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基于手机和拥有即时语音信息反馈的J2ME的便利家庭自动化系统
利比亚 班加西 利比亚 班加西
加尤尼斯大学电气工程系 公众委员会培训和就业培训中心
Mahmoud shaker Nasr Fahtha H. A. Salem Azwai
电子邮件:mahmoud111957@garyousis.edu 电子邮件：rawaa2006@garyounis.edu
978-1-4244-3806-8/09/$25.00◎2009 IEEE
摘要
这篇论文介绍了一个可以通过手机来控制家用电器的便利控制系统; 这个系统也就是众所周知的“家庭自动化系统”(HAS)。
这个系统的设计涵盖了在家庭自动化系统中最重要的因素，如灵活性, 安全性、易于使用、可立即向客户反馈信息的能力等。
该系统使用J2ME语言给客户手机编程，它可以发送信息到所服务的手机，这样就可以通过和一个可编程的微控制器连接控制电器的运行。而这个PIC单片机是安装了一种介绍系统主要特色的程序。光耦合器和静态电源开关(TRAIC)都是用来连接PIC和家用电器之间的接口装置。
本篇论文所提出的家庭自动化系统已经被运用于实际，并且经过检测后给出了正确的和预期的结果。
关键词：家庭自动化系统，家庭自动化，PIC单片机,J2ME,语音信息反馈
Ⅰ.引言
家庭自动化系统的想法几年前就已经被提出来了。它最开始的家庭自动化概念是指将计算机应用和 机器人技术结合起来。换而言之，就是通过计算机来控制家用电器[4]。后来，这个概念发展到更现代化,讨论的是运用到不同建筑的科技和设备的交互作用，从而达到提高安全性，舒适程度，交流性，以及提高节能程度。
家庭自动化技术尽管还没有广泛的运用于像美国这样的世界重要地区，但已经变得对更广泛的公众越来越实用，越来越负担得起，也越来越有兴趣。那些曾经很新奇的产品,如“拍手者”可以通过拍手来开灯关灯，现在已经成为了衡量现代房屋中实用性，便利性和可用性的重要的因素。这些因素已经被加入到家庭自动化所创造的娱乐性和安全性的巨大可能性中去了[1]。考虑到目前西方世界人口的转变将会带来家庭房屋可行性和可能像远程健康监测相关设施的需求增长，家庭自动化也变得更加可以接受。
家庭自动化的问题在于这些系统并不总是被最终用户完全接受,尤其是老人和残疾人，而这些往往却是那些最需要它的人。研究人员的目标就是研究出如何将家庭自动化带入我们的生活从而使它对我们有着积极的影响。举个例子,努力让系统对任何用户都可用并且负担得起可以帮助用户使用旧的，便宜和简单的技术，如手机的使用。还有为了能够远程控制世界上任何地方的家用电器而开发可用的移动网络从而能够传输来自任何地方的客户数据。还有一个例子就是使用X-10通讯协议来发送数据到家庭网络[3]。
可以用于估算家用自动化系统的主要的参数有:互通性(不同类型设备的性能和不同的制造商的交流合作)、可伸缩性、安全性、可用性多个标准的存在、简单性、给客户反馈信息的能力、浅显易懂性和灵活性。这些参数就为吸引企业更快地加入这个新兴的市场提供了很好的理由，同时也提供了一个在工程、建筑、通讯和操控方面创造新领域的很棒的机遇。因此，家庭自动化系统如今越来越受欢迎。
这篇论文介绍了一个便利家庭自动化系统，其通过使用两部手机（即客户和服务器的手机）能够达到上面所提到的参数条件。客户的手机就是主人，里面包含了由J2ME语言编程的家庭自动化系统。服务器的手机(坐落在家里) 是与控制器相连接的，可以控制家用电器的操作。控制器由一个DTMF(即双音多频)和PIC单片机组成的。接口电路由一个光耦合器和一个静态电源开关（三端双向可控硅开关元件）组成。
Ⅱ. 系统特征 本文所介绍的系统具备以下特征：
1.可视化家电菜单。用户通过J2ME软件可以在手机屏幕上看到所有他想控制的电器和使用说明。
2.该系统允许用户控制(打开或关闭)其中的9个家电，并且不同增加任何组件也可以扩大到控制22个家电（这取决于单片机的编程)。
