基于單片機和CAN總線的智能家居控制系統

文｜四川西華大學能源與環境學院 李曉虹 劉克福

基于單片機和CAN總線的智能家居控制系統

文｜四川西華大學能源與環境學院 李曉虹 劉克福

本文針對智能家居系統集成度低，各系統間聯系不大的狀況，介紹了一種采用單片機為控制核心的，基于CAN總線的組網技術，并結合公用電話網絡，設計了一種能夠實現樓宇對講、電話遠程監控和多點報警等功能的智能家居控制系統。

智能家居 CAN總線 單片機 系統集成

1 引言

智能家居于20世紀80年代興起于日本和歐美，于90年代末進入中國，伴隨著經濟的發展和人們生活水平的提高逐漸為國人所了解和接受。目前國內的各種智能化系統和產品較多，但各系統相互獨立，集成度較低，彼此聯系不大。比如樓宇對講系統、安防系統、家用電器自動控制系統等，都各有自己的終端，沒有統一的智能控制平臺。對用戶而言，這種狀況增加了使用成本和操作的復雜性；對施工而言，則導致了重復布線。本文針對此種狀況，設計一種采用單片機AT89C52為控制核心，利用原有的電話網絡，將樓宇對講、安防報警和電話遠程監控系統集成起來，形成一個統一的智能控制平臺，并通過CAN總線組網與門口機和管理機相連，能實現樓宇對講、電話遠程監控和報警等功能的智能家居控制系統。此系統操作簡單，無需重復布線，成本有所降低，是一種真正適用于智能家居的系統。

2 智能家居控制系統的主要構成及功能

（1）樓宇對講系統

樓宇對講采用小區聯網式系統，在各住宅單元門口及住戶家中安裝對講系統，以實現訪客身份驗明和與住戶對講，以及住戶遠程控制開鎖的功能，從而有效地防止非法人員進入住宅樓。

（2）家居安防系統

家居安防系統具有防盜、防火、遠程監控及報警等功能。

（3）家用電器自動控制系統

家用電器自動控制系統的主要功能是控制家用電器、照明等電氣設備。該系統能夠實現本地集中控制家庭內部照明或家用電器，也可以在需要時通過電話遠程控制家庭內部家電設備，節約能源。

3 智能家居控制系統硬件設計與實現

智能家居控制系統室內分機系統構成，如圖1所示。該系統主要由單片機及其I/O口擴展部分、樓宇對講部分、安防報警部分、電話遠程監控部分、與CAN總線連接的節點部分，以及鍵盤、顯示部分組成。

3.1 單片機及其I/O口擴展部分

單片機選用控制功能強大的AT89C52為主控制器，主要用于信號的采集、數據處理、控制信號的輸出等，是整個控制系統的核心。由于本系統所需的I/O口較多，單片機本身提供的I/O口不夠，故利用芯片8255對其I/O口進行擴展。其中8255的PA口工作于輸出方式，用于對家用電器進行開關控制；PB口工作于輸入方式，用于各種報警探測器的警情信號的輸入；PC口用于擴展鍵盤。

3.2 樓宇對講部分

為了滿足樓宇對講系統中各部分的功能要求，本系統使用三根I/O口線和一個開鎖鍵。三根I/O口線中，一根做輸出，用于控制對講分機的振鈴；一根做輸入，用于檢測對講分機的摘機信號；一根用于控制對講分機的模擬音頻信號通道的控制繼電器，使用戶可以在其接通后通過音頻模擬通道直接進行對話。開鎖鍵設于鍵盤上，開鎖信號通過CAN總線傳到門口機，門口機接到開鎖信號后控制開啟樓門鎖。

3.3 安防報警部分

安防報警部分的功能包括警情信號的輸入、本地報警、本地報警顯示、遠程報警。警情信號包括各種探測器，如窗磁開關、門磁開關、被動紅外傳感器、煤氣探測器、火災探測器等的信號。各種警情信號都接到8255的PB口。本地報警是單片機通過I/O口控制蜂鳴器進行聲音報警，同時由八段數碼管顯示器顯示報警類別。遠程報警包括遠程電話報警和通過CAN總線向集中控制室的管理人員進行報警。

