基于MSP430的智能家居系統

摘要：介紹了一種以MSP430系列單片機為核心的智能家居系統，用CC1100無(wú)線(xiàn)模塊搭建星型網(wǎng)絡(luò )結構的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺，實(shí)現了低功耗、低成本、操作簡(jiǎn)單靈活的設計方案。
關(guān)鍵詞：智能家居；MSP430；星型網(wǎng)絡(luò )

0 引言
隨著(zhù)數字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的高速發(fā)展，以及人們物質(zhì)生活水平的不斷提高，人們的工作、生活與通訊、信息的關(guān)系日益緊密，可以說(shuō)信息化社會(huì )正在逐步改變人們的生活方式與工作習慣，同時(shí)也對傳統的住宅提出了挑戰，智能家居便應運而生了。
智能家居在保持了傳統居住功能的基礎上，擺脫了被動(dòng)模式，成為具有能動(dòng)性智能化的現代工具。它不僅提供了全方位的信息交換功能，還優(yōu)化了人們的生活方式和居住環(huán)境，幫助人們有效地安排時(shí)間、節約各種能源，實(shí)現了家電(如空調、熱水器等)控制、照明控制、室內外遙控、窗簾自控、定時(shí)控制等。

1 系統構成
本文以MSP430微處理器為核心，把無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺應用到智能家居上，實(shí)現了智能家居的無(wú)線(xiàn)控制和智能控制。基于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺的智能家居將家居生活有關(guān)的各個(gè)子系統如安防、燈光控制、太陽(yáng)能熱水器控制、窗簾控制、煤氣檢測及控制、室內溫度濕度檢測等有機地結合起來(lái)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現智能控制和管理，能很好地實(shí)現“以人為本”的全新家居生活體驗。圖1系統組成框圖。

本系統采用MSP430系列單片機為核心控制單元，用CC1100無(wú)線(xiàn)模塊搭建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺。由兩部分構成：第一個(gè)部分主控芯片外圍電路的設計--主要包括電源模塊、液晶顯示、鍵盤(pán)操作等；第二部分無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)外圍模塊的設計--主要包括太陽(yáng)能熱水器水溫水量的測量及自動(dòng)給水裝置、室內空氣質(zhì)量的檢測、各房間溫度濕度的檢測、報警裝置等。
1．1 電源管理模塊
該模塊的電源需求有5V和3．3V兩種，其中無(wú)線(xiàn)模塊要求3．3V供電，我們本著(zhù)低功耗的原則，5V穩壓和3．3V穩壓都采用了低壓差的開(kāi)關(guān)穩壓管LM1117和LM1085，芯片產(chǎn)熱少功能穩定；液晶顯示采用12864，能清晰地顯示漢字、數字、字母、符號等，12864液晶內建GB碼簡(jiǎn)體中文字型庫，顯示清晰，使用方便。
1．2 安防系統設計
智能安防系統可以監測人或動(dòng)物的意外侵入、室內的空氣質(zhì)量等。選用熱釋電紅外傳感器(人體紅外感應模塊)監測人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線(xiàn)，該模塊采用紅外專(zhuān)用芯片BISS0001設計人體傳感模塊，它最大的優(yōu)點(diǎn)是性能穩定可靠。模塊線(xiàn)路板尺寸33×28mm，透鏡直徑約25mm，模塊厚度20mm，體積更小，更容易嵌入其他設備。模塊采用低功耗穩壓器件7133A-1，可以保證在很寬的輸入電壓下穩定提供3．3V的工作電壓，確保模塊正常工作。圖2人體傳感模塊。

半導體空氣傳感器檢測窄氣中低濃度污染物的異味，如空氣中的低濃度香煙污染物和其它異味，對H2、CO等有較高的敏感度。選用日本FIGARO公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的TGS2600，傳感器測量電路如圖3所示。此傳感器要求有兩個(gè)電壓輸入：加熱器電壓VH和電路電壓VC。加熱器電壓VH加于集成加熱器上以保持傳感器在一個(gè)特定的最佳感應溫度。電路電壓VC被加載以便于測量與氣敏元件串聯(lián)的負載電阻電壓Vout。此傳感器有極性，所以電路電壓VC必須是直流?？梢杂靡粋€(gè)公共的電源來(lái)同時(shí)供給VH和VC以滿(mǎn)足傳感器的電氣需求。合理選擇負載電阻RL使報警門(mén)限電壓最優(yōu)化，并使半導體傳感器功耗小于15mW。當目標體存在時(shí)，傳感器功耗在RS與RL相等時(shí)最大。

