智能家居总线研究论文

摘要:本文设计了一种基于LIN总线的语音控制智能家居系统,该系统采取分布式控制方式,以凌阳SPCE061A作为中央处理器,AT89S52单片机作为从机。由凌阳SPCE061A对语音命令进行识别,识别结果通过LIN总线传给特定的从机,再由从机执行对家电的控制。今天小编给大家找来了《智能家居总线研究论文(精选3篇)》，供大家参考借鉴，希望可以帮助到有需要的朋友。

智能家居总线研究论文 篇1：

基于can总线的智能家居控制系统的设计和研究

摘要：本文设计了一种基于can总线的智能家居控制系统，文章对智能家居控制系统的功能需求进行了分析，以及对家居控制系统的典型硬件电路进行了设计，并简述了系统的软件设计.该系统可以实现家居系统的智能化控制，具有良好的应用前景。

关键词：智能家居；can；总线；智能控制

随着行业的发展，智能控制的功能多元化，控制的对象不断扩展，控制的联动场景要求更高，为此带来各研发厂商针对不同目标群体，所生产的智能家居产品的配套操作系统、通信协议等技术标准参差不齐，给系统的集成带来了很大的困难。

1智能家居控制系统功能分析

综合考虑用户的功能需求、家居系统使用时的成本因素等方面，本文所设计系统选取了几个具有典型的节点，对应本文所设计的智能家居控制系统的功能，具体内容如图1所示。

框图中，家庭安防功能主要包括对各类红外、烟雾等传感器等采集数据，就家居生活中的异常情况进行报警；数据采集主要采集家居环境中的温度、湿度、光照度等参数；灯光控制主要针对家居环境中的灯光进行调节；家电红外遥控学习功能是指通过红外遥控器对家电进行远程控制；短信报警及查询功能是指用户可以通过手机接收报警信息并查询到家庭内部状态信息。

2控制系统硬件设计

2.1主控制器及外围电路设计

本设计采用美国Microchip公司的dsPIC30F6014a数字信号处理器为主控制器，该处理器功能较强，同时具有CAN通信接口和RS232接口、USB接口等，对智能家居这种用户经常需要进行升级和功能改造的应用场景非常适用。使用时，主控器器芯片EXTAL和XTAL7两端连接晶振（7.37MHZ），这个频率值经芯片内部锁相环处理后可提高为若干不同倍数值，提高后的频率值最高可达120MHZ，将提高后的频率值做为主控制数字信号处理器工作的内部总线时钟使用。

其中，电源电路中的电源模块选择LM317电压调整芯片，电路如图2所示，电路外接9V电源接入到LM317芯片上，通过开关J21再经去耦电容输出稳定的5V或3.3V电压给整个电路的数字部分进行供电。

CAN总线通信接口电路如图3所示，本设计采用MCP2551CAN总线收发器作为CAN协议控制器和物理总线接口使用，将信息发送或接收接至总线.CAN是一种应用广泛的现场总线，能有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。

本设计中使用的MCP2551是一款可容錯的高速CAN器件，该器件兼具各种保护功能，且具有很强的抗噪特性，工作速率可达1MB/S，可为CAN协议控制器提供差分收发能力，有利于提高本系统的工作稳定性和快速性。

2.2智能节点硬件电路设计

家电开关控制节点电路主要实现通过I/O端口和继电器来完成对智能家居系统中家用电器的开关控制，由于单片机引脚输出电流通过光耦隔离开关连接到继电器的控制端，从而解决了单片机引脚电流过小无法驱动继电器的问题.使用9V电压为继电器控制端供电，同时在继电器两端反向并接续流二极管D1，完成对继电器的反向电压保护，该控制电路如图4所示。

家庭安防电路主要通过连接各种类型的传感器，实时采集各种状态信号，再将信号传递给主控制系统进行分析，继而采取相关的保护措施或报警.例如：采用HC-SR501模块为热释电红感传器传递温度信号，将该模块接入电路中，如图5所示。

3结语

本系统灵活运用了CAN总线作为主干线，并引入各种可视化操控方式，提出了一套整体结构简单、可操作性高、抗干扰能力强、人性化操作的智能家居设备管控系统方案。

参考文献：

[1]周洪，胡文山，张立山，等.智能家居控制系统[M].北京：中国电力出版社，2005.

