智能家居无线技术论文开题报告

智能家居控制系统的设计与实现 [2009-03-18 06:41] ;;; 摘要：介绍了以PC（个人计算机）、MCU（单片机AT89C52）、双音多频编解码集成电路MT8880C、语音录放芯片ISD4004和无线数据收发芯片nRF401为核心，通过现有的电话网络终端或者互联网网络终端实现远程控制的智能家居系统，给出了该系统的电路原理和办硬件设计与实现方法。;;; 关键词：远程控制 双音多频 网络通讯 无线通讯 家庭自动化２１世纪是信息化的世纪，各种电信和互联网新技术推动了人类文明的巨大进步。数字化家居控制系统的出现使得人们可以通过手机或者互联网在任何时候、任意地点对家中的任意电器（空调、热水器、电饭煲、灯光、音响、ＤＶＤ录像机）进行远程控制；也可以在下班途中，预先将家中的空调打开、让热水器提前烧好热水、电饭煲煮好香喷喷的米饭……；而这一切的实现都仅仅是轻轻的点几下鼠标，或者打一个简单的电话。此外，该系统还可使家庭具有多途径报警、远程监听、数字留言等多种功能，如果不幸出现某种险情，您和１１０可以在第一时间获得通知以便进一步采取行动。舒适、时尚的家居生活是进步的标志，智能家居系统能够在不改变家中任何家电的情况下，对家里的电器、灯光、电源、家庭进行方便地控制，使人们尽享高科技带来的简便而时尚的现代生活。１系统的总体结构及工作过程智能家居系统由系统主机、系统分机、Ｉｎｔｅｒｎｅｔ服务器和网络接口等部分组成。其中系统主机通过服务器（个人）连入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ，并通过自己的ＰＳＴＮ�公用电话交换网接口电路连入ＰＳＴＮ。其结构图如图１所示。主机与分机通过无线传输组成星形拓扑结构。系统主机通过本地无线传输网络同系统分机进行通讯、传输控制命令和反馈信息。该系统正常工作时，用户可以通过);>Ｉｎｔｅｒｎｅｔ和ＰＳＴＮ两种网络进行访问，当通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ访问时，本系统可提供一个界面友好的终端软件，用户只需登陆到运行在家中的服务器即可对家中的设备进行远程控制；当通过ＰＳＴＮ访问时，本系统将为用户提供语音操作界面。其工作流程如图２所示。２系统的硬件构成本系统的硬件主要有系统主机与系统分机两大部分。系统主机由单片机ＡＴ８９Ｃ５２和各种接口电路组成，如图３所示。系统分机由单片机ＡＴ８９Ｃ５２和各种接口电路、传感器单元电路、固态继电器控制电路组成，并由固态继电器控制具体设备，具体硬件组成框图如图４所示。通过系统主机的各种接口电路可将主机ＣＰＵ从繁忙的计算中解脱出来，以便把主要精力运用在控制和信息传递上。系统主机主要依照各个功能电路的输出结果进行判断和控制命令的输出。系统分机的各种接口电路和主机相似，只是根据设备的不同（传感器单元）有着细节上的变化。下面主要介绍系统主机的各种接口电路。２．１ ｎＲＦ４０１ 无线数据传输电路无线数据传输电路由Ｎｏｒｄｉｃ公司的单片ＵＨＦ无线数据收发芯片ｎＲＦ４０１及其外围电路构成。ｎＲＦ４０１采用ＦＳＫ调制解调技术，其工作效率可达２０ｋｂｉｔ／ｓ，且有两个频率通道供选择，并且支持低功耗和待机模式。它不用对数据进行曼彻斯特编码，其天线接口设计为差分天线，因而很容易用ＰＣＢ来实现。);>;;; ２．２ 看门狗电路看门狗电路由ＭＡＸ８１３Ｌ及其外围元件组成。通常，在单片机的工作现场，可能有各种干扰源。这些干扰源可能导致程序跑飞、造成死机或者程序不能正常运行。如果不及时恢复或使系统复位，就容易造成损失。看门狗电路的作用就是在程序跑飞或者死机时，能有效地使系统复位以使系统恢复正常运转。因此，在程序中定期给Ｐ１．５送入看门狗信号，就可以保证在程序运行异常时，由ＭＡＸ８１３Ｌ使单片机复位。２．３ ＤＳ１３０７时钟接口电路ＤＳ１３０７时钟芯片是美国ＤＡＬＬＡＳ公司生产的Ｉ２Ｃ总线接口实时时钟芯片。ＤＳ１３０７可以独立于ＣＰＵ工作，它不受晶振和电容等的影响，并且计时准确，月积累误差一般小于１０秒。此芯片还具有掉电时钟保护功能，可自动切换到后备电源供电。同时还具有闰年自动调整功能，可以产生秒、分、时、日、月、年等数据，并将其保存在具有掉电保护功能的时间寄存器内，以便ＣＰＵ根据需要对其进行读出或写入。