（3）智能家电：通过互联网、线接口，实现信息交换和远程控制。包括对重要家用电器、主要电源插座等实行远程监测和控制。（4）场

26、景组合控制功能：主要是通过对灯光、电器和安防的不同状态的设定，设计成几种特定的模式，如回家、外出、娱乐等，供用户选择。（5）紧急呼救：家中突发紧急事件时，可按动紧急呼救按钮，由系统的自动拨号模块拨出预先设置的求救（例如：家中老人突然发病可拨出预先设定的120或者别的求助）。另外还有部分智能家居产品具有智能门禁、可视对讲、现场监控等功能。1.3 本文的主要工作和技术路线1.3.1 主要工作本文主要做了以下几个方面的工作：（1） 将ARM单片机引入到智能家居系统中，提高了系统的控制功能，为完善系统的功能打下基础，并简要介绍了菲利普公司的ARM单片机LPC2138。（2） 将蓝牙技术引入到智能家居系

27、统中，研究如何实现系统的模块化设计，从而探索使智能家居产品便于安装维护的办法。并简要介绍了蓝牙技术与在硬件设计中用到的蓝牙芯片。（3） 给出了系统的总体结构框图，并对系统各模块的硬件电路进行了详细的分析和说明。（4） 对系统的软件设计进行了介绍，并给出了部分程序的流程图。（5） 对系统调试的结果进行分析，对论文进行了总结，并提出了未来需要进一步研究开发的方向。1.3.2 技术路线在大量查阅国外有关参考文献的基础上，详细了解了智能家居系统的发展历史、当前国际上智能家居产品应用的技术与其发展趋势。参观调研了一些电子商场，实际考察了目前市场上智能家居产品与其功能特性，了解了适应国市场产品的要求，从而

28、确立了技术上循序渐进的开发步骤：（1） 根据实际情况对具体的功能模块提出各自的实现方法。（2） 在做好系统总体规划的基础上，分别设计系统的各部分电路，先应用EWB、protel99se等相关软件进行仿真，然后在实验箱上进行测试。（3） 设计系统的程序。根据总体规划，分块实现的原则进行编程，然后利用开发板和实验电路进行联机测试，最后进行程序的整合。（4） 软硬件测试完成后，利用Protel99SE软件画出系统的原理图和PCB图，并做出系统的电路板，结合程序进行系统的综合调试。1.4 本文的创新点（1）将ARM单片机引入到智能家居系统中，从而使系统的功能比较完善，硬件电路非常简洁，提高了系统的可靠

29、性和性价比。（2）将蓝牙技术引入到智能家居系统中，用无线传输代替有线传输，且易于实现系统的模块化设计，使系统结构更加简单，安装维护更容易。（3）首次提出将ARM单片机和蓝牙技术结合起来，应用到智能家居系统中，使得系统扩展功能方便，安装灵活，节约能源。本章小结 本章主要介绍了智能家居的概念、基本功能和国外的发展现状以与国在智能家居领域的研究状况和现状。并简要介绍了本文的主要工作和系统的技术路线，最后对本文的创新点做了一个小结。第二章 应用技术介绍2.1 LPC2138单片机2.1.1 LPC2138单片机的特性LPC213810是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7 TDMI-

30、 STM CPU的微控制器，带有512KB的嵌入的高速Flash存储器，128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。它对代码规模有严格控制的应用，使其可用16位的Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能损失却很小。其较小的封装、极低的功耗以与2个32位定时器、2个10位8路ADC、1个10位DAC、PWM通道和47个GPIO以与多达9个边沿或电平触发的外部中断使LPC2138可理想地用于小型系统中，如访问控制、POS机、通信网关、协议转换器、软modem、声音辨别和低端成像等。LPC2138具有如下特性10： 小型LQFP64封装的16/32位ARM7T