3.能控制高电压设备。
4.可以用语音信息随时了解设备的当前状态(开或关)。
通过语音信息了解家里总电源是否关了
5.在操控后（开或关），该系统将会通过语音信息与用户交流,并提供和设备的状态相关的信息。
6.除了指定号码可以打通服务器的号码，其他任何号码都不能打通。用户自己来选择特定的号码。家庭自动化系统加入这个特征是用来保证其安全性。
7.可以添加多个用户来控制这个系统。这项特征取决于用户的选择。
8.在没有对家庭系统产生任何影响下，服务器的手机是可以用于正常使用的。
9.通过主手机中菜单的选择，系统有能力更改服务器的电话。
10.服务器密码至少在4位数以上，用户也可以增加其密码的长度。
11.如果输入了三次错误的密码， 控制器将会自动关闭通话。
12.用户可以随时远程地更改服务器密码。
13.如果没有按键超过30秒, 控制器会自动关闭通话。这个特性为了防止电话线路繁忙，也可以为用户省钱。
14.在规定的家庭电力下工作和不需要特殊的电网。
15.系统的非易失性; 这意味着如果家里断电了，设备状态和新密码的信息将不会丢失。
Ⅲ. 系统的结构
本文会根据图(1)中的方框图对所提出的家庭自动化系统的结构进行解释。该系统主要由两部手机组成。一部是远程手机，叫做主人手机（即用户手机），它能够远程控制家电的运行，这部手机里包含了由J2ME语言编程的主菜单；另外一部手机叫做服务器手机，因为它是固定在家里的服务控制器板上。
该系统能够使用户通过程序化了的手机控制家电，并且和其交流。此外，还能够使用户设立所提到的那些特性。
这些家电都是由家中的服务器手机控制的，他们的运行是通过服务器手机接收来自主人手机的指令实现的。与家庭服务器手机相连接的控制电路主要包括：双音多频解码器，单片机，接口电路和隔离电路以及语音信息反馈电路。
电源和隔离器
Micra 控
制器
DTMF解码电路
主叫手机
服务器手机
语音信息
主服务控制器
图 1系统框图
Ⅳ. 系统操作
系统的操作流程可以概括如下： 一旦使用者（（控制者、（客户））给服务器手机打电话，服务器手机则会自动地接通电话，之后使用者就可以根据下面的步骤逐步地控制家电的运行。
1.输入所需密码。
2.在一个特定的家电数字后面输入“0”就可以知道该家电的状态。
3.在一个特定的家电数字后输入“#”则可以改变家电的现状。可以由原来的关变为开，也可以由原来的关变成开。
4.在新密码后面输入“*”则可以更改密码。
5.所有这些控制的状态都会通过语音信息反馈给用户。
Ⅴ. 系统组成部分
参阅图（1），该系统包含了以下部件，即：
bull;包含主菜单的用户手机。
bull;服务器手机。
bull;控制电路。
用户手机相当于一个遥控装置，通过它用户能够与家庭自动化系统互动。通过Java编程语言设计的应用程序给用户的手机上提供了便利的图形用户界面, 其能够执行操作任务和检查家电的序列。
所需的应用（即菜单）是用J2ME语言设计的，这是因为J2ME有如下一些主要的优点[2]。
·Java能确保用Java语言开发的应用程序的可移植性。这些应用程序可以在不同的制造商制造的不同的手机中移植。
bull;因为Java具有大量的应用程序接口(API)它能够提供图形用户界面,发送和接收短信,并通过GPRS通信等功能。
bull;手机中的Java应用程序可以通过以开发环境著称的Java开发工具很容易地研发出来。[1]
bull;大多数手机厂商提供各自的手机模拟器供开发人员在测试真正的手机之前上测试他们的应用程序。
在我们案例中的手机软件是J2ME（Sun公司的Java 2 平台微板）它是Java语言的一种，是充分利用像手机这样的小型设备。大多数的手机制造商都对Java手机的部署做了强有力的承诺。数以千万的支持java的手机已经到消费者手中。他们无需购买新的手机就可以提高手机的性能。尽管J2ME语言并不是唯一部署在手机上的语言程序, 但它是许多制造商支持的行业标准。因此提供了一个很大的并且越来越大的安装基础。这也是手机应用程序开发的一个自然选择。
