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CC430F6135的無線智能家居控制系統(tǒng)解決方案

發(fā)布時間:2011-8-4 17:04    發(fā)布者:Liming
科技的不斷進步,特別是計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展與應(yīng)用,促使廣大居民家庭實現(xiàn)了生活方式現(xiàn)代化和居住環(huán)境舒適化與安全化。家居智能化成為了一種趨勢,智能家居室內(nèi)控制系統(tǒng)包括安防系統(tǒng)、火災(zāi)報警系統(tǒng)、燈光和家電控制系統(tǒng)等。隨著智能家居的不斷發(fā)展,對控制系統(tǒng)的快速性、便利性、可靠性和低能耗的要求不斷提高。因此,開發(fā)一種低功耗并且方便操作的家居控制系統(tǒng),能夠彌補目前智能家居的缺陷。

智能家居控制系統(tǒng)必須依靠Internet網(wǎng)絡(luò)才能實現(xiàn)對整個家居系統(tǒng)進行控制,這大大限制了應(yīng)用場合,使其應(yīng)用具有一定的局限性。參考文獻設(shè)計的家居控制系統(tǒng)利用ZigBee無線通信技術(shù)作為通信工具,但是其必須利用單獨的外接ZigBee模塊才能完成通信功能,所以制作成本較高。針對以上缺點,本系統(tǒng)采用MSP430系列單片機CC430F6135,其不但具有MSP430系列單片機的低功耗性能,而且具有RF無線收發(fā)器的功能,這兩種性能充分滿足了低功耗和無線通信的要求,使得系統(tǒng)的成本降低。本系統(tǒng)采用了觸摸屏來對整個系統(tǒng)進行控制,方便用戶使用,避免了操作面板上繁瑣器件給使用帶來的不便。

1 裝置整體運行原理

智能家居系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能大概有以下幾個方面:

①安防功能。目前家庭安防系統(tǒng)主要功能是監(jiān)控非法闖入和門的開關(guān)等。一旦出現(xiàn)問題事件,系統(tǒng)會自動發(fā)出相應(yīng)的信號給主控制器,及時通知用戶有情況發(fā)生。

②家電控制。對家電實行智能控制,用一個便攜的觸摸屏控制器就可以控制家里的任何電器,包括電視機、冰箱、空調(diào)、電腦等,還可以實現(xiàn)定時開關(guān)電器等功能。

③燈光控制。根據(jù)不同的室內(nèi)自然光強度,可以智能地調(diào)節(jié)發(fā)光強度,外加的光敏控制元件可以感測外面光的強度,并根據(jù)實際設(shè)定的要求自動調(diào)節(jié)光照強度。

智能家居控制系統(tǒng)依靠一個主控制器來對整個家居進行控制,包括家電控制、燈光控制、家庭安防控制等,整個控制均通過觸摸屏操作完成,方便用戶使用。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示,主控制器采用MSP430系列單片機CC430F6135為核心,其與觸摸屏通過串口進行通信,觸摸屏界面包含了家電控制、燈光控制、安防控制3個部分,點擊其中一個模塊會進入到相應(yīng)的子模塊中,其詳細(xì)控制流程在軟件部分會詳細(xì)介紹。當(dāng)觸動一個功能后,觸摸屏通過串口傳遞給CC430F6135控制指令,CC430F6135分析指令并通過其內(nèi)部集成的RF無線收發(fā)模塊將控制指令發(fā)送給驅(qū)動模塊(驅(qū)動模塊由CC430F6135控制),驅(qū)動模塊通過其內(nèi)部的RF無線收發(fā)模塊接收指令,并按照指令要求驅(qū)動相應(yīng)的家電設(shè)備。

MSP430單片機最大特點就是低功耗,而且內(nèi)部集成的RF無線通信模塊可以節(jié)省外部單獨外接的無線模塊,降低成本,觸摸屏的應(yīng)用可以方便用戶使用,避免了面板上繁瑣的按鈕器件給用戶帶來的不便。整個主控制器完全是手持化產(chǎn)品,方便移動和操作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能家居控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計包括主控制器設(shè)計和各個子驅(qū)動模塊設(shè)計。

