基于单片机和CAN总线的智能家居控制系统

2010-02-26四川西华大学能源与环境学院李晓虹刘克福

智能建筑与智慧城市 2010年1期

关键词：子程序楼宇智能家居

文｜四川西华大学能源与环境学院李晓虹刘克福

文｜四川西华大学能源与环境学院李晓虹刘克福

本文针对智能家居系统集成度低，各系统间联系不大的状况，介绍了一种采用单片机为控制核心的，基于CAN总线的组网技术，并结合公用电话网络，设计了一种能够实现楼宇对讲、电话远程监控和多点报警等功能的智能家居控制系统。

智能家居 CAN总线单片机系统集成

1 引言

智能家居于20世纪80年代兴起于日本和欧美，于90年代末进入中国，伴随着经济的发展和人们生活水平的提高逐渐为国人所了解和接受。目前国内的各种智能化系统和产品较多，但各系统相互独立，集成度较低，彼此联系不大。比如楼宇对讲系统、安防系统、家用电器自动控制系统等，都各有自己的终端，没有统一的智能控制平台。对用户而言，这种状况增加了使用成本和操作的复杂性；对施工而言，则导致了重复布线。本文针对此种状况，设计一种采用单片机AT89C52为控制核心，利用原有的电话网络，将楼宇对讲、安防报警和电话远程监控系统集成起来，形成一个统一的智能控制平台，并通过CAN总线组网与门口机和管理机相连，能实现楼宇对讲、电话远程监控和报警等功能的智能家居控制系统。此系统操作简单，无需重复布线，成本有所降低，是一种真正适用于智能家居的系统。

2 智能家居控制系统的主要构成及功能

（1）楼宇对讲系统

楼宇对讲采用小区联网式系统，在各住宅单元门口及住户家中安装对讲系统，以实现访客身份验明和与住户对讲，以及住户远程控制开锁的功能，从而有效地防止非法人员进入住宅楼。

（2）家居安防系统

家居安防系统具有防盗、防火、远程监控及报警等功能。

（3）家用电器自动控制系统

家用电器自动控制系统的主要功能是控制家用电器、照明等电气设备。该系统能够实现本地集中控制家庭内部照明或家用电器，也可以在需要时通过电话远程控制家庭内部家电设备，节约能源。

3 智能家居控制系统硬件设计与实现

智能家居控制系统室内分机系统构成，如图1所示。该系统主要由单片机及其I/O口扩展部分、楼宇对讲部分、安防报警部分、电话远程监控部分、与CAN总线连接的节点部分，以及键盘、显示部分组成。

3.1 单片机及其I/O口扩展部分

单片机选用控制功能强大的AT89C52为主控制器，主要用于信号的采集、数据处理、控制信号的输出等，是整个控制系统的核心。由于本系统所需的I/O口较多，单片机本身提供的I/O口不够，故利用芯片8255对其I/O口进行扩展。其中8255的PA口工作于输出方式，用于对家用电器进行开关控制；PB口工作于输入方式，用于各种报警探测器的警情信号的输入；PC口用于扩展键盘。

3.2 楼宇对讲部分

为了满足楼宇对讲系统中各部分的功能要求，本系统使用三根I/O口线和一个开锁键。三根I/O口线中，一根做输出，用于控制对讲分机的振铃；一根做输入，用于检测对讲分机的摘机信号；一根用于控制对讲分机的模拟音频信号通道的控制继电器，使用户可以在其接通后通过音频模拟通道直接进行对话。开锁键设于键盘上，开锁信号通过CAN总线传到门口机，门口机接到开锁信号后控制开启楼门锁。

3.3 安防报警部分

安防报警部分的功能包括警情信号的输入、本地报警、本地报警显示、远程报警。警情信号包括各种探测器，如窗磁开关、门磁开关、被动红外传感器、煤气探测器、火灾探测器等的信号。各种警情信号都接到8255的PB口。本地报警是单片机通过I/O口控制蜂鸣器进行声音报警，同时由八段数码管显示器显示报警类别。远程报警包括远程电话报警和通过CAN总线向集中控制室的管理人员进行报警。

