基于MSP430的智能家居系統設計

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應用于大樓的控制，實現了對整個建筑的照明系統、暖通設備和電梯設備的控制和監測，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，在家庭內部的各種電子設備通過電路或是網絡連接在一起，方便用戶進行自動化控制。隨著通信與信息技術的發展，智能家居系統的早期模型也隨之出現，在系統中，各種具有不同功能的設備通過各種總線技術連接在一起，由控制中心進行統一監測、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展環境，在國內也受到了高度的重視。借助物聯網強勁的發展勢頭，智能家居獲得了較好的發展環境，由此智能家居研發工作進入發展的快車道［2-3］。

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

1　智能家居系統總體方案設計

本文設計的智能家居系統分為三個部分，分別是內部網絡、網關控制中心和外部網絡，總體架構圖如圖1所示，以此來實現家居環境和設備的遠程監控和智能化。由于無線通信技術的高速發展，也帶動了基于無線組網技術的現代智能家居系統地發展。在分析比較各種無線組網技術的基礎上，本文以ZigBee無線通信技術構建家庭內部網絡，以Wi-Fi無線通信技術組建家庭外部網絡，并以MSP430F6638控制器為核心，設計智能家居網關控制中心，設計完成如圖1所示的智能家居系統。其中基于MSP430F6638的網關控制中心一方面攜帶ZigBee的協調器，構建內部網絡，實現家居內的設備和環境參數監控，另一方面通過Wi-Fi接入Internet，使用戶可以通過外部網絡訪問智能家居網絡控制中心，實現對內部網絡的訪問。

圖1　智能家居系統架構示意圖

2　智能家居系統硬件設計

圖1所示的智能家居系統的硬件設計主要包括智能家居網關控制中心硬件設計和內部網絡的終端節點硬件設計兩部分。

2.1基于MSP430F6638的智能家居網關控制中心硬件設計

智能家居硬件系統是整個智能家居系統設計的核心，用于實現外部網絡監控內部網絡，進而實現智能家居的監控功能，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成，原理圖如圖2所示。

（1）處理器模塊設計

由于智能家居網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為網關控制中心核心處理器［4］，MSP430F6638是美國TI公司生產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集成開發環境有利于快速測試，并實現網關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，便于調試，本系統中，特別設計了USB和5V專用電源接口，并且留出開關，實現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壓器，最大輸出電流為1A，完全可以滿足系統功率需求，同時其內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點，用以保證系統穩定工作。此外，為了避免系統中數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　網關控制中心原理圖

（3）Wi-Fi模塊設計

在本設計中，智能家居網關控制中心需要通過Wi-Fi功能模塊接入Internet網絡，實現用戶通過外部網路訪問并監控智能家居的各個終端節點。本文選取了Ralink公司的的RM04-Wi-Fi模塊來實現基于Wi-Fi的無線通信。該模塊支持802.11b/g/n協議，內部集成一個主頻高達360MHz的CPU內核，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，從而實現智能家居網管中心與Internet網絡的數據傳輸，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

智能家居網關控制中心選用TI公司的CC2530作為ZigBee通信網絡中的核心芯片，該芯片集成了Zig-Bee PHY層和MAC層的功能，可用于構建基于ZigBee協議的內部網絡。CC2530具有先進的RF收發器、增強型8051內核、片內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協議處理［5］。智能家居網關控制中心上帶有ZigBee協調器，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，實現雙方的異步UART模式通信，從而使主處理器MSP430F6638監控整個內部ZigBee網絡。

（5）人機接口模塊設計

智能家居網關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，方便用戶通過網關控制中心監控整個系統。

（6）擴展接口模塊設計

在網關控制中心硬件設計中主要采用UART接口實現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芯片實現兩路3.3V電平邏輯到RS-232電平的雙向轉換，從而實現RS-232接口擴展。

②USB接口電路

MSP430F6638芯片內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穩壓器，其電源系統與主板電源管理系統相獨立，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據，在室內利用蜂鳴器發出警報，同時通過Wi-Fi網絡向家庭的成員的移動設備發送警報信息。

2.2智能家居系統終端節點硬件設計

智能家居系統通過ZigBee協議通信構成內部Zig-Bee網絡，其中網關控制中心攜帶ZigBee協調器，各個終端節點通過訪問ZigBee協調器加入智能家居內部網絡，從而實現ZigBee組網。以環境參數采集終端節點為例，采用CC2530為核心，終端節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，實現家居環境參數采集和傳輸、家居設備控制等功能，具體電路設計見圖4所示原理圖。