3.4 電話遠程監控部分

實現遠程監控的方案主要有基于Internet的遠程控制、基于電力線的遠程控制和基于電話網絡的遠程控制三種。前兩種組網方案較為復雜，技術難度大，而且成本較高，對維護者技術水平的要求也較高。而電話網絡是一種技術成熟、應用較廣、成本低的通信網絡，本設計采用電話網絡實現遠程監控。當家里有警情時，用戶能通過電話實現遠程報警。當需要遠程控制家用電器時，用戶可通過電話將控制信號送入單片機，單片機再通過8255的PA口輸出控制信號，驅動繼電器對家用電器進行開關控制。電話遠程監控部分的電路主要包括三部分：信號檢測、模擬摘掛機電路，用HT9170和HT9200A實現的雙音多頻DTMF信號收發電路，用ISD1420作為錄放音元件的語音錄放電路。

3.5 與CAN總線連接的節點部分

本設計利用CAN總線對等式的通信網絡實現智能家居控制系統室內各分機之間，以及分機與總機之間信息的互通，具有各節點地位均等，無主從節點的特點。由于主控制器AT89C52型單片機本身不帶CAN總線控制器，本設計采用SJA1000型CAN總線通信控制器和AT82C250型總線驅動器來實現單片機與CAN總線之間信息的互通。

3.6 鍵盤顯示部分

鍵盤采用4×4矩陣鍵盤，共設16個按鍵，其中有十個數字鍵，其余的為設防按鈕、住戶呼叫對講按鈕、開鎖按鈕、確定按鈕、清除報警撤防按鈕和家電控制按鈕，分別用于各種控制信號、呼叫/求救信號、開鎖信號、撤防/布防信號的輸入。顯示器采用串入并出的74LS164移位寄存器來驅動一位LED八段數碼管，進行控制參數或報警類別的實時顯示。

4 智能家居控制系統軟件的設計與實現

為使程序清晰可讀且運行速率高，本系統軟件采用模塊化結構設計，由主程序和相關子程序（如鍵盤掃描子程序、顯示子程序、語音提示子程序、撥號報警子程序、電器控制子程序等）組成。主程序流程如圖2所示。該程序主要包括安防報警、樓宇對講和電話遠程控制三個模塊。

主程序工作過程為：系統上電復位后進行初始化，待初始化完成，系統分別對警情信號、樓宇對講呼叫信號和電話呼入信號進行檢測，如有信號輸入，則進入對應的處理模塊。在安防報警模塊中，設置延時程序以消除抖動和誤報警，延時程序主要通過調用鍵盤掃描子程序實現。如果延時完成后仍有警情，則按順序進行本地報警、通過CAN總線向中央控制室報警和撥號電話報警，從而實現多點報警的功能，將損失降到最低。樓宇對講模塊中，門口機的呼叫信號經CAN總線傳到分機，分機檢測到此信號后，接通對講機振鈴，然后再判斷是否摘機，如沒有摘機信號，則延時再判斷。當住戶摘機后，單片機輸出信號控制音頻通信線路的控制繼電器接通，使住戶與呼叫者得以進行通話。在通話期間，單片機判斷其是否掛機，如掛機則返回，未掛機則調用鍵盤掃描子程序，判斷開鎖鍵是否按下，如按下則通過CAN總線和門口機進行遠程開鎖。電話遠程控制程序模塊的工作過程是當有電話呼入時，先檢測是否振鈴4次，再模擬摘機，摘機后放錄音提示輸入密碼。如密碼不正確，則模擬掛機；如密碼正確，則放錄音提示輸入需控制電器的序號，然后檢測其返回的控制信號，并調用電器控制子程序，進行家用電器的開關控制，完成后模擬掛機。

5 結束語

本文設計的智能家居控制系統充分利用單片機強大的控制功能和CAN總線靈活方便、可靠性高、通信速率高、價格低廉、組網容易等的突出特點，并結合現有的公共電話網絡，對智能家居中各個相對獨立的系統進行集成，實現樓宇對講、電話遠程控制、多點報警等功能。CAN技術是一種新的控制網絡技術，與現有的成熟的公共電話網絡相結合，必將在智能小區的應用中逐漸顯示出其獨特的優勢。

1 李彬.淺談智能家居——樓宇對講系統的發展方向[J].安防工程商，2006（3）：64～65

2 張洪潤，劉秀英，張亞凡等.單片機應用設計200例（上冊）[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006

3 林華，薛昭武.基于單片機的智能電話報警系統[J].國外電子元器件，2007（5）：12～14

4 王福瑞.單片微機測控系統設計大全[M].北京：北京航空航天大學出版社，2001

5 李金剛，劉永鴻.基于AT89C51型單片機的CAN總線智能節點設計[J].國外電子元器件，2006（8）：26～29