（作者单位：太极计算机股份有限公司）

作者：李钊

智能家居总线研究论文 篇2：

基于LIN总线的语音控制智能家居系统设计①

摘 要:本文设计了一种基于LIN总线的语音控制智能家居系统,该系统采取分布式控制方式,以凌阳SPCE061A作为中央处理器,AT89S52单片机作为从机。由凌阳SPCE061A对语音命令进行识别,识别结果通过LIN总线传给特定的从机,再由从机执行对家电的控制。语音识别部分采用特定人识别和命令分层技术,系统对家庭的各个成员语音命令进行采样、存储,从而实现家庭各个成员的语音识别。

关键词:智能家居 分布式控制 语音识别 LIN总线 命令分层

1 引言

住宅智能化系统的概念是从20世纪70年代末起源于美国,随后,在欧洲、日本等国也得到了飞速发展。智能家居是通过统一的网络总线和控制平台将家庭的电器设备连成一体。目前智能家居控制仍处于遥控式和集中控制式阶段,智能化程度不高,错误处理能力弱。在未来,其发展趋势将倾向于语音控制及分布式控制。与集中式控制相比,分布式控制不仅能减少布线,而且能提高系统的可靠性,当某一个节点出现故障时,只需将该节点从网络中去除,而其它节点不受影响。

本智能家居系统采用语音控制系统,分布式LIN总线传输网络传输信息,错误率低,各节点独立控制,单个错误节点不会影响到整套网络节点。采用树形的分层识别技术,不仅扩展了系统的可识别人数,而且也起到防盗作用。通过汇编与C语言混合编程方式,提高程序的执行效率。此外,系统采用上位机监测下位机系统的模式,对下位机网络实时监控。

2 系统功能及设计原理

本系统分为上位机系统和下位机系统,实现了特定人模式控制家电,搭构了LIN数据传输网络传输语音控制命令,实现上位机软件监控下位机网络的运行。

下位机系统由凌阳SPCE061A语音识别系统、51单片机控制电器系统、LIN总线收发机、键盘设置模块及液晶显示模块组成,上位机系统用串口调试窗口进行监测。凌阳SPCE061A语音识别系统完

成家庭成员对电器操作的语音命令的识别,通过LIN总线收发机与控制从机进行通信。系统设计原理框图如图1所示。

3 系统硬件电路设计

3.1 凌阳SPCE061A语音识别系统

本语音识别模块包括凌阳SPCE061A单片机最小系统及SPR4096外扩FLASH模块。凌阳SPCE061A十六位单片机不仅内置32kFlash,而且集成了语音处理模块,高速的语音处理能快速地执行控制命令。SPR4096是凌阳公司推出一款flash芯片,其内部具有512Kbyte的flash空间,4Kbyte的SRAM,具有并行与串行接口。该芯片通过凌阳公司开发的软件,配合上位机,可以将音频数据烧录到芯片相应的地址单元中去,同样,也可通过上位机将芯片内部的数据读取出来。

3.2 LIN总线收发机

本系统是通过LIN总线实现家居系统的终端控制,每个终端都采用89S52单片机以及一块LIN总线收发模块,实现主机对各个终端电器的控制。LIN总线收发采用TJA1020,它是LIN主/从协议控制器和LIN物理总线之间的接口。睡眠模式下,TJA1020的功率消耗非常低。

4 系统程序设计

4.1 下位机程序设计

下位机程序设计是主要分为语音系统与LIN总线协议两部分。在语音系统程序编写过程中,为了提高识别率和识别速度,我们采用树形的分层识别技术,通过汇编与C语言混合编程方式,提高程序的执行效率。

LIN的数据传输是采用报文帧的形式进行的。一个完整的报文帧由1个主机节点发送的报文头和1个主机或从机节点发送的响应组成。总线网络中主节点在一次帧通信过程中,要根据语音控制模块发来的命令,在通信过程中不同的阶段,将串口设置成不同波特率的发送或者接收状态,以完成报文头间隔场、同步字节场的发送,保护标识符字节场的发送,及下一个阶段的接收或者发送数据过程。