我们用电话手机程序连接两个手机;它可以使控制界面在用户下命令之前反馈每个设备的现状信息时比短讯服务或无线应用协议都好。
该软件功能是连接用户手机和家庭电话，以及展示家用电器的序列和每个处于控制中的设备所代表的数字。图(2)显示了一个用户手机编程的一个例子。
b) 服务器手机是驻留在家里的，它接收来自用户的电话, 并与控制系统相连接。
c)控制电路是家庭自动化系统的核心，正如我们之前所提到的，它与服务器手机相连接。这个本地服务器通过GSM网络和电话与手机互动交流。手机用户会通过手机上的键盘发送音频选择到这个电话上。这些音频通过耳机传达到双音多频解码器，从而使音频选择解码成二进制代码。
图2 用户手机编程的一个步骤 双音多频的输出界面将会与单片机相连接从而取措施回应收到的音频信号。音频选择将会根据使用者的按键产生不同的输出。单片机将会用这个信息来明确和验证使用者按键的顺序。
单片机程序将会执行这个次序信息作为功率驱动器电路的输出次序或者语音信息单元。
该控制系统包含了以下组件：
1.双音多频：
2.双音多频是一个解码器。当按了手机上的任何一个键时，就会生成两个不同的频率。多音双频会发现这些频率然后解码成一个四位数字的锁存输出。这个锁存输出的值取决于所按的键。比如：如果按了键盘底部的数字1，双音多频解码器的输出是0001，如果按得是数字9，解码器的输出则是1001，以此类推。[5]
3.这个系统使用的是CM8870双音多频解码器，从而能使系统将用户通过服务器手机发送的多音双频信号解码成二进制代码。这些数字代码就会进入到单片机的输入。CM8870/70C双音多频集成接收器提供给设计工程师的不仅是低耗能而且还是高效能的小18引脚DIP，SOIC或20引脚PLCC封装装置。它的耗能低于35mW, 它使用的是石英晶体或者是陶瓷谐振器，可调节的采集和释放次数，18-pin双列直插式组装（参阅图3），省电模式，缓冲的OSC3输出（只有塑料引线芯片载体封装）以及接地插脚5和6。
4.CM8870/70C的内部架构是由一个频带分离过滤部分组成。其将高和低所接受的一对音调分离，随后由数字解码（计数）部分验证频率和所接收的音调的持续时间，最后传送4位代码到输出总线。
5.在单端配置中,如图(3)所示，输入引脚都是相连接的。内部的时钟电路配有了一个标准的电视载色讯号晶体或频率为3.579545兆赫兹的陶瓷谐振器。
实际上一个双音多频也有两个重要的引脚。
6.TOE（引脚10）：（三态输出赋能）引脚是一个低有效输入用于禁用或启用输出锁存器。TOE引脚将连接到地面用于禁用高阻抗的输出,万一有不需要的输出时TOE是很有作用的。为了使输出锁存器始终启用TOE要与虚拟设备驱动器相连。
7.STD信号(引脚15): 这个信号在任何有效的键被按下时会变强，,如果松开了键，STD信号则会变弱。这种信号正在这个系统中的使用是为了告知单片机用户正在按键以及双音多频音调正在传送以及输出锁存器已经被更新。单片机在这个时候则会读取数据。
2. PIC单片机
单片机是这个设计的主要部件，它接收来自双音多频解码器的序列指令码并且以编程的形式翻译给输出设备从而来控制电器的开或关、了解电器的现状、 检查或更改密码，还有控制语音信息。换而言之，通过PIC单片机所有家庭自动化系统的特性都能呈现出来。我们所使用的PIC16f877A的芯片引脚图形展现在图(4)中。
图 3 DTMF引脚图和外围连接图
图4 PIC16F887引脚连接图
使用PIC时最重要的问题在使用图片是端口配置。端口的功能是通过编写数据到具体的内部寄存器配置的,它叫做TRIS，在我们设计中使用如下端口：
端口C：作为输入连接双音多频输出的输入端口。
端口D: 作为连接到电源隔离电路的输出端口，用于连接单片机和家电。
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