31、DMI-S微控制器，32KB片静态RAM。 片Boot装载软件实现在系统/在应用中编程（ISP/IAP。扇区擦除或整片擦除的时间为400ms，1ms可编程256字节。 EmbeddedICE®RT和嵌入式跟踪接口可实时调试（利用片RealMonitor 软件）和高速跟踪执行代码。 实时时钟具有独立的电源和时钟源，在节电模式下极降低了功耗。 具有两个低功耗模式：空闲和掉电，也可通过个别使能/禁止外部功能和降低外部时钟来优化功耗，也能通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 通过片PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率，PLL的稳定时间为10

32、0微秒，片晶振频率围：130 MHz。 单个电源供电，含有上电复位（POR）和掉电检测（BOD）电路；CPU操作电压围：3.0 3.6 V (3.3 V+/ 10%)，I/O口可承受5V的最大电压。2.1.2 LPC2138结构图和引脚排列 LPC2138的结构如图2.1所示10。 LPC2138的LQFP64封装的引脚排列如图2.2所示10。图 2.1 LPC2138结构图2.1.3 LPC2138的应用领域自从推出LPC2138以来，已经在很多方面获得了成功的应用。典型的应用有：工业控制 ；医疗系统 ；访问控制 ；POS 机 ；通信网关 ；嵌入式软moderm ；一般性应用10。图 2.2

33、 LPC2138的引脚排列2.2 蓝牙技术2.2.1 蓝牙技术简介 蓝牙,英文译为Bluetooth ,本是一位在公元10世纪统一了丹麦的国王，哈拉尔德二世(Harald) 的绰号，据说这位国王非常喜爱吃蓝梅,牙齿因而被染蓝，故得此名。1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔等五家著名厂商在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了用蓝牙(Bluetooth)来命名， 意在统一无线局域网技术的通讯标准,其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。后来SIG(Bluetooth Special Interest Group) 组织于1999年7月26 日推出了蓝牙技术规的1.

34、0 版本，1999 年12月1日，微软公司正式宣布加盟蓝牙特别利益集团(SIG) ,全面支持“蓝牙”技术,并与3Com、朗讯、摩托罗拉公司和原有的5 家公司一起成为蓝牙特别利益集团的9个核心成员。时至今日，世界上约有3000 家公司加入了推进蓝牙标准的蓝牙特别利益集团，包括海尔、长虹在的多家国公司企业11-13。蓝牙技术是一项公开的技术规，已得到许多国家的支持。蓝牙技术是一种近距离无线连接的技术规，其程序写在一个9×9mm 的芯片中。它具有无线性、开放性、低功耗等特点。传输距离一般为0.110m，功效放大可达100m；蓝牙工作在2.4GHz 的ISM(工业、科学、医学)频段上，采用跳

35、频扩谱技术传送信息。世界上大多数国家频段定义为24002483.5MHz，也就是说将该频段划分为79个信道，信道带宽为1MHz。因为应用了全球统一的频率设定，所以蓝牙产品具有全球通用性11-13。同时正是由于蓝牙技术工作在全球通用ISM 频段且频道有限，因此使用时就难免出现相互干扰的现象；为此，蓝牙技术设计了跳频和向前纠错方案以确保链路的稳定性。2.2.2 跳频技术跳频技术，就是将整个频带分成若干跳频信道（Hop Channel）。在一次连接中，蓝牙芯片所控制的收发器按照一定的码序列，不断地从一个信道跳转到另一个信道；而接受方也是按照一样的跳转规律进行通信。这实际上属于一种硬件加密方法。除非第

36、三方掌握了收发双方的信道切换规律，否则是无法获得完整信息的，而干扰源也不可能按同样的规律进行干扰。跳频的瞬时带宽很窄，但通过扩展频谱技术，可以使这个窄带宽被成倍的扩展成宽频带，使被干扰的可能性变得很小，由此就可以保证传送的完整性和系统的稳定性14。一般传输时跳频速率为1600 跳/s ，而在与其它设备开始建立连接时可达3200 跳/s。2.2.3 纠错技术在蓝牙技术中使用了三种纠错方案：1/3比例前向纠错码（1/3FEC）、2/3比例前向纠错码（2/3FEC）和自动请求重发方式（ARQ）14。1/3比例前向纠错码是一种较简单的纠错码方式，属于重复码，实现时对每位信息重复三次。2/3比例前向纠错

