田芳明，李騰

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，大慶 163319）

隨著生活標(biāo)準(zhǔn)的提高，更多的人需求更好的家居環(huán)境，智能家居設(shè)計(jì)已成為世界的潮流。智能家居是以住宅為平臺(tái)，利用綜合布線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能家居—系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案安全防范技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、音視頻技術(shù)將家居生活有關(guān)的設(shè)施集成，構(gòu)建高效的住宅設(shè)施與家庭日程事務(wù)的管理系統(tǒng)，提升家居安全性、便利性、舒適性、藝術(shù)性，并實(shí)現(xiàn)環(huán)保節(jié)能的居住環(huán)境。在中國(guó)，智能家居系統(tǒng)的研究起步較晚，但發(fā)展較快。2003年，IGRS（Intelligent Grouping and Resource Sharing）標(biāo)準(zhǔn)工作組成立，現(xiàn)在，更多的人在研究智能家居控制的理論，但實(shí)際使用比較少。主要原因有以下幾個(gè)方面：通信協(xié)議沒有統(tǒng)一，產(chǎn)品不兼容和不成熟，復(fù)雜的操作和實(shí)用性差別，個(gè)性化不夠，傳統(tǒng)家電沒有得到充分開發(fā)和利用。根據(jù)家庭用戶的一般需求，設(shè)計(jì)了基于低功耗單片機(jī)MSP430f149 的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅可以控制各種家用電子設(shè)備的開關(guān)，而且還可以查看它們的狀態(tài)，同時(shí)可以動(dòng)態(tài)檢測(cè)各種家居環(huán)境參數(shù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控等。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分。包括MSP430f149 單片機(jī)核心控制模塊，供電模塊，串口接口模塊，無線遙控模塊，報(bào)警器模塊，煙霧傳感器模塊，溫濕度傳感器模塊，電風(fēng)扇模塊，電燈模塊等。

下位機(jī)部分以MSP430f149 單片機(jī)為系統(tǒng)核心部件，用電風(fēng)扇、電燈來模擬家用電器，通過繼電器來控制風(fēng)扇的開關(guān)、電燈的亮滅。電風(fēng)扇、電燈的開關(guān)可以在上位機(jī)控制界面上操作，也可以通過無線遙控進(jìn)行。用DHT11 溫濕度傳感器采集環(huán)境溫度、濕度數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)顯示，并配有煙霧傳感器，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)或燃?xì)庑孤r(shí)進(jìn)行報(bào)警。上位機(jī)控制界面用delphi 軟件編寫，分別有環(huán)境參數(shù)顯示部分和控制部分，并配有flash 動(dòng)畫，讓控制界面更加生動(dòng)形象，利用spcomm 控件來實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通訊。系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The overall structure diagram of the system

2 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)由煙霧傳感器、空氣溫濕度傳感器、無線遙控模塊、電源模塊、電器控制模塊及MSP430f149單片機(jī)構(gòu)成。

2.1 微控制器的選擇

經(jīng)過比較，選擇了TI 公司生產(chǎn)的MSP430F149作為微控制器[1]。MSP430f149 是16 位總線、自帶flash 的單片機(jī)，具有統(tǒng)一的中斷管理、豐富的片上外圍模塊、片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個(gè)16 位定時(shí)器、一個(gè)8 路的12 位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、6 路P 口、兩路USART 通信端口、一個(gè)比較器、一個(gè)DCO 內(nèi)部振蕩器和兩個(gè)外部時(shí)鐘，而且，該單片機(jī)可在超低功耗模式下工作，可靠性能好，加強(qiáng)電干擾運(yùn)行不受影響，適應(yīng)工業(yè)級(jí)的運(yùn)行環(huán)境。

2.2 傳感器的選擇

2.2.1 煙霧傳感器

MQ-2 氣體傳感器對(duì)液化氣、丙烷、氫氣的靈敏度高，對(duì)天然氣和其他可燃蒸汽的檢測(cè)也很理想。這種傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，是一款適合多種應(yīng)用的低成本傳感器。氣體通過MQ-2 氣體傳感器，傳感器判斷是否含有液化氣、丁烷、丙烷、甲烷氣體等危險(xiǎn)氣體，如果有則把氣體參數(shù)傳給430 單片機(jī)P6.7 端口，單片機(jī)自帶的AD 轉(zhuǎn)化電路把傳進(jìn)來的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)信號(hào)傳給單片機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)分析參數(shù)與設(shè)定參數(shù)比較。如果大于設(shè)定參數(shù)蜂鳴器報(bào)警，并能在上位機(jī)上顯示。

2.2.2 溫濕度傳感器模塊

DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC 測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8 位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP 內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20 m 以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇[2]。