4.2 上位机监测软件设计

上位机软件平台主要应用软件串口调试工具,打开串口模块实现从串行接收获得下位机的状态,主要包括波特率、数据位数、停止位数、奇偶校验、发送缓冲区大小、接受缓冲区大小等,打开串口后,从串口读取数据再经过处理后显示到编辑框中,也可通过设置,导出处理数据,可以将记录的数据保存到Excel表格中,以方面查询,打印。保存数据模块可以将记录的数据保存到Access数据库中,方便对数据库进行操作。

5 结语

本系统综合运用单片机技术、通信技术、传感器技术等专业知识,对智能家居系统进行了研究。在设计和开发的过程中,紧密结合智能化家居的实际发展情况,综合其未来发展趋势,大胆提出设想,通过语音控制和独特的总线方式,完成了对家居系统的控制,通过键盘设定再训练的功能。通过软件的创新,采用树形分层模式编写命令,提高软件执行力。但由于条件限制,本系统只在实验室环境下进行了原理性实验,实验表明:控制成功率与环境、说话者、麦克风的灵敏度等因素相关,然而无论是在安静还是嘈杂的环境下,3m范围内的识别成功率都能达到95%以上。相信通过适当改造,该系统具有一定的应用前景。

参考文献

[1] 实验箱指导书上册.凌阳大学科技计划编著http://www.unsp.com.cn.

[2] 实验箱指导书下册.凌阳大学科技计划编著http://www.unsp.com.cn.

[3] 康华光主编.电子技术基础.模拟部分.北京:高等教育出版社,2006.1.

[4] 靳希,董立骏,屈克庆.LIN总线技术及其应用研究.电子产品世界,2008,03.

[5] 颜自勇,王辉堂,金凯鑫,陈文芗.LIN总线及其在智能家居控制系统中的应用.国内外机电一体化技术,2006,03.

作者：许锦海 刘洪山

智能家居总线研究论文 篇3：

智能家居控制系统技术问题的研究与探讨

摘要：本文通过当前家居智能控制的现状进行深入研究，对现有的各种总线协议、控制技术、接口技术进行阐述与分析，同时笔者提出对家居智能控制的一些建议，这些研究相信对研究家居智能控制的技术提供一些借鉴。

关键词：智能家居；总线；芯片；接口技术

1 问题的提出

伴随着网络技术的发展与迅速普及，人们的生活方式正在发生深刻的变化。特别是计算机技术、通信技术、网络技术、控制技术的迅猛发展与提高，促使了家庭实现了生活现代化，居住环境舒适、安全、环保、节能。这些高科技已经影响到人们生活的方方面面，改变了人们生活习惯，提高了人们生活质量，家居智能化正是在这种形势下应运而生。

智能家居应该包含三方面的内容：(1)信息产品的家电化，如机顶盒、Web游戏机、Web电视、Web电话，还有PC、掌上电脑、手持PC、可穿戴PC等所有能通过网络系统交互信息的消费类电子产品；(2)传统家电的数字化和网络化，如电冰箱、洗衣机、微波炉、太阳能热水器等植入数字网络技术，使之工作于家庭网络环境的基础上；(3)基于家庭网络环境开发出的新的应用模式，如：家庭设备自动监控、安全防范等。

目前，家居智能化发展的状况如下：

日本是较早推动智能家居发展的国家之一，它较早地提出了家庭总线系统（ Home Bus System， 简称HBS ）的概念，成立了家庭总线(HBS)研究会，并在邮政省和通产省的指导下组成了HBS标准委员会，制定了日本的HBS标准。按照该标准，HBS系统由一条同轴电缆和4对双绞线构成，前者用于传输图像信息，后者用于传输语音、数据及控制信号。