由于单片机ＡＴ８９Ｃ５２没有Ｉ２Ｃ总线接口，因此，要驱动ＤＳ１３０７，就必须采用单主机方式下的Ｉ２Ｃ总线虚拟技术。在此方式下，以单片机为主节点（主器件），主器件永远占有总线而不出现总线竞争，且可以用两根Ｉ／Ｏ口线来虚拟Ｉ２Ｃ总线接口。Ｉ２Ｃ总线上的主器件（单片机）可在时钟线（ＳＤＬ）上产生时钟脉冲，在数据线（ＳＤＡ）上产生寻址信号、开始条件、停止条件以及建立数据传输的器件。任何被选中的器件都将被主器件看成是从器件。在这里，ＤＳ１３０７作为Ｉ２Ｃ总线的从器件。Ｉ２Ｃ总线为同步串行数据传输总线，其内部为双向传输电路，端口输出为开漏结构，因此，需加上拉电阻。２．４ ＭＴ８８８０Ｃ双音频编解码电路由于单片机是通过ＭＴ８８８０Ｃ芯片得到ＰＳＴＮ网络的双音频信号解码输出，也就是说，单片机可以识别来自ＰＳＴＮ网络的控制信号，用户可以根据系统的语音提示进行按键选择以实现用户身份的识别与远程控制。因此，利用ＭＴ８８８０Ｃ的双音频编码功能，系统可以在紧急时刻将用户预置的紧急电话打到ＰＳＴＮ网络，从而把损失减少到最低。２．５ ＩＳＤ４００４语音录放电路ＩＳＤ４００４是美国ＩＳＤ公司生产的一种语音录放芯片。它可录制８～１６分钟的语音信号。该芯片可提供ＳＰＩ标准接口和单片机进行接口，其语音的录放控制均通过单片机来实现。该芯片的一个最大特点是可以按地址编程录放，因而可由ＩＳＤ４００４和单片机编程控制来构系统与ＰＳＴＮ网络用户的语音平台。由于ＩＳＤ４００４的ＩＮＴ和ＲＡＣ脚输出为开漏结构，因此需要加上拉电阻。);>２．６ ＭＡＸ２０２串行通讯电路通讯电路可由串行通讯专用芯片ＭＡＸ２０２组成，通过此电路可以方便地与ＰＣ机进行串行通讯。２．７ 铃流检测与摘挂机控制电路当系统被呼叫时，电话交换机发出铃流信号。振铃为２５±３Ｖ的正弦波，失真小于１０％，电压有效值为９０±１５Ｖ。振铃信号以５秒为周期，即１秒送，４秒断。由于振铃信号电压比较高，所以先要通过高压稳压二极管进行降压，然后输入至光耦。再经光耦隔离转换后，从光耦输出时通时断的正弦波，最后经ＲＣ回路进行滤波以输出标准的方波。该方波信号可以直接输出至单片机的定时器１进行计数，以实现对铃流的检测。由于程控电话交换机在电话摘机时电话线回路电流会突然变大（约３０ｍＡ），因此，交换机检测到回路电流变大就认为电话机已经摘机。自动摘挂机电路可以通过单片机的Ｐ１．７来控制一个固态继电器，固态继电器的控制端应连接一个大约３００Ω的电阻后再接入电话线两端，从而完成模拟摘挂机。３系统软件编制本系统软件主要由系统主机和系统分机的Ｃ５１程序和系统与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络通讯程序组成。３．１ 系统主机程序的编制系统主机程序主要用于实现系统的总体功能。包括无线数据传输程序、看门狗程序、时间戳程序、双音频编解码程序、语音录放程序、串行通讯程序、铃流检测与摘挂机控制程序、系统初始化程序、意外事件处理程序等。程序编制以消息驱动为主导思想。消息由计数器中断１、外部中断０和串行中断产生，在中断服务程序中，应将相应的状态位置位，而在消息循环中则应按相应的状态位调用功能函数，然后由功能函数将相应的状态位清０并完成所需功能，并最后返回到消息循环中。其程序流程如图５所示。该系统的分机程序和主机类似，故此不再详述。);>３．２ 系统与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络通讯程序的编制这部分通讯程序分为服务器和客户端两个程序，主要通过Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络完成用户的控制功能。服务器程序主要完成客户端与系统主机通讯的中转，即将客户端发来的控制或者查询命令成系统主机能识别的格式，或者将系统主机收到的报警等信息上传到客户端。服务器程序使用Ｓｏｃｋｅｔ与客户端进行Ｉｎｔｅｒｎｅｔ通讯。客户端程序是运行在远端用户的控制界面，主要用于完成家居内状态的显示以及对家居内电器的远程控制，同时使客户端直接连接到服务器。４结论本系统充分利用了现有的网络资源。通过在实际电话网络和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网络中的试运行证明：该系统能够达到设计初期的各项要求。相信将在信息家电、智能小区等方面得到广泛应用。

