基于MSP430的智能家居系統(tǒng)設計

陳昊亮，趙生，孔晨晨，章昊，李金澤

（蘇州大學電子信息學院，蘇州　215006）

基于MSP430的智能家居系統(tǒng)設計

陳昊亮，趙生，孔晨晨，章昊，李金澤

（蘇州大學電子信息學院，蘇州215006）

0　引言

1984年，美國聯(lián)合科技對一棟舊式大樓進行了全面的智能化改造，將最新的計算機系統(tǒng)應用于大樓的控制，實現(xiàn)了對整個建筑的照明系統(tǒng)、暖通設備和電梯設備的控制和監(jiān)測，由此智能建筑開始進入了人們的視野［1］。之后，家庭自動化便漸漸地進入人們的視野，在家庭內(nèi)部的各種電子設備通過電路或是網(wǎng)絡連接在一起，方便用戶進行自動化控制。隨著通信與信息技術(shù)的發(fā)展，智能家居系統(tǒng)的早期模型也隨之出現(xiàn)，在系統(tǒng)中，各種具有不同功能的設備通過各種總線技術(shù)連接在一起，由控制中心進行統(tǒng)一監(jiān)測、控制、管理。2009年溫家寶總理提出“感知中國”，由此智能家居獲得了良好的發(fā)展環(huán)境，在國內(nèi)也受到了高度的重視。借助物聯(lián)網(wǎng)強勁的發(fā)展勢頭，智能家居獲得了較好的發(fā)展環(huán)境，由此智能家居研發(fā)工作進入發(fā)展的快車道［2-3］。

雖然在國內(nèi)，智能家居的發(fā)展迅速，但產(chǎn)品仍存在功能不完善、工作狀態(tài)不穩(wěn)定和成本較高等主要問題。本文通過對智能家居發(fā)展現(xiàn)狀的討論與分析，采用主流的ZigBee、Wi-Fi等主流無線通信技術(shù)、傳感技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，根據(jù)對居民的需求分析，設計了一套具有實用性和可靠性的智能家居系統(tǒng)，實現(xiàn)家居環(huán)境和設備的遠程監(jiān)測與控制。

1　智能家居系統(tǒng)總體方案設計

本文設計的智能家居系統(tǒng)分為三個部分，分別是內(nèi)部網(wǎng)絡、網(wǎng)關(guān)控制中心和外部網(wǎng)絡，總體架構(gòu)圖如圖1所示，以此來實現(xiàn)家居環(huán)境和設備的遠程監(jiān)控和智能化。由于無線通信技術(shù)的高速發(fā)展，也帶動了基于無線組網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)代智能家居系統(tǒng)地發(fā)展。在分析比較各種無線組網(wǎng)技術(shù)的基礎上，本文以ZigBee無線通信技術(shù)構(gòu)建家庭內(nèi)部網(wǎng)絡，以Wi-Fi無線通信技術(shù)組建家庭外部網(wǎng)絡，并以MSP430F6638控制器為核心，設計智能家居網(wǎng)關(guān)控制中心，設計完成如圖1所示的智能家居系統(tǒng)。其中基于MSP430F6638的網(wǎng)關(guān)控制中心一方面攜帶ZigBee的協(xié)調(diào)器，構(gòu)建內(nèi)部網(wǎng)絡，實現(xiàn)家居內(nèi)的設備和環(huán)境參數(shù)監(jiān)控，另一方面通過Wi-Fi接入Internet，使用戶可以通過外部網(wǎng)絡訪問智能家居網(wǎng)絡控制中心，實現(xiàn)對內(nèi)部網(wǎng)絡的訪問。

圖1　智能家居系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

2　智能家居系統(tǒng)硬件設計

圖1所示的智能家居系統(tǒng)的硬件設計主要包括智能家居網(wǎng)關(guān)控制中心硬件設計和內(nèi)部網(wǎng)絡的終端節(jié)點硬件設計兩部分。