37、码是一种（15，10）精简的汉明码表示方法，用于部分分组。使用ARQ方式，在一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得到确认（或超时）信息。只有数据在接受端通过了报头错误检测和循环冗余检测，被认为无错后，才向发送端返回确认信息，否则，返回一个错误信息14。2.2.4 微微网（Piconet）蓝牙技术是一种支持点对点和点对多点的通信技术。通过蓝牙技术连接在一起的所有设备可认为是一个piconet（微微网），一个piconet可以是两台相连的设备，也可以是八台连在一起的设备。在一个piconet中，所有设备都是级别一样的单元，具有一样的权限，只有在piconet初建时，其中一个单元被定义为Master

38、，其它单元被定义为Slave。几个Piconet可以被连接在一起，靠跳频顺序识别每个piconet，同一piconet的所有设备都与这个跳频顺序同步。几个独立且不同步的piconet组成一个scatternet（分布式网络）15。其拓扑结构如图2.3和图2.4所示。图 2.3 微微网拓扑结构 图2.4 分布式网络拓扑结构在微微网(Piconet)的连接被建立之前，所有的设备都处Standby(待令)状态。在这种模式下，未连接单元每隔1.28 秒周期性地"监听"信息。每当一个设备被激活，它就监听规划给该单元的32个跳频频点(跳频频点的数目因地理区域不同而异)。作为Master

39、的设备首先初始化连接程序，如果地址已知，则通过寻呼(Page)消息建立连接；如果地址未知，则通过一个后接Page消息的Inquiry(查询)消息建立连接。在最初的寻呼状态，Master单元将在分配给被寻呼单元的16 个跳频频点上发送一串16个一样的Page消息。如果没有应答，Master则按照激活次序在剩余16 个频点上继续寻呼。Slave 收到从Master 发来消息的最大延迟时间为激活周期的2 倍( 2.56 秒) ， 平均延迟时间是激活周期的一半( 0.6 秒) 。Inquiry 消息主要用来寻找蓝牙设备， Inquiry 消息和Page 消息很相象，但是Inquiry 消息需要一个额外

40、的数据串周期来收集所有的响应。如果Piconet 中已经处于连接的设备在较长一段时间没有数据传输， 蓝牙还支持节能工作模式。Master 可以把Slave 置为Hold(保持)模式，在这种模式下，只有一个部计数器在工作，Slave也可以主动要求被置为Hold模式。一旦处于Hold模式的单元被激活，则数据传递也立即重新开始。除Hold 模式外，蓝牙还支持另外两种节能工作模式：Sniff(呼吸)模式和Park(暂停)模式，在Sniff模式下，Slave降低了从Piconet“收听”消息的速率，“呼吸”间隔可以依应用要求做适当调整；在Park模式下，设备依然与Piconet同步但没有数据传送，工作在

41、该模式下的设备放弃了MAC地址，偶尔收听Master的消息并恢复同步、检查广播消息。这三种工作模式如果按照节能效率以升序排队，那么依次是：呼吸模式、保持模式和暂停模式15。本章小结 本章主要介绍了LPC2138单片机的基本知识；蓝牙技术的基本知识，与其中用到的相关技术做了详细介绍。第三章 系统硬件设计3.1 系统的总体结构在系统的设计上采用模块化设计16。这样我们将智能家居系统分为以下几个模块：（1）系统中心控制模块；（2）家庭安全防模块；（3）家用电器控制模块；（4）家庭部通信模块；（5）家庭对外通信模块；（6）紧急呼叫模块；（7）语音模块。系统的总体框图如图3.1所示。图 3.1 系统总体