比较成型的总线标准协议主要是美国公司提出的，包括Echelon 公司的LonWorks协议、电子工业协会(EIA)的CE总线协议(CEBuS )、Smart House LP的智能屋协议和X-10公司的X-10协议等。 LonWorks应用范围主要包括楼宇自动化、工业控制等，在组建分布式监控网络方面有较好的性能，目前全球已建立的LonWorks节点已经超过50万个。在四种协议中，X-10是历史最长且使用最简单的一种，它于1978年诞生于美国，至今仍是美国家庭自动化的主导系统。之所以说X-10协议简单是因为它直接利用住宅电力线作为控制总线，通过电力线将各控制器与各功能接口器相连并实现程序控制，不必再穿墙打孔，更有利于改变结构空间，用户可自己动手安装，价格也比较低廉。而CEBuS 作为电子工业推广协议，与欧洲的EHS标准同为欧美家庭自动化电子产品的行业推荐标准。

EIB欧洲电气接线装置总线智能控制系统，简称EIB?总线系统，是为电气接线装置专业打造的智能化控制系统。EIB总线系统作为欧洲安装总线标准利用一条双绞线作为控制总线，取代了传统数量繁多的导线，使照明、调光、百叶窗、场景控制、用电负荷控制、保安、供热系统实现智能化，并成为一个完整的总线系统。

我国对家居智能化并没有提出了统一的家庭总线系统，家电行业到目前为止，对于家居智能化的发展与先进国家相比，比较落后；科研投入不够，因而，真正家居智能家电产品不多。可以认为，我国对家居智能化研究正处于实验室研究阶段。

2 建立适合中国家庭的智能总线标准的设想

家居智能化有三大作用：其一、实现安全、智能化、人性化的近程及远程控制；其二、实现家用电器的节能；其三、实现信息共享。

家庭智能化要求诸多家电和网络能够彼此相容，总线协议是其精髓所在，只有接口畅通，家电才能“听懂”人发出的指令，因此总线标准的物理层接口形式是智能家居亟待解决的重要问题之一。智能家电控制系统的实现面临着两方面的问题：(1)家庭信息需求的具体化，即数字家庭的概念模型到实际模型，国内外都进行了一些有益的探索；(2)技术解决方案，包括网络接入方案和设备互连方案。

智能家庭控制系统是以网络为物理平台，计算机网络控制技术为技术平台，现场总线为应用操作平台，构成一个完整的集家庭通信、家庭设备自动控制、家庭安全防范等功能的控制系统。其总体目标是通过采用计算机技术、网络技术、控制技术和集成技术建立一个由家庭到小区乃至整个城市的综合信息服务和管理系统，以此来提高住宅高新技术的含量和居民居住环境水平。

我们应对建立适合中国家庭的智能总线标准进行深入研究，在了解、研究世界范围智能家庭控制的发展的同时提出并建立中国的智能总线标准，为我国的智能家居发展提供标准和技术指导。笔者认为中国家庭的智能总线可以参照日本的HBS和美国X-10协议制定我国的智能家居标准。通常智能家居系统内部传输接口可以通过两种传输途径来实现：其一是无线传输方式；其二是有线传输方式。我们可将家居用电设备基于控制特性分成若干类，这里包括网络化的信息产品、传统家电和基于家庭网络环境开发出的新的应用产品，由此，可以根据这些家电的特点，建起立家庭的智能总线。

首先建立中国的智能总线标准及协议，目前，家庭有电力线、电话线、网络线以及视频线，这些网线系统，笔者认为可以作为中国家庭的智能总线的载体，标准及协议可以分成三个部分，传统家电以电力线、电话线为控制载体，可以实行短命令控制方式；网络化的信息产品、基于家庭网络环境开发出的新的应用产品以网络线为控制载体，实行计算机系统控制方式；至于视频及安全防范系统，则应以网络线以及视频线为控制载体，实行计算机系统控制方式。下图是智能家居控制系统的框图。