2.1基于MSP430F6638的智能家居網(wǎng)關(guān)控制中心硬件設計

智能家居硬件系統(tǒng)是整個智能家居系統(tǒng)設計的核心，用于實現(xiàn)外部網(wǎng)絡監(jiān)控內(nèi)部網(wǎng)絡，進而實現(xiàn)智能家居的監(jiān)控功能，主要由處理器模塊、電源模塊、Wi-Fi功能模塊、ZigBee功能模塊、人機交互模塊、安全報警模塊和擴展接口構(gòu)成，原理圖如圖2所示。

（1）處理器模塊設計

由于智能家居網(wǎng)管控制中心外圍電路復雜，所以設計時，需要利用多個擴展接口來簡化硬件設計。本文選擇MSP430F6638為網(wǎng)關(guān)控制中心核心處理器［4］，MSP430F6638是美國TI公司生產(chǎn)的混合信號處理微控制器，具有超低功耗、片上資源豐富、處理能力強等特點，配合TI提供的CCS集成開發(fā)環(huán)境有利于快速測試，并實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)控制中心的各項功能。

（2）電源模塊設計

為滿足MSP430F6638的電源需求，便于調(diào)試，本系統(tǒng)中，特別設計了USB和5V專用電源接口，并且留出開關(guān)，實現(xiàn)兩種電源的隨意切換。由于MSP430F6638需要3.3V供電，而USB和專用電源接口則是5V供電，所以需要選擇電源芯片完成5V到3.3V的轉(zhuǎn)換。常見的電源芯片為AMS1117-3.3，它是一款3.3V固定輸出低壓差線性穩(wěn)壓器，最大輸出電流為1A，完全可以滿足系統(tǒng)功率需求，同時其內(nèi)部集成有過熱保護和限流電路，并具有輸出電壓噪聲較小的優(yōu)點，用以保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。此外，為了避免系統(tǒng)中數(shù)字與模擬電源之間的相互干擾，本設計中采用磁珠隔離兩種電源，以此來提高電路的可靠性。

圖2　網(wǎng)關(guān)控制中心原理圖

（3）Wi-Fi模塊設計

在本設計中，智能家居網(wǎng)關(guān)控制中心需要通過Wi-Fi功能模塊接入Internet網(wǎng)絡，實現(xiàn)用戶通過外部網(wǎng)路訪問并監(jiān)控智能家居的各個終端節(jié)點。本文選取了Ralink公司的的RM04-Wi-Fi模塊來實現(xiàn)基于Wi-Fi的無線通信。該模塊支持802.11b/g/n協(xié)議，內(nèi)部集成一個主頻高達360MHz的CPU內(nèi)核，能夠在不增加主處理器的負擔的情況下處理多項任務。原理圖中，MSP430F6638和RM04之間采用UART接口連接，從而實現(xiàn)智能家居網(wǎng)管中心與Internet網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸，其通信過程如圖3所示：

圖3　RM04通信示意圖

（4）ZigBee功能模塊設計

智能家居網(wǎng)關(guān)控制中心選用TI公司的CC2530作為ZigBee通信網(wǎng)絡中的核心芯片，該芯片集成了Zig-Bee PHY層和MAC層的功能，可用于構(gòu)建基于ZigBee協(xié)議的內(nèi)部網(wǎng)絡。CC2530具有先進的RF收發(fā)器、增強型8051內(nèi)核、片內(nèi)Flash、RAM和豐富的外設資源，可以在不增加主處理器負擔的情況下進行ZigBee協(xié)議處理［5］。智能家居網(wǎng)關(guān)控制中心上帶有ZigBee協(xié)調(diào)器，兩者通過MSP430F6638的P2.4和P2.5兩個I/O管腳與CC2530的USART的RX和TX管腳相連，實現(xiàn)雙方的異步UART模式通信，從而使主處理器MSP430F6638監(jiān)控整個內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡。

