基于MSP430的智能家居系統(tǒng)

摘要：介紹了一種以MSP430系列單片機(jī)為核心的智能家居系統(tǒng)，用CC1100無線模塊搭建星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的無線網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)了低功耗、低成本、操作簡單靈活的設(shè)計方案。
關(guān)鍵詞：智能家居；MSP430；星型網(wǎng)絡(luò)

0 引言
隨著數(shù)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，可以說信息化社會正在逐步改變?nèi)藗兊纳罘绞脚c工作習(xí)慣，同時也對傳統(tǒng)的住宅提出了挑戰(zhàn)，智能家居便應(yīng)運(yùn)而生了。
智能家居在保持了傳統(tǒng)居住功能的基礎(chǔ)上，擺脫了被動模式，成為具有能動性智能化的現(xiàn)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間、節(jié)約各種能源，實現(xiàn)了家電(如空調(diào)、熱水器等)控制、照明控制、室內(nèi)外遙控、窗簾自控、定時控制等。

1 系統(tǒng)構(gòu)成
本文以MSP430微處理器為核心，把無線網(wǎng)絡(luò)平臺應(yīng)用到智能家居上，實現(xiàn)了智能家居的無線控制和智能控制。基于無線網(wǎng)絡(luò)平臺的智能家居將家居生活有關(guān)的各個子系統(tǒng)如安防、燈光控制、太陽能熱水器控制、窗簾控制、煤氣檢測及控制、室內(nèi)溫度濕度檢測等有機(jī)地結(jié)合起來，通過無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)智能控制和管理，能很好地實現(xiàn)“以人為本”的全新家居生活體驗。圖1系統(tǒng)組成框圖。

本系統(tǒng)采用MSP430系列單片機(jī)為核心控制單元，用CC1100無線模塊搭建無線網(wǎng)絡(luò)平臺。由兩部分構(gòu)成：第一個部分主控芯片外圍電路的設(shè)計--主要包括電源模塊、液晶顯示、鍵盤操作等；第二部分無線節(jié)點外圍模塊的設(shè)計--主要包括太陽能熱水器水溫水量的測量及自動給水裝置、室內(nèi)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，其中無線模塊要求3．3V供電，我們本著低功耗的原則，5V穩(wěn)壓和3．3V穩(wěn)壓都采用了低壓差的開關(guān)穩(wěn)壓管LM1117和LM1085，芯片產(chǎn)熱少功能穩(wěn)定；液晶顯示采用12864，能清晰地顯示漢字、數(shù)字、字母、符號等，12864液晶內(nèi)建GB碼簡體中文字型庫，顯示清晰，使用方便。
1．2 安防系統(tǒng)設(shè)計
智能安防系統(tǒng)可以監(jiān)測人或動物的意外侵入、室內(nèi)的空氣質(zhì)量等。選用熱釋電紅外傳感器(人體紅外感應(yīng)模塊)監(jiān)測人或動物發(fā)射的紅外線，該模塊采用紅外專用芯片BISS0001設(shè)計人體傳感模塊，它最大的優(yōu)點是性能穩(wěn)定可靠。模塊線路板尺寸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(shè)備。模塊采用低功耗穩(wěn)壓器件7133A-1，可以保證在很寬的輸入電壓下穩(wěn)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(dǎo)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特定的最佳感應(yīng)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(fù)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€公共的電源來同時供給VH和VC以滿足傳感器的電氣需求。合理選擇負(fù)載電阻RL使報警門限電壓最優(yōu)化，并使半導(dǎo)體傳感器功耗小于15mW。當(dāng)目標(biāo)體存在時，傳感器功耗在RS與RL相等時最大。

1．3 環(huán)境溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計
濕度傳感器HS1101是基于獨特工藝設(shè)計的電容元件，電路如圖4所示，它的特點是全互換性，在示準(zhǔn)環(huán)境下不需校正；長時間飽和下快速脫濕；高可靠性與長時間穩(wěn)定性；可用于線性電壓或頻率輸出回路，快速反應(yīng)時間。