42、框图3.2 系统硬件电路设计3.2.1 系统中心控制模块硬件电路设计中心控制模块主要由LPC2138单片机构成，加上LCD显示器和小键盘等外围器件就构成了电源模块、时钟模块、CPU控制模块、键盘输入、LCD显示等几个部分。主要完成各种信息的采集和处理，并发送相应的控制命令。用户可通过LCD显示器和小键盘查询系统的工作状态和对系统进行一些设置。下面我们就根据各个模块分别介绍一下其工作原理。（1）系统的电源模块的电路原图LPC2138微控制器的核和I/O使用同一电源电压，只需单电源3.3V供电。图3.2(a)所示，输入9V直流电源，电感L1用于限制瞬态电流，经过C1、C2滤波，然后通过SPX111

43、7M-3.3将电源稳压至3.3V，其输出端用了一个.的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。当正确连接电源后，LED发光作为电源工作指示灯。LPC2138具有独立的模拟电源引脚V、V，为了降低噪声和出错几率，我们用电感L2、L3将数字电源和模拟电源隔离。系统中有些外围器件的工作电压为5V，所以我们还需要5V稳压电路，如图3.2(b)所示，其工作原理为输入9V的直流电源，经C8、C9滤波，然后通过LM78L05将电源稳压至5V。SPX1117M-3.3是Sipex公司生产的LDO芯片，其特点为输出电流大，输出电压高，稳定性好。其输出电流可达800mA，输出电压的精度在以，还具有电流限制和热保护功能，被广

44、泛用于手持式设备、数字家电和工业控制等领域。（2）时钟模块LPC2138微控制器可使用外部晶振或外部时钟源，部PLL电路可调整系统时钟，使系统运行速度更快（其CPU最大操作时钟为60MHz）。若不使用片PLL功能与ISP下载功能，则外部晶振频率为130MHz，外部时钟频率为150MHz；若使用片PLL功能或ISP下载功能，则外部晶振频率为1025MHz，外部时钟频率为1025MHz.。在本系统中为了能支持微控制器部的PLL与ISP功能，我们使用11.0592MHz的外部晶振组成外部时钟电路（如图3.3所示），这样也可使串口的波特率更精确。(a)(b)图 3.2 系统电源模块电路原理图图3.3

45、系统时钟电路（3）键盘电路在系统中我们设计了6个独立的按键，分别为S1S6，如图3.4所示。我们用LPC2138的P0口作为输入口，由于其部无上拉电阻，所以用R1R6 6个10K的电阻做上拉电阻。当没有按键按下时，口线的值为1；当有按键按下时，其对应的口线的值为0，控制器通过查询对应I/O口的值，来判断按键是否按下。其中S1、S5所连接的口线为P0.16、P0.20，这两个口分别与外部中断EINT0、EINT3复用，为此我们将这两个键作为系统的功能键，其余的按键作为辅助键。 图3.4 键盘电路3.2.2 家庭安全防模块家庭安全防模块又称为家庭安防，是利用不同的传感器，例如，烟雾传感器、煤气传感

46、器、红外传感器、门磁和窗磁等对家庭部环境参量进行监控，。中心控制模块根据采集到的传感器的信息，进行判断和报警，并做出相应的联动处理，一般的警情有煤气泄露报警、火灾报警、外人入侵报警等。具体来讲就是将处理过的传感器的信号，送到分控制器89C2051的I/O口，单片机根据检测到的口线值生成报警信息，通过家庭部通信发送至中心控制模块。由中心控制模块对报警信息做出处理。下面我们以红外传感器为例，介绍一下防盗报警电路的设计。由于人体都有恒定的体温，一般在36.5左右，会发出特定波长10左右的红外线，被动红外探头就是靠探测人体发射的10左右的红外线进行工作的。人体发射的10左右的红外线通过菲尼尔滤光片增强