（5）人機接口模塊設計

智能家居網(wǎng)關(guān)控制中心提供友好的用戶接口，主要采用觸摸屏+液晶屏的方式作為人機交互接口，即液晶屏作為顯示界面，顯示用戶所需的信息并提供指令界面；用戶通過觸摸屏操作液晶屏上顯示的指令界面進行對于設備的控制，方便用戶通過網(wǎng)關(guān)控制中心監(jiān)控整個系統(tǒng)。

（6）擴展接口模塊設計

在網(wǎng)關(guān)控制中心硬件設計中主要采用UART接口實現(xiàn)MSP430F6638與ZigBee模塊、Wi-Fi模塊通信，此外還提供RS-232、USB等外部擴展接口。

①RS-232接口電路

MSP430F6638輸出采用3.3V電平邏輯，與RS-232串口的電平邏輯存在很大差別，故采用MAX3232芯片實現(xiàn)兩路3.3V電平邏輯到RS-232電平的雙向轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)RS-232接口擴展。

②USB接口電路

MSP430F6638芯片內(nèi)部集成有一個最大通信速率為12Mbps的USB模塊。同時，由于USB模塊含有3.3V和1.8V兩個LDO穩(wěn)壓器，其電源系統(tǒng)與主板電源管理系統(tǒng)相獨立，所以可通過USB為整個MSP430F6638供電。

（7）安全報警模塊設計

報警模塊采用蜂鳴器，當溫度或是煙霧傳感器收集到異常數(shù)據(jù)，在室內(nèi)利用蜂鳴器發(fā)出警報，同時通過Wi-Fi網(wǎng)絡向家庭的成員的移動設備發(fā)送警報信息。

2.2智能家居系統(tǒng)終端節(jié)點硬件設計

智能家居系統(tǒng)通過ZigBee協(xié)議通信構(gòu)成內(nèi)部Zig-Bee網(wǎng)絡，其中網(wǎng)關(guān)控制中心攜帶ZigBee協(xié)調(diào)器，各個終端節(jié)點通過訪問ZigBee協(xié)調(diào)器加入智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)ZigBee組網(wǎng)。以環(huán)境參數(shù)采集終端節(jié)點為例，采用CC2530為核心，終端節(jié)點上設計有溫濕度度傳感器、光照強度傳感器和繼電器控制電路，實現(xiàn)家居環(huán)境參數(shù)采集和傳輸、家居設備控制等功能，具體電路設計見圖4所示原理圖。

3　智能家居系統(tǒng)軟件設計

本文中，智能家居系統(tǒng)軟件設計分為三個部分：（1）網(wǎng)關(guān)控制中心軟件設計（2）終端節(jié)點軟件設計（3）智能家居設備云服務應用軟件設計。

圖4　智能家居系統(tǒng)終端節(jié)點硬件設計

3.1基于MSP430F6638的智能家居網(wǎng)關(guān)控制中心系統(tǒng)軟件設計

網(wǎng)關(guān)控制中心軟件主要包括系統(tǒng)功能初始化和LCD顯示功能、Wi-Fi通信功能和ZigBee通信功能。網(wǎng)關(guān)控制中心一方面需要提供智能家居系統(tǒng)室內(nèi)人機交互功能，另一方面主要實現(xiàn)智能家居設備云服務系統(tǒng)、基于ZigBee組網(wǎng)的終端節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信［6-7］，實現(xiàn)智能家居系統(tǒng)的遠程監(jiān)控，其總體流程圖如圖5所示。

（1）網(wǎng)關(guān)控制中心的系統(tǒng)初始化和顯示功能

如圖5所示MSP430F6638上電以后首先進行系統(tǒng)時鐘的配置，并實現(xiàn)外設以及板級外設初始化，包括通用I/O口、ADC模塊、串口通信模塊、LCD等。然后進入網(wǎng)關(guān)控制中心主程序，執(zhí)行數(shù)據(jù)通信任務和自動控制任務，并通過接收人機交互命令和遠程監(jiān)控命令轉(zhuǎn)向相應的處理模塊。