图1 智能家居控制系统的框图

3 实现智能家居控制常见的技术与设想

对于智能家居控制，在建立智能总线标准及协议之后，对家电的控制关键在于接口，目前国际上流行的物理层系列接口主要包含无线射频（RF）、电力载波（PL）、双绞线（RS485等）、专用线IEEE 1394 、IEEE1394b、利用IEEE 1394 的HAVI 、蓝牙技术（Bluetooth）、无线通信以太网（IEEE802.11）、X11、无线通信HomeRF(Home Radio Frequency)、红外线技术等，这些接口涵盖了从以智能设备监控为代表的低速数据链路接口和以家庭多媒体娱乐和视频监控为代表的高速数据链路接口。从过往控制效果分析来看，电力载波（PL）、双绞线（RS485等）、蓝牙技术（Bluetooth）、无线通信以太网（IEEE802.11）、X11、红外线技术等比较适合智能家居控制，因此，在今后的研究中，我们应该加强对相关技术在家居控制的接口的深入研究，制定中国智能家居控制长远规划，统一制定全国的接口技术标准，设计并研发相关的接口IC，以利于中国智能家居控制的发展状大。下面笔者就一些接口技术做一些深入的探讨。

1)电力载波

电力载波主要使用两种方式：窄带通讯方式和扩频通讯方式。窄带通讯技术价格低廉并且较为容易实现；扩频通讯技术在抗干扰性能上扰于窄带通讯，但技术复杂。使用电力载波应用于智能化网络家电控制中有许多优点：（1）可以利用现有的电力线组网；（2）因为不必重新布网，所以可以节约财力、物力和人力；（3）易于实现；（4）目前市场上已经有多种电力载波芯片，可以择优选用。

但是将电力载波应用到智能化网络家电控制中还存在许多技术难点：（1）如何设计基于电力载波控制的智能化家电网络的体系结构；（2）如何制定电力载波通讯协议,使得它们之间能够相互可靠地传递信息；（3）如何克服电力载波固有的信号衰减、阻抗失配以及等幅振荡干扰等问题；（4）如何设计电力线接口（PowerLine Interface,简称PLI）。

2)蓝牙技术

蓝牙技术是由蓝牙SIG(Special Interest Group)联合制定的近距离无线通信技术标准，其目的是实现最高数据传输速率1Mb/s(有效数据传输速率是721kb/s)、最大传输距离为10米(增加功率后可传输100米)的无线通信。蓝牙技术具有以下几个特点：工作于2.4GHz的ISM(工业、科学、医学频段)频段，无需申请频率许可证；采用1600hop/s的快速跳频技术；采用正向纠错编码(FEC)技术；采用FM调制方式，设备简单；支持点到点、点到多点通信；协议体系完备，充分支持现有高层协议；设备体积小,便于携带或移动,成本低廉。基于蓝牙技术的家居智能网络是用近距离的无线通信技术取代线缆，构建智能化的无线家居网络。

蓝牙家居网络使蓝牙网络家电、蓝牙通信控制器和其它嵌入蓝牙模块的设备，利用无线方式连在一起,使之相互通信；同时，利用具有路由功能的蓝牙家庭网关和外部网络相连,构成家庭式网络系统或家庭局域网，提供集中的或异地的音频、视频通信、计算机控制和管理等，使信息在家庭内以及与外部之间充分流通和共享。蓝牙分布式智能家居网络是沿用工业控制方案，将控制功能下放到相当于工业控制中下位机的蓝牙通信控制器上，实现分散控制、集中管理的模式。

蓝牙智能家居网络中由于蓝牙技术和信息处理技术的局限，其缺点也是不可忽视的。其表现如下：由于每台蓝牙设备最多同时只能和7台设备保持连接，而蓝牙通信控制器需要和较多的设备交互，如果想和更多的设备协调，需要工作模式的转换，影响处理效率，甚至导致通信失败；由于同一设备可能接受很多信息，如果微处理器对信息采用排队处理，时间延迟将增加；在蓝牙分布式智能家居网络中，蓝牙通信控制器之间、蓝牙通信控制器和蓝牙设备之间、蓝牙设备都有信息传递，造成串扰，同时通信路数越多，串扰越大，通信距离和传输速率都随之降低。