2.1 主控制模塊設(shè)計

2.1.1 CC430F6135器件介紹

CC430F6135是MSP430F6xx MCU與低功耗RF收發(fā)器相結(jié)合的產(chǎn)品,可實現(xiàn)極低的電流消耗,從而使采用電池供電的無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用無需維修即可工作長達數(shù)年以上。而且微型封裝所包含的高級功能還可為創(chuàng)新型RF傳感器網(wǎng)絡(luò)提供核心動力,以向中央采集點報告數(shù)據(jù)。CC430F6135為16位超低功耗MCU,具有16 KB程序存儲器、2 KB的SRAM、CC1101無線電和USCI,供電電壓為1.8~3.6 V,正常工作模式消耗電流為160μA/MHz,低功耗模式3消耗電流為2.0μA,從待機模式到喚醒模式響應(yīng)時間不超過6μs。

2.1.2 CC430F6135的RF無線收發(fā)模塊電路

CC430F6135內(nèi)部集成了CC1101無線電收發(fā)器,本設(shè)計中的RF頻率為889.99 MHz,數(shù)據(jù)傳輸速率為51.343 kbps,信道間隔為211.572 kHz,在本系統(tǒng)設(shè)計中,通過軟件可以調(diào)節(jié)RF無線發(fā)送功率的大小,這樣根據(jù)發(fā)射距離的遠(yuǎn)近去設(shè)置功率的大小,達到降低功耗的目的。其電路圖如圖2所示,因為系統(tǒng)需要5 V電源和3 V電源,所以在本系統(tǒng)中選用了5 V的電池,經(jīng)過LM1117轉(zhuǎn)換成3 V供給單片機。CC430F6135外接晶振為26 MHz。RF_N和RF_P為RF無線電發(fā)射引腳,兩引腳外接天線,其功率可以達到-100 dBm以上。其傳輸距離在無間隔的情況下可以達到200 m左右,在有墻壁的情況下可以達到60 m,完全滿足家居控制系統(tǒng)的要求。

2.1.3 觸摸屏控制模塊電路設(shè)計

本系統(tǒng)選用了北京迪文科技的DMT32240T03501WN型觸摸屏,所有的智能顯示終端都是基于圖形界面操作。其為4線電阻式模擬觸摸屏,終端尺寸為3.5英寸,圖形點陣為320×240,背光模式為LED式,輸入電壓可以選擇范圍為3~10 V,內(nèi)置32 MB存儲器,60個字庫容量,支持GBK(簡體)、BIG5(繁體)等,而且支持用戶自己設(shè)計的字庫,其內(nèi)部有96 MB的圖片存儲空間,最多存儲153幅全屏圖片。其提供RS232串口與PC等進行通信,通信方便,數(shù)據(jù)最高傳輸速率可以達到115 200 bps。此觸摸屏提供兩種供電方式,分別為+3 V和+5 V。

DMT32240T035_01WN型觸摸屏提供了豐富的指令集,通過輸入相關(guān)的指令即可實現(xiàn)特定的功能,包括設(shè)置當(dāng)前調(diào)色板顏色、設(shè)置字符間隔、光標(biāo)顯示、文本顯示、點顯示、圖片顯示、保存屏幕當(dāng)前顯示的圖片、圖片剪切、動態(tài)顯示曲線波形、頻譜顯示、時間顯示、蜂鳴器音量調(diào)節(jié)等,這些功能以及在本系統(tǒng)中的應(yīng)用將在軟件設(shè)計中作詳細(xì)的介紹。

DMT32240T035_01WN型觸摸屏在本系統(tǒng)采用的是+5 V的供電方式,根據(jù)器件本身的特性,其UART串口輸出為+5 V的電平,因為CC430F6135的SCIA口輸出的+3 V電壓,這就需要一個電平轉(zhuǎn)換芯片將CC430F6135輸出的+3 V轉(zhuǎn)換成+5 V電壓,以便和觸摸屏進行通信。為此選用了SP32 23E型RS232接口芯片,其工作電壓為+3 V,其外部需要連接4個電容以維持系統(tǒng)運行,其與觸摸屏和CC430F6135硬件連接圖如圖3所示。SP32 23E外接+3 V電源,其需要并聯(lián)兩個電容以便能夠獲得較好的標(biāo)準(zhǔn)電壓,/EN直接地使SP3223E一直處于工作狀態(tài),CC430F6135的TX端口與SP 3223E的T1IN端口相連,RX口與R10UT端口相連,SP3223E的T10UT端口與觸摸屏的TX端口相連,R1IN端口與觸摸屏的RX端口相連,這樣就具備了CC430F6135與觸摸屏的串口通信功能。