智能家居是系统性的产品，主要有控制器和执行器组成。其中该系统的通讯模式、系统构架、系统功能等是关键的。市场主流智能家居产品的通讯模式大概有10多种。其中不乏各种国际标准和国家标准的。所以，你断难取舍源自你题目太大而无法落地。我建议你采用Zigbee方式做家居内的I/O控制，有成熟的250KZigbee解决方案，如果你水平高，可以尝试做1MZigbee的I/O+简单音视频智能家居系统。论文好办，解决了物理模型后，直接把解决方案中的芯片介绍60%+你的开发感受40%写进去即可。补充说明：简易智能联动控制产品设计，我推荐你做“人体红外感应”，可广泛应用于走道、玄关、卫厨、衣柜等处灯光甚至设备开关控制。资料、IC、方法等可以百度“电子设计 KT-0003”，20块钱1个。 如果能将433Mhz的无线收发（市面很多解决方案，关键是这种融合的思路是一种创新）做进去，还能实现逻辑联动1拖多。

无线遥控开题报告

随着现代通信技术的飞速发展，近距离无线通信技术呈现出良好的发展势头。受到越来越多人的关注。

设计背景与目标

设计背景：

随着科技的进步和社会的发展，现代电子产品设计越来越注重产品的简易和实用，快节奏的现代生活使得许多电子产品也必须作到小巧、方便、简易。为满足这一需求。便产生了无线遥控系统。

它的产生使人们在工业、农业、航天以及家庭生活中都得到极大的便利，使人们在一定的距离内可以控制其他机器、系统等的正常运作。给工业的发展带来了方便。他是电子行业以后发展的必然趋势。在曾经的工业生产中,不管是机器的启动,还是系统的关闭。

都采用的是有线控制,需要人亲自到控制中心进行手动的操作。给工业生产的进步和生产效率的提高带来了限制。随着科技的不断进步,这样的控制必定会被先进的所取代。因此遥控控制系统的产生,给工业带来了新的革命。