3.4 电话远程监控部分

实现远程监控的方案主要有基于Internet的远程控制、基于电力线的远程控制和基于电话网络的远程控制三种。前两种组网方案较为复杂，技术难度大，而且成本较高，对维护者技术水平的要求也较高。而电话网络是一种技术成熟、应用较广、成本低的通信网络，本设计采用电话网络实现远程监控。当家里有警情时，用户能通过电话实现远程报警。当需要远程控制家用电器时，用户可通过电话将控制信号送入单片机，单片机再通过8255的PA口输出控制信号，驱动继电器对家用电器进行开关控制。电话远程监控部分的电路主要包括三部分：信号检测、模拟摘挂机电路，用HT9170和HT9200A实现的双音多频DTMF信号收发电路，用ISD1420作为录放音元件的语音录放电路。

3.5 与CAN总线连接的节点部分

本设计利用CAN总线对等式的通信网络实现智能家居控制系统室内各分机之间，以及分机与总机之间信息的互通，具有各节点地位均等，无主从节点的特点。由于主控制器AT89C52型单片机本身不带CAN总线控制器，本设计采用SJA1000型CAN总线通信控制器和AT82C250型总线驱动器来实现单片机与CAN总线之间信息的互通。

3.6 键盘显示部分

键盘采用4×4矩阵键盘，共设16个按键，其中有十个数字键，其余的为设防按钮、住户呼叫对讲按钮、开锁按钮、确定按钮、清除报警撤防按钮和家电控制按钮，分别用于各种控制信号、呼叫/求救信号、开锁信号、撤防/布防信号的输入。显示器采用串入并出的74LS164移位寄存器来驱动一位LED八段数码管，进行控制参数或报警类别的实时显示。

4 智能家居控制系统软件的设计与实现

为使程序清晰可读且运行速率高，本系统软件采用模块化结构设计，由主程序和相关子程序（如键盘扫描子程序、显示子程序、语音提示子程序、拨号报警子程序、电器控制子程序等）组成。主程序流程如图2所示。该程序主要包括安防报警、楼宇对讲和电话远程控制三个模块。

主程序工作过程为：系统上电复位后进行初始化，待初始化完成，系统分别对警情信号、楼宇对讲呼叫信号和电话呼入信号进行检测，如有信号输入，则进入对应的处理模块。在安防报警模块中，设置延时程序以消除抖动和误报警，延时程序主要通过调用键盘扫描子程序实现。如果延时完成后仍有警情，则按顺序进行本地报警、通过CAN总线向中央控制室报警和拨号电话报警，从而实现多点报警的功能，将损失降到最低。楼宇对讲模块中，门口机的呼叫信号经CAN总线传到分机，分机检测到此信号后，接通对讲机振铃，然后再判断是否摘机，如没有摘机信号，则延时再判断。当住户摘机后，单片机输出信号控制音频通信线路的控制继电器接通，使住户与呼叫者得以进行通话。在通话期间，单片机判断其是否挂机，如挂机则返回，未挂机则调用键盘扫描子程序，判断开锁键是否按下，如按下则通过CAN总线和门口机进行远程开锁。电话远程控制程序模块的工作过程是当有电话呼入时，先检测是否振铃4次，再模拟摘机，摘机后放录音提示输入密码。如密码不正确，则模拟挂机；如密码正确，则放录音提示输入需控制电器的序号，然后检测其返回的控制信号，并调用电器控制子程序，进行家用电器的开关控制，完成后模拟挂机。

5 结束语

本文设计的智能家居控制系统充分利用单片机强大的控制功能和CAN总线灵活方便、可靠性高、通信速率高、价格低廉、组网容易等的突出特点，并结合现有的公共电话网络，对智能家居中各个相对独立的系统进行集成，实现楼宇对讲、电话远程控制、多点报警等功能。CAN技术是一种新的控制网络技术，与现有的成熟的公共电话网络相结合，必将在智能小区的应用中逐渐显示出其独特的优势。