系統(tǒng)采用單總線數(shù)據(jù)格式，一次通訊時(shí)間4 ms左右，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，具體格式在下面說明，當(dāng)前小數(shù)部分用于以后擴(kuò)展，現(xiàn)讀出為零。操作流程如下：一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40 bit，高位先出。具體數(shù)據(jù)格式為：

8 bit 濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit 濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bi 溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit 溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit 校驗(yàn)和。

數(shù)據(jù)傳送正確時(shí)校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8 bit 濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit 濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bi 溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit 溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結(jié)果的末8 位。

2.3 無線遙控模塊

PT2262/PT2272 是臺(tái)灣普城公司生產(chǎn)的一種CMOS 工藝制造的低功耗低價(jià)位通用編解碼電路，PT2262/PT2272 最多可有12 位（A0-A11）三態(tài)地址端管腳（懸空，接高電平，接低電平），任意組合可提供531441 地址碼，PT2262 最多可有6 位（D0-D5）數(shù)據(jù)端管腳，設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17 腳串行輸出，可用于無線遙控發(fā)射電路。

編碼芯片PT2262 發(fā)出的編碼信號(hào)由：地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼組成一個(gè)完整的碼字，解碼芯片PT2272 接收到信號(hào)后，其地址碼經(jīng)過兩次比較核對(duì)后，VT 腳才輸出高電平，與此同時(shí)相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平，如果發(fā)送端一直按住按鍵，編碼芯片也會(huì)連續(xù)發(fā)射。當(dāng)發(fā)射機(jī)沒有按鍵按下時(shí)，PT2262 不接通電源，其17 腳為低電平，所以315 MHz 的高頻發(fā)射電路不工作，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，PT2262 得電工作，其第17 腳輸出經(jīng)調(diào)制的串行數(shù)據(jù)信號(hào)，當(dāng)17 腳為高電平期間315 MHz 的高頻發(fā)射電路起振并發(fā)射等幅高頻信號(hào)，當(dāng)17 腳為低平期間315 MHz 的高頻發(fā)射電路停止振蕩，所以高頻發(fā)射電路完全受控于PT2262 的17 腳輸出的數(shù)字信號(hào)，從而對(duì)高頻電路完成幅度鍵控（ASK 調(diào)制），相當(dāng)于調(diào)制度為100%的調(diào)幅。

2.4 電源模塊

由于MSP430 單片機(jī)采用的是3.3 V 電源供電，而市面上用的最多的是5 V 電源。因此，需要采用3.3 V 穩(wěn)壓芯片將5 V 電源轉(zhuǎn)換成3.3 V 電源供給單片機(jī)使用。本設(shè)計(jì)中采用的穩(wěn)壓芯片是AMS1117。該穩(wěn)壓芯片是一個(gè)正向低壓降穩(wěn)壓器，能夠?qū)? V 電源直接轉(zhuǎn)換成3.3 V 穩(wěn)壓電源。為了使輸出的3.3 V輸出電源的紋波小，在輸出部分用了一個(gè)100 uf 的電容，另外在芯片的輸入管腳也放置了一個(gè)100 pf的濾波電容，以減小輸入端受到的干擾[3]。

2.5 電器控制模塊

設(shè)計(jì)中以電燈、電風(fēng)扇為例進(jìn)行電器的控制，控制原理電路如圖2 所示。

圖2 電燈、電風(fēng)扇控制模塊Fig.2 The control module of lamp and electric fan

3 智能家居監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，由主程序、串口通訊、AD 轉(zhuǎn)化、無線遙控、DHT21 溫濕度傳感器等模塊子程序構(gòu)成。每個(gè)功能模塊對(duì)于整體設(shè)計(jì)都是非常重要的，430 單片機(jī)通過軟件程序才能很好地對(duì)外部的信息進(jìn)行采集、分析、決策和執(zhí)行，并和上位機(jī)進(jìn)行通訊。

編程語言采用C 語言，采用IAR 軟件編程環(huán)境。IAR 是瑞典IAR System 公司推出的一種非常有效的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具，IAR 適用于開發(fā)基于8 位，16位以及32 位的處理器的嵌入式系統(tǒng)，其具有同一界面，用戶可以針對(duì)多種不同的目標(biāo)處理器，在相同的集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行基于不同CPU 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序的開發(fā)。另外IAR 的鏈接定位器（XLINK）可以輸出多種格式的目標(biāo)文件，使用戶可以采用第三方軟件進(jìn)行仿真調(diào)試[4]。

