孫 輝，王健安，張 森，劉小強

（太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

近年來，隨著生活水平的提高，人們對家居生活的舒適性、高效性和便捷性有了更高的要求［1］。智能家居系統(tǒng)將計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、綜合布線技術(shù)及單片機嵌入式技術(shù)與家居生活有關(guān)的各種子系統(tǒng)有機地結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理，達到了人們新的要求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

所謂智能家居，就是由家電控制系統(tǒng)、家庭服務(wù)系統(tǒng)、家庭安全防護系統(tǒng)3大塊組成的家庭智能化控制系統(tǒng)，將電視、空調(diào)等家用電器、水表、電表、煤氣表及各種安全防護報警器鏈接為一體，實現(xiàn)全方位智能化的一種新技術(shù)。

系統(tǒng)設(shè)計遵循了安全性及可靠性的原則，在滿足需求的同時，設(shè)計力求做到合理性和經(jīng)濟性，結(jié)構(gòu)化和模塊化，使其具有良好的兼容性和可擴充性。通過資料研究，本系統(tǒng)選用AT89C51單片機作為主控制器，它能夠提供的標準功能為：4 kB可編程Flash閃速存儲器，128 k B內(nèi)部 RA，32個I／O口線，WDT，2個數(shù)據(jù)指針，2個16位定時器，一個兩級中斷結(jié)構(gòu)，片內(nèi)振蕩器和時鐘電路［2］。AT89C51單片機的主要作用是信息的處理，接收外部操作指令，發(fā)送控制信號。此外，利用CM8870雙音頻解碼芯片解碼用戶的密碼和指令，ISD4004語音芯片完成語音提示模塊的錄制及播放。

基于電話網(wǎng)絡(luò)的遠程家居智能化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)初始化后，正常待機工作時，用戶通過手機撥通本系統(tǒng)的電話號碼，如檢測到連續(xù)的5次響鈴后無人接聽，則自動摘機，單片機啟動語音提示，并判斷是否進入家電控制模式。確定進入家電控制，則啟動語音，提示用戶輸入密碼，系統(tǒng)隨后判斷密碼真假，3次輸入錯誤密碼則發(fā)出提示音并自動掛機；若密碼正確，則語音提示各按鍵所代表的操作指令，用戶按下命令，完成后語音提示本次服務(wù)完成，并返回繼續(xù)服務(wù)。此外，按＊字鍵或者系統(tǒng)連續(xù)60 s未檢測到命令，則發(fā)出提示音且自動掛機。

圖1 遠程家居智能化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

2 各模塊設(shè)計

2.1 振鈴檢測和模擬摘掛機模塊

電話雙方的信號是通過程控電話交換機來控制的。電話交換機發(fā)出的鈴流信號為25±3 V的正弦波，其諧鈴失真不大于10%，電壓有效值為90±15 V。振鈴以5 s為周期，其中1 s通信號，4 s無信號［3］。根據(jù)鈴流信號的特點，可以選擇光耦EL817將正弦波轉(zhuǎn)換為方波脈沖，與單片機中斷引腳連接，完成對振鈴的計數(shù)。

程控電話交換機通過檢測回路電流是否突然變大（要求是電流突增到約30 m A）來判斷被呼叫一方的電話機是否已經(jīng)摘機。根據(jù)此特點，采用繼電器控制，在電話線兩端并入200Ω電阻，使電話線的回路電流突然變大到30 m A以上來完成自動摘機。

2.2 DTMF雙音多頻信號解碼芯片CM8870

DTMF是指由兩個特定的音頻信號組合來代表數(shù)字或功能，電話機中采用8種頻率，分為高頻群和低頻群，各包含4種頻率，從高頻群和低頻群中各任意抽取一個頻率進行組合，共有16種不同的組合，代表16種不同數(shù)字號碼或功能［4］。用戶命令或密碼通過電話以雙音多頻DTMF信號發(fā)送，因此這部分的穩(wěn)定性將決定整個系統(tǒng)的好壞，是系統(tǒng)的關(guān)鍵。通過研究并反復(fù)比較，決定選用雙音頻解碼芯片CM8870，其常見于程控交換機領(lǐng)域，適用于本系統(tǒng)。

芯片CM8870內(nèi)置濾波器，具有將DTMF信號解譯為二進制，并傳輸給單片機的功能。工作時，芯片引腳Q1～Q4分別與單片機的P0.0～P0.3連接，引腳STD與單片機的P0.4連接，當(dāng)引腳P0.4檢測到STD由低變高再反向為低時，芯片引腳Q1～Q4便開始向單片機傳輸解碼出來的8421碼。