3)射频（RF）技术与红外技术

射频（RF）技术成熟度高、成本低廉，穿透性也非常好，但缺点是没有统一的标准，各公司的通信协议都不一样；红外技术非常成熟、具有很好的灵活性和可移动性，成本也非常低廉，但受到障碍物的限制，没有穿透性，方向性较差，也没有标准的通信协议。目前，由于无线射频无需增加附加的布线资源，数据传输性能可靠且成本低廉，因而成为目前最现实和最受欢迎的物理层接口形式之一。可以预见，随着无线方式的逐渐成熟，它将在未来取代有线通信，成为家庭网络的最佳连接方式。

家电的控制关键在于接口，接口的关键在于由协议做成的控制集成电路，我国在半导体集成电路生产的研究水平较低，所以，今后，一定要从基础抓起，抓紧对家智能控制集成电路芯片的研究与生产；另外，也可利用现有相关技术，对家智能控制集成电路芯片进行开发，目前，有若干的集成电路芯片，可用于家电的智能控制，如电力载波控制的芯片，ARM技术芯片，以及目前较为常见单片机芯片。

很简单的讲，您家里空调、电视、DVD每样设备都单独使用一台遥控器，我们是否能够把他们几合一呢？岂不是更加方便？管理这么一堆设备从软件上来讲肯定是复杂的多了，从硬件方面当然也需要功能更加强大、功耗极低、价格更廉价的处理器来支持，32位的ARM处理器能够轻松完成以上需求。嵌入式系统领域显然已经成为另一种科学，也由于网络与通讯的高速进步，带动了信息家电，信息工业的潮流，嵌入式系统已经成为不可或缺的生活必需品。

图2ARM嵌入式应用于各行业框图

ARM公司并不生产芯片，他向芯片制造商提供知识产权，优异的体系结构和开放的平台，使ARM处理器应用非常广泛，各大公司都同时投入大量的人力研究ARM内核的处理器，这不同于CPU几乎由2家公司垄断生产，ARM处理器的选择范围非常宽广，同内核可以选择任意一家厂商的芯片。由于多家的支持努力，基于ARM内核的处理器芯片外设非常丰富，这个用户带来了极大的方便，很多情况都可以一个芯片就可以完成全部的资源需求。

ARM处理器的优点，ARM处理器本身是位设计，但也配备16位指令集。一般来讲存储器比等价位代码节省，然而保留了32位系统的所有优势。 ARM的Jazelle技术使Java加速得到比基于软件的Java虚拟机(JVM)高得多的性能，和同等的非Java加速核相比功耗降低80％。 CPU功能上增加DSP指令集提供增强的16位和32位算术运算能力，提高了性能和灵活性。ARM内核最初是位手持通讯设备设计的，所以他的功耗非常低。

由上可看出ARM技术是一个以开放性源代码进行开发设计的芯片，只要抓紧开发，我们就能开发适应与家电智能控制中央处理的芯片。

目前，单片机器件技术发展很快，例如单片机器件STC12C5410AD系列内设置１ＴCPU、１２Ｋ闪存、有A/D转换、PWM输出、１６位定时器等许多功能，其最大优点是可以用Ｃ语言与汇编语言混合编程，这些都为研发智能家电芯片提供方便，因此，笔者认为，单片机器件可以用于家居智能控制的单元型控制芯片。

4 结论

随着智能化技术的发展，实现家居智能控制的各方面条件更加成熟，笔者对家居智能控制的发展提出一些想法，相信对从事家居智能控制设计的人员会有一些帮助。

参考文献：

[1]严厉平.嵌入式智能家庭网关的研究与设计[J].微计算机信息.2005,2:14-16.

[2]STC12C5410AD系列单片机手册[S].宏晶科技,2006-08-07.

[3]ARM嵌入式教学实践教程[M].华中科技大学出版社,2003.11.

[4]张金家.剖析“智能家居集成及其平台技术研究” [J].建筑及住宅社区数字化技术应用研讨会论文集社，2003.

[5]方天培.居住小区智能化系统 [J]城市·建筑智能系统，2002（10）.

收稿日期：2008-01-12

作者简介：潘庆浩（1974-），男，助理实验师，工程硕士学位（软件工程方向）；古鹏（1963-），男，副教授，本科。

作者：潘庆浩　古　鹏