47、后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，电后续电路经检验处理后即可产生报警信号。报警电路的电路原理图如图3.5所示。由传感器发出的微弱的电信号经放大电路放大后输入到分控制器89C2051的I/O口，分控制器检测到该口线的值，就会做出是否有警情的判断，如果有警情，则向中心控制模块发送报警信息。中心控制模块通过家庭对外通信模块拨打用户事先设置好的，接通后，通过语音芯片播放预先录制好的报警录音，连续播放三遍，每一遍中间加1s的延迟。 图3.5 防盗报警电路3.2.3 家用电器控制模块家用电器控制模块其主要功能是根据

48、接收系统中心控制模块的命令，进而打开或关闭家用电器。其电路图如图3.6所示。图3.6 家电控制电路原理图89C2051收到中心控制制器发送的控制信号后，P1.3脚变为高电平，光电耦合器导通，导致继电器吸合，给信息插座通电，从而接通家用电器。当有警情时P1.4和P1.5变为高电平，单片机则通过TXD和RXD发送报警信号，经蓝牙模块传输到中心控制制器。另外为防止程序“跑飞”、进入“死循环”使系统失控，我们还设计了看门狗电路。在上述电路中电阻R1的选择至关重要，它影响着4N25开通与关闭的性能。R1较小时，可减小开关时间与开关损耗，R1较大时则相反。一般根据产品手册上提供的数据作为参考，在参考值（4

49、8）的1倍到10倍间选取，然后经过试验波形来分析确定。在开关频率较低时，可选的偏大一些，在这里选的是5倍的参考值，即240。为了进一步满足用户的需求我们可以对这部分电路进行改进和扩展，加上红外发射模块，那么就可以模拟遥控器控制家用电器，例如可以调整空调的温度、模式或者选择电视机不同的频道。其工作原理为，用户使用此功能的时候可以自行设置。先让系统自己“学习”家用电器的红外波遥控信号，其工作原理图如图3.7所示。首先选定所要设置的家用电器，然后将遥控器对准系统红外线接收头，将主要按键依次按下，红外线接收头将接收到的信号经处理后送往中心控制指定位置存储。学习完毕后，就可以应用。应用时中心控制根据指令

50、，将预先存储的信号从寄存器中读出，然后经处理后发射出去，相应家电根据接收到的遥控信号做出相应的动作，从而达到实现模拟遥控家电的目的。 图3.7 红外发射模块学习状态原理图3.2.4 家庭部通信模块家庭部通信模块主要是应用无线通信技术中的蓝牙技术来代替传统的有线传输，即将蓝牙模块嵌入到智能家居系统中。这样使家庭部无须重新布线，就可应用智能家居系统，使系统易于安装维护。在本系统中，我们应用爱立信公司的ROK101007作为通信模块。ROK 101007是Ericsson公司生产的一种在电子设备中实现蓝牙功能的短距离通信模块。该蓝牙模块是由基带控制器、快闪式存储器、PBA313 01/2无线电收发器

51、3个芯片组成。其同时支持数据和语音的传递，通过一个符合USB2.0规格的USB接口或一个UART/PCM接口来实现模块和主机控制器之间的通信。它的VCC电源典型值为3.3V。ROK101 007符合蓝牙1.1规要求，支持多操作点工作方式，通过了FCC和ETSI认可17。图3.8所示是其部结构框图和管脚排列18。 图3.8 ROK101007的部结构与管脚排列图ROK101007与单片机的连接主要包括与中心控制机LPC2138的连接和与分控机89C2051的连接。在终端探测单元，蓝牙模块和单片机之间通过串口输入HCI指令实行数据通信。当使用UART进行通信时，蓝牙模块作为一个DCE，其串行速度可

52、达460.8Kbit/s。ROK101007蓝牙模块的UART接口符合工业标准16C450，支持多种波特率，提供四个信号TXD、RXD、RTS和CTS，均按照null modern方式连接，其中TXD和RXD用于数据流传输，RTS和CTS用于数据流控制17。LPC2138微控制器和蓝牙模块的接口电路如图3.9所示。 图3.9 LPC2138和ROK101007的接口电路原理图而在与89C2051连接时，我们用TXD和RXD用于数据流的传输，而单片机的P3.6和P3.7口和蓝牙模块的RTS和CTS相连，来控制数据流。其接口图如图3.10所示。 图3.10 89C51和ROK101007的接口电路