環(huán)境溫度測量用DS18B20實現(xiàn)，如圖5所示。

1．4 無線節(jié)點結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)采用CC1100無線模塊，如圖6所示，CC1100的數(shù)據(jù)包協(xié)議已經(jīng)固化在芯片中，使用起來非常方便，它的數(shù)據(jù)包格式能被軟件配置，可根據(jù)自己的實際情況對數(shù)據(jù)包格式進(jìn)行刪減，通過前導(dǎo)和同步詞匯的設(shè)定可以實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)平臺之間的干擾，可以對地址設(shè)定，解決無線網(wǎng)絡(luò)平臺內(nèi)部節(jié)點之間的信號干擾問題。并且還可以通過設(shè)定地址濾波和最大長度濾波實現(xiàn)外界信號對本系統(tǒng)的干擾，CRC校驗還可以提高信息的準(zhǔn)確度。

采用星型無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，星型網(wǎng)絡(luò)是由一個控制終端和若干個傳感器終端組成。每個傳感器終端上都安裝上一個處理器和一個無線芯片，主控制端通過廣播的方式呼叫其他傳感器終端和執(zhí)行終端。傳感器終端和執(zhí)行終端只有在接收到與自己地址匹配的數(shù)據(jù)包才會接收數(shù)據(jù)。能有效解決網(wǎng)絡(luò)沖突問題。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
通過無線將采集的數(shù)據(jù)傳到主控臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和控制，主控臺鍵盤可以對各個節(jié)點進(jìn)行控制和操作。如智能太陽能熱水器，通過鍵盤的控制，LCD上能很好地顯示水溫和水量，并能夠及時判斷出是否給水。熱釋電報警模塊采用低功耗穩(wěn)壓器件7133A-1，可以保證在很寬的輸入電壓下穩(wěn)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，無人輸出0V低電平。
無線傳輸協(xié)議的制定及組網(wǎng)：
協(xié)議中指令分為七種：查詢指令、ACK應(yīng)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。
查詢指令用于主機(jī)對各個節(jié)點的工作狀態(tài)查詢，確定網(wǎng)絡(luò)連接狀況，從機(jī)接收到此指令后返回帶有自身地址的ACK應(yīng)答。
應(yīng)答指令用于從機(jī)接收到有效主機(jī)查詢命令后的回應(yīng)命令。
操作指令用于主機(jī)在確定從機(jī)工作正常后發(fā)送從機(jī)執(zhí)行什么操作。
操作返回指令用于從機(jī)返回操作數(shù)據(jù)或狀態(tài)。
休眠命令用于主機(jī)發(fā)送指令使模塊休眠，此命令無返回。從機(jī)接收到此指令后進(jìn)入休眠狀態(tài)等待下一次有效查詢。
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(jī)發(fā)送，用于新節(jié)點加入時，向主機(jī)申請一個可用的地址。主機(jī)接收到此指令后返回一個未占用的地址。
協(xié)議中主節(jié)點上電初始化后就開始以輪詢方式依次查詢各個子節(jié)點的工作狀態(tài)，子節(jié)點接收到查詢信號后，若工作正常則返回與自己地址相關(guān)的ACK信號，主機(jī)接收到從機(jī)ACK信號后，發(fā)送操作指令，然后等待返回數(shù)據(jù)，當(dāng)對此節(jié)點一系列的操作執(zhí)行完后主機(jī)發(fā)送休眠指令讓節(jié)點進(jìn)入休眠模式，降低系統(tǒng)功耗。
從機(jī)上電后進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待主機(jī)喚醒，當(dāng)接收到主機(jī)查詢指令后返回ACK信號，然后等待主機(jī)發(fā)送操作指令，指令執(zhí)行后若有返回數(shù)據(jù)則需要通過操作返回指令將數(shù)據(jù)返回，若無數(shù)據(jù)返回則只返回操作成功標(biāo)志位。程序流程圖如圖7所示。

3 結(jié)束語
本設(shè)計實現(xiàn)了一個小型、低功耗、低成本、操作簡單靈活的智能家居系統(tǒng)，以CC1100為無線傳輸節(jié)點，搭建星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，完成家庭內(nèi)部設(shè)備的通訊。