它极大的方便了工业的控制生产。使人们能够在一定距离内甚至在遥远的宇宙中也去控制另外的机器,系统的运作大大的提高了生产效率,为经济的提高做出了很大的贡献,也决定了一个国家在国际中所站的地位。因此,作为国家未来建设者。我们学好遥控知识,是自身的必备,也是国家和时代的需求。 设计目标：

1.控制距离至少20米

2.通过不同的按键控制开关通断 3.可实现开关通、断、延时关等功能

设计思路、技术路线

本次设计采用的是315MHz稳频无线电遥控组件及其它的外围元件，组装的遥控开关。通过单片机可以对十路220V以上的各种电器进行控制。

发射电路扫描键盘的键位，由单片机发出相应的控制信号，送到PT2262的数据输入端。由PT2262编码并调制在315MHZ载波上，经过一级高频放大后由天线发射出去。

再由接收板接收信号，经过两级放高频放大后，由检波电路解调出调制信号，数字信号经过双运算集成放大块LM358两级高增益放大后送入PT2272进行解码，输出端送给单片机，单片机根据动作信号分别去控制相应用电器的控制继电器。完成对用电器的控制。

发射部分：315M

无线发射模块

接收模块：315M无线接收模块

设计进度计划

1、2014年12月—2015年1月 毕业论文选题，与导师见面。

2、2015年1月—2015年1月 收集相关资料，建立框架。

3、2015年1月 毕业论文开题答辩。

4、2015年2月—2015年3月 用Protel软件画出各部分电路,并编写单片机程序。

5、2015年3月—2015年4月 监测电路并进行调整。

6、2015年5月—2015年5月 优化程序，撰写论文。

7、2015年5月2日—2015年5月11日 完成论文，毕业论文答辩。

1.课题研究的目的和意义

遥控开关是智能化控制时代必不可少的发展，给我们的生活带来的很多的方便快捷。如在家庭中运用智能开关，能实现智能开关控制灯光、电器、窗帘、门锁，享受随时随地的智能家居遥控，使智能与时尚完美结合。

常用遥控器大致分为两类：红外线遥控器，无线电遥控器。

人们见到的红外遥控系统分为发射和接收两部分。发射部分的发射元件为红外发光二极管，它发出的是红外线而不是可见光。常用的红外发光二极管发出的红外线波长为 940nm 左右，外形与普通φ5mm 发光二极管相同，只是颜色不同。单只红外发光二极管的发射功率约 100mW。接收电路的红外接收管是一种光敏二极管，使用时要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作而获得高的灵敏度。红外接收二极管一般有圆形和方形两种。由于红外发光二极管的发射功率较小，红外接收二极管收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益放大电路。然而现在不论是业余制作或正式的产品，无线电遥控是利用无线电信号对远方的各种机构进行控制的遥控设备。

(1)发射器电路由3V电源提供，低频信号40KHZ的载波形成皆用与非门加外部元件实现，具有较高的稳定性，这部分电路用到了一个与非门集成电路。

(2)接收器电路又由几个部分组成，使用了LM567集成块实现了锁相环加密功能，用双稳态电路对继电器进行控制，利用继电器的开关对负载实现控制。

无线电遥控系统一般分为发射和接收两部分。发射机主要包括编码电路和发射电

路。编码电路由操作开关控制，通过操作开关使编码电路产生所需要的控制指令。编码电路产生的指令信号都是频率较低的电信号，无法直接传送到遥控目标上，还要将指令信号送到发射电路使它载在高频载波上，才能由发射天线发射出去。接收机有接收电路及译码电路组成。由接收天线送来的信号经由接收机高频部分的选择和放大后，送到解调器。解调器的作用是从载波上卸载指令信号，由于卸载的指令信号是混杂的，所以再送到译码电路译码，还原指令信号。