53、原理图3.2.5 家庭对外通信模块家庭对外通信模块，是通过线或者GSM18模块与外界联系。这样，如果家中出现什么警情，系统可自动播出预先设置的或发出报警信息，报警或通知用户。用户也可通过或者编辑短信对家居系统进行远程控制。本文主要讨论实现通过线与外界联系的方法。在其硬件电路设计中包括振铃检测电路、模拟摘挂机电路、DTMF编解码与发送电路等。（1）振铃检测电路在线路未来铃流前，线路由交换机提供大约48V的直流电压。当用户被呼叫时，交换机发来铃流信号。振铃信号为25Hz的正弦波，谐铃失真不大于10%，电压有效值约为90V。振铃以5秒为周期，即1秒送，4秒断。本电路检测铃流信号时，以五次铃响为准，即

54、五次振铃后无人摘机，便由单片机控制自动模拟摘机。振铃检测电路的原理图如图3.11所示。振铃信号通过电容C1、C2耦合、整流桥整流、C3隔直、R23限流输入至光电耦合器4N2519的输入端1口， 4N25起的是隔离作用。光电耦合器是一种电信号的耦合器件，它一般是将发光二极管和光敏三极管的光路耦合在一起，输入和输出之间没有电气上的联系，输入电信号加于发光二极管上，输出信号由光敏三极管输出。光电耦合器以光电转换原理传输信息，它不仅使信息发出端（一次侧）与信息接收并输出端（二次侧）是绝缘的，从而对地电位差干扰有很强的抑制能力，而且有很强的抑制电磁干扰能力，还具有速度高、价格低、接口简单等优点。图3.1

55、1 振铃检测电路振铃信号通过4N25的4脚输出振铃正弦波，R3和C4共同组成滤波电路对输出信号进行滤波，输出的方波信号被发送到中心控制单片机LPC2138的P0.6进行计数。R3和C4共同组成振铃信号音滤波电路，根据振铃的技术指标：频率25Hz的正弦波，1秒通，4秒断，=RC可以推出0.024（S）。为了使振铃信号音输出很好的方波波形，计算后选取R=310k，C4=100F，=1s。（2）模拟摘挂机电路根据国家有关标准规定：任何机，摘机状态的直流电阻应300，有“R”键的电子机的摘机状态直流电阻应350。在挂机状态下，其漏电流5A。当用户摘机时，机通过叉簧接上约300的负载，使整个线回路流过约

56、30mA的电流。交换机检测到该电流后便停止铃流发送，并将线路电压变为十几伏的直流，完成接续。如图3.12所示，模拟摘挂机电路主要由一个三极管开关电路来控制继电器通断，继电器控制线两端300电阻的接入。摘挂机指令由ARM单片机通过使P0.31口变为高电平实现。P0.31变为高电平使Q31处于导通状态，从而开启继电器K1，使电阻R2接入线两端。因为R2的电阻为300，使回路电流变大，控制电路向交换机发出模拟摘机的信号，交换机响应摘机信号，完成线路接通。整个电路完成自动模拟摘机过程。图3.12 模拟摘挂机电路（3）DTMFDTMF（Dual Tone Multi Frequency），即双音多频，系统中机与交换机之间的一种用户信令，通常用于发送被叫，其具有很强的抗干扰性能，因此被广泛用于通信网中。DTMF信令有16个编码，表3.1为DTMF编码表。由高频群和低频群组成，高低频群各包含4个频率。一个高频信号和一个低频信号叠加组成一个组合信号，代表一个数字20。双音多频的拨号键盘是4×4的矩阵，每一行代表一个低频，每一列代表一个高频。每按一个键就发送一个低频和高频的正弦信号组合，比如“1”用697和1209赫兹的组合表示。交换机可以解码这些频率组合并确定所