3　智能家居系統軟件設計

本文中，智能家居系統軟件設計分為三個部分：（1）網關控制中心軟件設計（2）終端節點軟件設計（3）智能家居設備云服務應用軟件設計。

圖4　智能家居系統終端節點硬件設計

3.1基于MSP430F6638的智能家居網關控制中心系統軟件設計

網關控制中心軟件主要包括系統功能初始化和LCD顯示功能、Wi-Fi通信功能和ZigBee通信功能。網關控制中心一方面需要提供智能家居系統室內人機交互功能，另一方面主要實現智能家居設備云服務系統、基于ZigBee組網的終端節點之間的數據通信［6-7］，實現智能家居系統的遠程監控，其總體流程圖如圖5所示。

（1）網關控制中心的系統初始化和顯示功能

如圖5所示MSP430F6638上電以后首先進行系統時鐘的配置，并實現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。然后進入網關控制中心主程序，執行數據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控命令轉向相應的處理模塊。

（2）ZigBee通信設計

與網關控制中心連接的ZigBee模塊作為ZigBee協調器，是整個內部ZigBee網絡的控制中心，負責整個網絡的建立及其相關配置工作，可以處理終端節點申請加入網絡的請求并分發短地址，并儲存由終端節點采集的數據，將來自移動設備端的設備控制等命令發送給終端節點，協調器軟件流程如圖6所示。

（3）Wi-Fi通信設計

網關控制中心的通過WiFi模塊接入Internet。當網關控制中心連接Internet成功后，將自動登錄智能家居設備云服務系統，便于該網關控制中心的智能家居系統遠程控制。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是否正常，如果配置正常則進入串口數據透傳模式，進行數據的正常傳輸，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智能家居系統終端節點軟件設計

智能家居系統終端節點的ZigBee模塊主要完成兩項任務，一是向協調器申請加入網絡，并接收其分配的短地址，二是執行本身的應用程序。終端節點通過ZigBee協議與網關控制中心通信，接收并解析監控命令，實現環境參數采集并回傳給ZigBee協調器、設備控制等功能，其軟件流程如圖7所示。

3.3智能家居系統云服務系統軟件設計

圖6　ZigBee協調器工作流程圖

圖7　終端節點工作流程圖

智能家居系統云服務系統具有固定的域名，并為智能家居提供數據庫云服務和通信平臺，既可以處理智能家居系統的網關控制中心發起的上線請求，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，從而實現用戶基于智能家居云服務系統遠程監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）智能家居系統注冊功能，每個系統都有一個唯一標識（GUID），并與用戶綁定注冊。

（2）為已注冊的每個智能家居系統提供數據庫云服務，存儲智能家居的監控信息。

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

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

4　結語

本文在對國內外的智能家居發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部網絡和外部網絡，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，從而實現了家居環境和設備的遠程監測與控制。系統經測試表明，本文所述設計已實現了智能家居系統的軟硬件體系，可以通過移動設備App遠程采集智能家居的室內溫濕度、光強信息，并可以對室內燈光的進行遠程控制。該系統具有可操作性和拓展性，能夠滿足智能家居系統設計的要求。

圖8　智能家居系統云服務軟件設計結構圖

［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的設計與實現.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無線技術智能家居系統的設計.自動化儀表，36（12）：48-51.

［4］周金治，徐霞，趙海霞.基于MSP430的嵌入式系統開發與應用［M］.北京：化學工業出版社，2013.

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

［6］沈紅衛.單片機通信和組網技術實例詳解［M］.北京：電子工業出版社，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的智能家居系統的研究與實現［D］.廣東工業大學，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、穩定、低成本的智能家居系統，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技術的基礎上，選擇以ZigBee無線通信方式組建家庭內部網絡，以Wi-Fi無線通信方式組建家庭外部網絡，構建一套實用的智能家居系統，實現家居內部溫濕度、光照強度數據采集以及智能燈光控制等。經測試該設計具有較高的可擴展性、可靠性和實用價值，同時為同類產品研發提供參考方案。

智能家居；ZigBee；Wi-Fi；MSP430F6638；嵌入式系統

國家級大學生創新創業訓練計劃項目（No.201410285034Z）、蘇州大學大學生創新創業訓練計劃

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.