（2）ZigBee通信設計

與網(wǎng)關(guān)控制中心連接的ZigBee模塊作為ZigBee協(xié)調(diào)器，是整個內(nèi)部ZigBee網(wǎng)絡的控制中心，負責整個網(wǎng)絡的建立及其相關(guān)配置工作，可以處理終端節(jié)點申請加入網(wǎng)絡的請求并分發(fā)短地址，并儲存由終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，將來自移動設備端的設備控制等命令發(fā)送給終端節(jié)點，協(xié)調(diào)器軟件流程如圖6所示。

（3）Wi-Fi通信設計

網(wǎng)關(guān)控制中心的通過WiFi模塊接入Internet。當網(wǎng)關(guān)控制中心連接Internet成功后，將自動登錄智能家居設備云服務系統(tǒng)，便于該網(wǎng)關(guān)控制中心的智能家居系統(tǒng)遠程控制。由于RM04的具有兩種模式，所以模塊上電后首先檢查已有配置狀態(tài)是否正常，如果配置正常則進入串口數(shù)據(jù)透傳模式，進行數(shù)據(jù)的正常傳輸，如果配置不正常則需要先退出透傳模式從而進入AT指令模式進行重新配置［8］。

3.2智能家居系統(tǒng)終端節(jié)點軟件設計

智能家居系統(tǒng)終端節(jié)點的ZigBee模塊主要完成兩項任務，一是向協(xié)調(diào)器申請加入網(wǎng)絡，并接收其分配的短地址，二是執(zhí)行本身的應用程序。終端節(jié)點通過ZigBee協(xié)議與網(wǎng)關(guān)控制中心通信，接收并解析監(jiān)控命令，實現(xiàn)環(huán)境參數(shù)采集并回傳給ZigBee協(xié)調(diào)器、設備控制等功能，其軟件流程如圖7所示。

3.3智能家居系統(tǒng)云服務系統(tǒng)軟件設計

圖6　ZigBee協(xié)調(diào)器工作流程圖

圖7　終端節(jié)點工作流程圖

智能家居系統(tǒng)云服務系統(tǒng)具有固定的域名，并為智能家居提供數(shù)據(jù)庫云服務和通信平臺，既可以處理智能家居系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)控制中心發(fā)起的上線請求，也支持用戶通過Web瀏覽器和手機等移動設備端的App接入云服務系統(tǒng)，從而實現(xiàn)用戶基于智能家居云服務系統(tǒng)遠程監(jiān)控與之綁定的智能家居，軟件框架方案如圖8所示，并具有以下特征功能：

（1）智能家居系統(tǒng)注冊功能，每個系統(tǒng)都有一個唯一標識（GUID），并與用戶綁定注冊。

（2）為已注冊的每個智能家居系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)庫云服務，存儲智能家居的監(jiān)控信息。

（3）可以接收來自手設備App或Web的注冊用戶請求，使用戶可以監(jiān)控其綁定的智能家居信息。

（4）可以通過網(wǎng)絡，向用戶推送與其設備綁定的來自智能家居的數(shù)據(jù)、報警等信息。

4　結(jié)語

本文在對國內(nèi)外的智能家居發(fā)展情況進行充分研究和討論之后，最終選擇了ZigBee無線通信方式和Wi-Fi無線通信方式分別組建家居內(nèi)部網(wǎng)絡和外部網(wǎng)絡，同時配合TI的超低功耗微控制器MSP430F6638，設計了一套低成本、實用性高和可靠性好的智能家居系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了家居環(huán)境和設備的遠程監(jiān)測與控制。系統(tǒng)經(jīng)測試表明，本文所述設計已實現(xiàn)了智能家居系統(tǒng)的軟硬件體系，可以通過移動設備App遠程采集智能家居的室內(nèi)溫濕度、光強信息，并可以對室內(nèi)燈光的進行遠程控制。該系統(tǒng)具有可操作性和拓展性，能夠滿足智能家居系統(tǒng)設計的要求。

圖8　智能家居系統(tǒng)云服務軟件設計結(jié)構(gòu)圖

［1］ITU.ITU Internet Reports 2005：The Internet of Things［R］.Geneva：ITU，2005.