2.3 ISD4004語音芯片

ISD4004芯片采用多電平直接模擬量儲存技術(shù)，每個采樣值直接存儲在片閃爍存儲器中，能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲。ISD4004系列錄放時間為8 min～16 min，本系統(tǒng)采用8 min，其可分為2 400段，即1段0.2 s，1 s 5段。語音芯片最主要的功能是錄音和放音，其中又主要涉及語音信號的物理儲存和引用，利用ISD4004芯片的特點，錄音時預(yù)先計算好每段語音的時間長度，然后再根據(jù)語音時間長度選擇語音的存儲地址區(qū)間，并將其記錄，便于在放音時準確選擇所需要的語音存儲地址。

ISD4004語音芯片通過SPI協(xié)議與單片機之間串行通信，可有效節(jié)省單片機接口資源。CS片選端為低時，單片機的控制指令從MOSI端送入芯片，當(dāng)SLCK為上升沿時被鎖存在芯片內(nèi)，SCLK為下降沿時從MOSO端輸出返回信號給單片機，表示接收成功。隨后啟動指令相對的功能，錄音或者放音［5］。

語音的清晰與否直接影響到系統(tǒng)的工作質(zhì)量，所以需要在錄音時應(yīng)盡量減少噪聲。除了安排在安靜的地方錄音外，芯片自身還有自動靜噪功能，設(shè)計錄音電路時把AMCAP引腳通過1μF電容接地，實現(xiàn)自動靜噪，大大增加了錄音時語音的質(zhì)量。系統(tǒng)工作時，將語音通過電話線傳輸給用戶，將引腳AUDOUT通過一個電容與電話線連接，將語音信號耦合到電話線。放音模塊在使用前對錄音質(zhì)量進行檢測，單獨制作電路并再次將AMCAP引腳通過1μF電容與電話線連接，再次利用自動靜噪，進一步保證放音質(zhì)量，并且也使系統(tǒng)整體更簡潔、便捷。ISD4004錄音、放音電路圖如圖2、圖3所示。

2.4 開關(guān)控制

開關(guān)控制通過控制繼電器的閉合來實現(xiàn)，因為系統(tǒng)控制電器的大功率和高電流的特殊性，研究資料后決定選用ULN2003來驅(qū)動繼電器，其由7個硅NPN達林頓管組成，相當(dāng)于7個三極管的集成，控制方式簡單。其內(nèi)部有吸收二極管，可有效吸收負載啟動時高達600 m A的峰值電流。外接負載電壓可按36 V，電流200 m A估算，而ULN2003輸出端允許的電流為200 m A，飽和壓降為1 V 左右，耐壓約為36 V［6］。ULN2003可同時驅(qū)動7個繼電器，即可操控7個電器。

圖2 ISD4004錄音電路

圖3 ISD4004放音電路

3 實驗結(jié)果

將系統(tǒng)并接在電話線兩端，將臺燈1，2分別接在開關(guān)控制模塊，遠距離（超過100 m）用手機撥號進行如下測試：

（1）振鈴檢測和自動摘機功能測試：2次撥號分別響鈴4次和5次。

（2）語音功能及質(zhì)量測試。

（3）密碼檢測功能測試：分別輸入錯和對的密碼各1次。

（4）控制功能測試：對臺燈1，2分別進行開和關(guān)控制。

（5）自動掛機功能測試：無操作超60 s。

分步測試表明，系統(tǒng)工作較穩(wěn)定，能夠很好地提供語音提示，進行密碼檢測，執(zhí)行完成用戶所發(fā)的對應(yīng)指令。

4 結(jié)語

隨著社會的進步和人民生活水平的提高，越來越多的科技元素融入日常生活，智能家居會越來越受到青睞，此智能系統(tǒng)對推廣智能家居系統(tǒng)具有較深遠的意義。本設(shè)計可以通過改進控制更多的電器的開閉，也可以完善查詢對應(yīng)電器的工作狀態(tài)和遠程安全報警功能等。

［1］ 葉朝輝，楊士元.智能家庭網(wǎng)絡(luò)研究綜述［J］.計算機應(yīng)用研究，2001，18（9）：1－6.

［2］ 盧建兵.基于單片機的智能家居系統(tǒng)［J］.產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2011（10）：19.

［3］ 蔡成煒.基于51單片機控制的電話遠程控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.大眾科技，2010（4）：14－16.

［4］ 趙志宏，單顯明，李可心.基于CM8870的小型程控交換機設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010（13）：54－56.

［5］ 張常年，王振紅，李洋.ISD4004語音芯片的工作原理及在智能控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.國外電子元器件，2002（2）：20－23.