1．3 環(huán)境溫濕度監測系統設計
濕度傳感器HS1101是基于獨特工藝設計的電容元件，電路如圖4所示，它的特點(diǎn)是全互換性，在示準環(huán)境下不需校正；長(cháng)時(shí)間飽和下快速脫濕；高可靠性與長(cháng)時(shí)間穩定性；可用于線(xiàn)性電壓或頻率輸出回路，快速反應時(shí)間。

環(huán)境溫度測量用DS18B20實(shí)現，如圖5所示。

1．4 無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)結構
本系統采用CC1100無(wú)線(xiàn)模塊，如圖6所示，CC1100的數據包協(xié)議已經(jīng)固化在芯片中，使用起來(lái)非常方便，它的數據包格式能被軟件配置，可根據自己的實(shí)際情況對數據包格式進(jìn)行刪減，通過(guò)前導和同步詞匯的設定可以實(shí)現無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺之間的干擾，可以對地址設定，解決無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )平臺內部節點(diǎn)之間的信號干擾問(wèn)題。并且還可以通過(guò)設定地址濾波和最大長(cháng)度濾波實(shí)現外界信號對本系統的干擾，CRC校驗還可以提高信息的準確度。

采用星型無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )結構，星型網(wǎng)絡(luò )是由一個(gè)控制終端和若干個(gè)傳感器終端組成。每個(gè)傳感器終端上都安裝上一個(gè)處理器和一個(gè)無(wú)線(xiàn)芯片，主控制端通過(guò)廣播的方式呼叫其他傳感器終端和執行終端。傳感器終端和執行終端只有在接收到與自己地址匹配的數據包才會(huì )接收數據。能有效解決網(wǎng)絡(luò )沖突問(wèn)題。

2 系統軟件設計
通過(guò)無(wú)線(xiàn)將采集的數據傳到主控臺，進(jìn)行數據傳輸和控制，主控臺鍵盤(pán)可以對各個(gè)節點(diǎn)進(jìn)行控制和操作。如智能太陽(yáng)能熱水器，通過(guò)鍵盤(pán)的控制，LCD上能很好地顯示水溫和水量，并能夠及時(shí)判斷出是否給水。熱釋電報警模塊采用低功耗穩壓器件7133A-1，可以保證在很寬的輸入電壓下穩定提供3．3V的工作電壓，確保模塊正常工作。有人輸出約3V高電平，無(wú)人輸出0V低電平。
無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議的制定及組網(wǎng)：
協(xié)議中指令分為七種：查詢(xún)指令、ACK應答指令、操作指令、操作返回指令、休眠指令、突發(fā)事件指令、申請地址指令。
查詢(xún)指令用于主機對各個(gè)節點(diǎn)的工作狀態(tài)查詢(xún)，確定網(wǎng)絡(luò )連接狀況，從機接收到此指令后返回帶有自身地址的ACK應答。
應答指令用于從機接收到有效主機查詢(xún)命令后的回應命令。
操作指令用于主機在確定從機工作正常后發(fā)送從機執行什么操作。
操作返回指令用于從機返回操作數據或狀態(tài)。
休眠命令用于主機發(fā)送指令使模塊休眠，此命令無(wú)返回。從機接收到此指令后進(jìn)入休眠狀態(tài)等待下一次有效查詢(xún)。
申請地址指令，此指令需要在突發(fā)事件頻道(頻道2)由從機發(fā)送，用于新節點(diǎn)加入時(shí)，向主機申請一個(gè)可用的地址。主機接收到此指令后返回一個(gè)未占用的地址。
協(xié)議中主節點(diǎn)上電初始化后就開(kāi)始以輪詢(xún)方式依次查詢(xún)各個(gè)子節點(diǎn)的工作狀態(tài)，子節點(diǎn)接收到查詢(xún)信號后，若工作正常則返回與自己地址相關(guān)的ACK信號，主機接收到從機ACK信號后，發(fā)送操作指令，然后等待返回數據，當對此節點(diǎn)一系列的操作執行完后主機發(fā)送休眠指令讓節點(diǎn)進(jìn)入休眠模式，降低系統功耗。
從機上電后進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待主機喚醒，當接收到主機查詢(xún)指令后返回ACK信號，然后等待主機發(fā)送操作指令，指令執行后若有返回數據則需要通過(guò)操作返回指令將數據返回，若無(wú)數據返回則只返回操作成功標志位。程序流程圖如圖7所示。

3 結束語(yǔ)
本設計實(shí)現了一個(gè)小型、低功耗、低成本、操作簡(jiǎn)單靈活的智能家居系統，以CC1100為無(wú)線(xiàn)傳輸節點(diǎn)，搭建星型網(wǎng)絡(luò )結構，完成家庭內部設備的通訊。