［2］李蘭英，楊晨.基于S3C44B0X的智能家居終端控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn).哈爾濱理工大學學報，12（3）：84-86.

［3］喬季軍，王德寧，李玉琳，石坤明.融合ZigBee與WiFi無線技術(shù)智能家居系統(tǒng)的設計.自動化儀表，36（12）：48-51.

［4］周金治，徐霞，趙海霞.基于MSP430的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2013.

［5］黃磊.基于IEEE 802.15.4 ZigBee技術(shù)的智能家居方案研究［D］.武漢科技大學，2009.

［6］沈紅衛(wèi).單片機通信和組網(wǎng)技術(shù)實例詳解［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2014.

［7］李江全，聶晶，梁習卉子，劉新英.單片機串口通信及測控應用實戰(zhàn)詳解［M］.北京：人民郵電出版社，2014.

［8］王朝華.基于Android的智能家居系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［D］.廣東工業(yè)大學，2012.

Smart Home；ZigBee；Wi-Fi；MSP430F6638；Embedded System

Design of Smart Home System Based on MSP430

CHEN Hao-liang，ZHAO Sheng，KONG Chen-chen，ZHANG Hao，LI Jin-ze
（School of Electronic and Information Engineering of Soochow University，Suzhou 215006）

1007-1423（2016）22-0058-06DOI：10.3969/j.issn.1007-1423.2016.22.013

陳昊亮（1993-），男，浙江寧波人，在讀本科生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)設計

趙生（1994-），男，江蘇興化人，在讀本科生，研究方向為無線通信

孔晨晨（1994-），女，山東曲阜人，在讀本科生，研究方向為語音信號處理

章昊（1994-），男，江蘇如皋人，在讀本科生，研究方向為硬件設計

李金澤（1994-），女，云南保山人，在讀本科生，研究方向為語音信號處理

2016-05-10

2016-07-30

為了設計一款完整、穩(wěn)定、低成本的智能家居系統(tǒng)，促進智能家居的推廣，選擇美國TI公司的超低功耗微控制器MSP430F6638作為核心控制器，在充分研究無線通信和組網(wǎng)技術(shù)的基礎上，選擇以ZigBee無線通信方式組建家庭內(nèi)部網(wǎng)絡，以Wi-Fi無線通信方式組建家庭外部網(wǎng)絡，構(gòu)建一套實用的智能家居系統(tǒng)，實現(xiàn)家居內(nèi)部溫濕度、光照強度數(shù)據(jù)采集以及智能燈光控制等。經(jīng)測試該設計具有較高的可擴展性、可靠性和實用價值，同時為同類產(chǎn)品研發(fā)提供參考方案。

智能家居；ZigBee；Wi-Fi；MSP430F6638；嵌入式系統(tǒng)

國家級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（No.201410285034Z）、蘇州大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃

To contribute to the extension of the smart home，designs a kind of complete，steady and low-cost smart home system.According to the comprehensive study on the basis of various wireless communication and networking technology，chooses the American TI company's production of ultra-low power consumption MSP430F6638 micro controller as the control core，and selects ZigBee wireless communication mode to form a household with Wi-Fi wireless communication mode forming a household external network.The system is aimed at building a set of practical intelligent household services involving the internal temperature，light intensity and intelligent lighting control.The result shows that the design has reached the expected effect，with the high reliability and practical value，which also provides a reference for the similar product design and development.