无线电遥控是利用无线电信号对远方的各种机构进行控制的遥控设备。无线电遥控系统一般分为发射和接收两部分。发射机主要包括编码电路和发射电路。编码电路由操作开关控制，通过操作开关使编码电路产生所需要的控制指令。编码电路产生的指令信号都是频率较低的电信号，无法直接传送到遥控目标上，还要将指令信号送到发射电路使它载在高频载波上，才能由发射天线发射出去。接收机有接收电路及译码电路组成。由接收天线送来的信号经由接收机高频部分的选择和放大后，送到解调器。解调器的作用是从载波上卸载指令信号，由于卸载的指令信号是混杂的，所以再送到译码电路译码，还原指令信号。

采用Silicon Laboratories 研制的无线发射芯片Si4010、无线接收芯片Si4313和C8051F920 单片机设计并制作的无线电遥控多路开关系统，结构简单，性能稳定，控制方便，适用于含有较多受控电器的场合，并可实现多路多功能控制。

无线电遥控多路开关系统由无线电发射电路和无线电接收控制电路两大部分组成。

红外遥控器由于受遥控距离、角度等影响，使用效果不是很好， 如采用调频或调幅发射接收编码，则可提高遥控距离，并且没有角度影响。红外遥 控发射和接收模块可以用在室内红外遥控中，它不影响周边环境、不干扰其它电器 设备。由于其无法穿透墙壁，所以不同房间的`家用电器可使用通用遥控器而不会产生相互干扰;电路调试简单，只要按给定电路连接无误，一般不需任何调试即可投入 工作;编解码容易，可进行多路遥控。相对于有线遥控，无线遥控不受距离的影响，完全消除了拖缆式遥控装置所带来的故障隐患，给人们的日常工作和生活带来了更多的便利。

随着数字处理技术的快速发展，无线数字通信技术日趋成熟，其抗干扰能力强和易于对数字信号进行各种处理等优点，使得无线遥控系统的抗干扰性能逐步提高，安全性能大大改善。

相对于超声波遥控和红外线遥控，无线电遥控是利用无线电信号在空气中传播，根据无线电波的频率来遥控，可穿透一定的障碍物，传播距离较远，因此成为无线遥控领域的首选，在国防、军事、科研和日常工作生活领域应用越来越广。

2.课题研究的主要内容

设计一种无线电遥控开关，要求

(1)遥控开关的发射频率为。

(2)遥控距离为10m左右，主要用于家庭内遥控家庭电器开关。

(3)发射器电源电压要求在10V以下。

(4)遥控接收器要求能够较准确的接收的载频信号，并解调出控制家用电器开关的信号的控制开关动作。

(5)整个遥控电路尽可能简单可行。

3、研究方法

无线遥控器：

无线遥控就是利用高频无线电波实现对模型的控制。目前，传统无线遥控系统普遍存在同频干扰和遥控距离小两大问题。主要原因是载频较低导致带宽较窄和控制信息以模拟方式传输使得同频干扰可能性的增大。而采用先进的 GHz扩频技术，从理论上讲可以让上百人在同一场地同时遥控自己的模型而不会相互干扰.而且在遥控距离方面也颇具优势， GHz遥控系统的功率仅仅在100 mW以下，而它的遥控距离可以达到1以上，而且由于频率高，天线长度只有3 cm;另外，可借鉴的商用技术较多。因此，很有必要将 GHz扩频通信技术应用于无线遥控领域。

无线模块：

nRF24LE1无线芯片模组

挪威Nordic公司nRF24LE1用作遥控器的主控芯片，其内部有两个部分：增强型的8051MCU和内嵌低功耗无线收发内核nRF24L01P，空中速率有三个选择:250 kbps, 1 Mbps，2 Mbps，保证数据的空中快速传输。两者之间通过SPI接口进行通信。还拥有丰富的外设资源，尤其是内置128 bit AES硬件加密器，可对任何无线传输的数据进行高强度的加密，确保无线数据的安全，特别满足RFID对高安全性的要求。CPU的工作模式可以通过开关状态寄存器的控制位来控制，当工作在发射模式下发射功率为-6dBm，电流消耗为9mA，接收模式时为，该特性为设计低功耗系统提供了先天性条件。

nRF24LU1+芯片内部结构和nRF24LE1基本一致，考虑到成本的计算，采用nRF24LU1+符合全速USB 标准的器件控制器。

JTT-24L01+ 嵌入式微功率无线数传模块

JTT-24L01+是一款工作在 的通用ISM 频段的单芯片微功率无线收发模块，是成都江腾科技有限公司采用高性能的无线射频芯片nRF24L01+以及高精度外围元件开发的一款无线通信模块。