系統(tǒng)下位機(jī)軟件整體流程圖如圖3 所示。

圖3 軟件流程圖Fig.3 The software flow chart

程序剛開始運(yùn)行時(shí)先進(jìn)行各種子模塊的初始化操作。然后打開定時(shí)器A 進(jìn)入低功耗模式。每隔一定時(shí)間，程序進(jìn)入定時(shí)器A 中斷，每次中斷進(jìn)行3 項(xiàng)工作：

（1）掃描無線遙控鍵值，當(dāng)檢測(cè)到按鍵按下時(shí)進(jìn)入鍵值處理函數(shù)中，從而控制電燈風(fēng)扇。

（2）進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換，采集煙霧模擬電壓值，超過設(shè)定的閥值時(shí)報(bào)警。

（3）對(duì)變量A 進(jìn)行加1 操作，當(dāng)A 大于50 時(shí)采集下位機(jī)數(shù)據(jù)傳給上位機(jī)。同時(shí)系統(tǒng)可以接收上位機(jī)操作命令，控制風(fēng)扇電燈。

3.2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)控制界面采用Delphi 開發(fā)，利用RS232通信接口標(biāo)準(zhǔn)，傳輸波特率為9 600 kbps。具體用戶界面如圖4 所示。

圖4 智能家居上位機(jī)監(jiān)控界面Fig.4 The PC monitoring interface of smart home

上位機(jī)與下位機(jī)具體通訊步驟包括初始化串口、建立握手信號(hào)、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和關(guān)閉串口[5]。

（1）初始化并打開串口

需要選擇本次通信使用的串口，確定通信協(xié)議，即設(shè)置波特率、校驗(yàn)方式、數(shù)據(jù)位、停止位等屬性，打開該串口。示例代碼如下：

Comm1.BaudRate：=9 600；//波特率 9 600 bps

Comm1.Parity：=None； //奇偶檢驗(yàn)無

Comm1.ByteSize：=8；//數(shù)據(jù)位 8

Comm1.StopBits：=1；//停止位 1

Comm1.StartComm；//打開串口

（2）建立握手信號(hào)

實(shí)現(xiàn)PC 機(jī)與單片機(jī)之間的通信，首先要調(diào)通它們之間的握手信號(hào)，握手信號(hào)可以隨意選擇某特定字符串，當(dāng)PC 發(fā)出這樣一幀數(shù)據(jù)后，通過接收事件能收到單片機(jī)返回的這一幀數(shù)據(jù)或特定的某字符串，則表示握手成功，系統(tǒng)通信正常。兩者之間就可以按照協(xié)議相互傳輸數(shù)據(jù)。否則需重新建立握手信號(hào)。

（3）發(fā)送數(shù)據(jù)

在編寫基于串口的計(jì)算機(jī)工業(yè)測(cè)控時(shí)，通常需要由PC 機(jī)向下位機(jī)發(fā)送命令以控制下位機(jī)的行為，同時(shí)向下位機(jī)發(fā)送有關(guān)數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)利用Spcomm 串口控件向下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)。

（4）接收數(shù)據(jù)

在編寫基于串口的計(jì)算機(jī)工業(yè)測(cè)控時(shí)，通常需要由下位機(jī)向PC 機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)以使PC 機(jī)了解系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)或下位機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并進(jìn)而控制下位機(jī)的行為。本系統(tǒng)利用Spcomm 串口控件接收下位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。

（5）關(guān)閉串口

在系統(tǒng)開發(fā)中，應(yīng)注意在不使用串口時(shí)應(yīng)及時(shí)關(guān)閉串口，釋放系統(tǒng)資源，否則可能會(huì)影響系統(tǒng)的其他應(yīng)用。

4 結(jié)論

根據(jù)智能家居監(jiān)控這個(gè)特定應(yīng)用目標(biāo)構(gòu)建了整個(gè)軟硬件平臺(tái)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用界面具有人性化特點(diǎn)，下位機(jī)中充分的利用了MSP430 單片機(jī)的性能和內(nèi)部資源，并可方便擴(kuò)展，上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)跟蹤溫、濕度變化，實(shí)現(xiàn)了高性價(jià)比、低功耗的目標(biāo)，該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)后，又在學(xué)生寢室中進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了溫濕度的無線監(jiān)測(cè)、燃?xì)鉂舛缺O(jiān)測(cè)、電燈等電器智能控制等功能，效果較好。

［1］ 秦龍.MSP430 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)典型實(shí)例［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2005.

［2］ 陳杰，黃鴻.傳感器與檢測(cè)技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［3］ 王繼存，譚峰.在線式水田滲透量監(jiān)測(cè)儀的研究［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，24（4）：71-75.

［4］ 馬忠梅，籍順心，張凱，等.單片機(jī)的C 語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［5］ 劉瑞新，萬朝陽，董淑娟.Delphi 程序設(shè)計(jì)教程［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.