特点：

(1) 内置 天线,体积小巧 15mm X 24mm

(2) 传输距离远,开阔地无干扰视距100米,具体距离视环境而定

(3) 采用真正的GFSK 单收发芯片

(4) 全球开放 ISM 频段免许可证使用

(5) 自动应答及自动重发功能

(6) 地址及CRC 检验功能及点对多点通信地址控制

(7) 最高工作速率2Mbps,高效 GFSK 调制,抗干扰能力强,特别适合工业控制场 合,可以传输音频、视频

(8) 标准 DIP 间距接口,便于嵌入式应用

(9) SPI 接口数据速率0~10Mbps

(10) 125 个可选工作频道,满足多点通信和跳频通信需要

(11) 支持无线唤醒,很短的频道切换时间可用于跳频

(12) 采用10PPM的高精度晶振

(13) 采用高Q值0402封装的电感和电容

(14) 工作电压,推荐,但是不能超过.可以把电压尽可能靠近 但是不超过

JF24D无线收发模块

JF24D整合了高频键控(GFSK)收发电路的功能，以特小体积实现高速数据传输的功能。JF24D的传输速率可达到1Mbps,并具有快速跳频校验等功能，可在拥挤的ISM 频段中达到稳定可靠的短距离数据传输。工作在全球开放的ISM频段面许可证适用。

特点：

(1) 低电压，高效率

(2) 低成本，双向高速数据传输

(3) 特小体积(不需要外接天线)

(4) 具有快速跳频，前向纠错，校验等功能

本课题拟采用JF24D无线收发模块。

多路遥控的实现

(1)采用51系列单片机(AT89S51)进行软件编程完成信号的编码译码工作以实现多路遥控。

(2)采用无线遥控器编码/译码芯片完成信号的编码译码工作以实现多路遥控。如：EV1527,PT2262,PT2294-M4,PT2264等。

虽然实现该设计的方法很多，但我觉得使用JF24C无线收发模块和单片机来完成较好，以下是我决定的研究方法：

JF24D采用SPI数字接口与单片机连接。它支持SPI标准格式(CKPHA=0)。

说明：JF24C可以和各种单片机配套，对于硬件上没有SPI的单片机可以用IO口或者串口模拟SPI。与51系列单片机配套时在P0口加一个10K的上拉电阻，其余IO口可以和JF24C直接相连。单片机可以用5V供电，JF24C用供电。JF24C工作电压不得超过，否则会损坏器件。

4.实施计划

第七学期：

第 8 周: 选择毕业设计课题。完成指导教师和毕业设计课题确定。

第 9-12 周：完成开题报告和外文翻译。

第 12 周: 完成毕业设计的开题答辩。

第13-20周：根据拟定的课题实施方案，进行深入研究，基本完成毕业设计相关的硬件或软件设计工作。

第 21 周：在教师的指导下，完成系统总体方案设计、系统软、硬件设计、实验测试等相关方面进行深入研究。

第八学期：

第 1-5 周：继续完成论文设计。

第 6- 9周：向指导教师提交毕业设计/论文初稿，根据指导意见对初稿进行修改。

第10-14周：完成毕业论文定稿和毕业论文格式审查。

第 15 周：毕业答辩。

5、参考文献：

[1] 陈永甫.实用无线电遥控电路.北京：人民邮电出版社，2007.

[2] 朱卫华,陈和.高频电子线路.北京：电子工业出版社，2003.

[3] 黄智伟，王彦.全国大学生电子竞赛训练教程.北京：电子工业出版社，2005.

[4] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计.北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[5] Tavares, Board for of Minho, Portugal.

指导教师意见

指导教师签字：

年 月 日