2.2 安防控制系統(tǒng)設(shè)計

2.2.1 門控系統(tǒng)

門控系統(tǒng)的作用是當(dāng)主控制器發(fā)出開門或關(guān)門的指令后,門控系統(tǒng)會根據(jù)指令的要求進行開門或者關(guān)門,此系統(tǒng)采用CC430F6135控制繼電器開通,進而控制旋轉(zhuǎn)電機工作去控制門的動作,為了保證繼電器可靠而穩(wěn)定的工作,本文選用TIANB0 HJR-3FF-S-Z系列繼電器,此繼電器負(fù)載端電壓可以達到250 AVC/30 DVC,在環(huán)境溫度介于-30~+60℃之間可以工作1×105次以上。工作電壓為+5 V,額定工作電流為70 mA,因為CC430F6135的I/O輸出為+3 V,所以不能直接驅(qū)動繼電器工作,所以中間需加一晶體管S8050作為開關(guān)來控制繼電器的開關(guān),繼電器通過接收CC430F6135的控制信息完成相應(yīng)的控制動作。門控系統(tǒng)電路如圖4所示。

2.2.2 報警電路設(shè)計

報警電路的作用是通知用戶有人在門外或者有人闖入指定區(qū)域,其工作原理是當(dāng)人體接近紅外探頭時,紅外模塊會發(fā)出一個信號給單片機,單片機會將有人接近的指令傳送給主控制器,進而通知用戶有人在門外。如圖5所示,本模塊采用紅外熱釋電處理芯片BISS0001,BISS00 01是一款高性能的傳感信號處理集成電路。靜態(tài)電流極小,配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構(gòu)成被動式的熱釋電紅外傳感器,廣泛用于安防、自控等領(lǐng)域。首先熱釋電紅外傳感器在有人接近的時候會輸出一個信號,BISS0001內(nèi)部的運算放大器0P1將此信號作第一級放大,然后由運算放大器OP2進行第二級放大,再經(jīng)由電壓比較器COP1和COP2構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后,檢出有效觸發(fā)信號Vs給CC430F6135,CC 430F6135檢測出信號的變化,將觸發(fā)指令通過內(nèi)部集成的RF模塊傳輸給主控制器,完成報警電路功能。

2.3 家電及燈光硬件電路設(shè)計

家電控制與門控系統(tǒng)的硬件電路基本相同,都是采用CC430F6135控制繼電器的開關(guān)進而去控制家電的開關(guān),其電路圖與圖4基本相同,在這里就不再給出硬件電路圖。主控制器發(fā)出打開某個家電的命令,接收模塊接收到命令后判斷指令的功能,然后根據(jù)預(yù)先設(shè)計好的程序進行相關(guān)的控制。

燈光控制模塊作用是對燈光的進行智能調(diào)節(jié),這部分與圖5的報警模塊類似。在有人的情況下,系統(tǒng)會自動打開燈,如果沒人活動燈會自動關(guān)斷。在白天光照強烈的情況下,光敏電阻R9的阻值會降到最低,相當(dāng)于短接,這時會使BISS0001芯片關(guān)閉,停止工作,這樣芯片不再輸出控制信號,使燈自動關(guān)閉。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

智能家居控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括主控制器的軟件設(shè)計、驅(qū)動模塊的軟件設(shè)計和觸摸屏軟件設(shè)計。

3.1 主控制器軟件設(shè)計

主控制器程序流程如圖6所示。首先觸碰觸摸屏的開始圖標(biāo),系統(tǒng)開始運行,此時觸摸屏的界面會顯示出3個模塊,分別為家電控制模塊、門控模塊、燈光模塊,每個模塊都有自己的控制功能,以家電控制模塊為例進行說明。觸碰家電模塊后,觸摸屏界面顯示一個框圖表,包括電視機、音響、電腦等家電設(shè)備。觸碰到電視機后,CC430F6135利用內(nèi)部集成的RF收發(fā)模塊發(fā)出打開家電的控制指令給CC430F6135為控制核心的驅(qū)動模塊。驅(qū)動模塊接收指令并判斷指令的功能,然后連接到電視機的端口會置為高電平,此時控制電視機的繼電器會閉合,電視機被打開,至此整個控制操作完成。在間隔40 s內(nèi)若沒有觸碰觸摸屏則CC430F6135會進入低功耗模式3中,系統(tǒng)的DC發(fā)生器被關(guān)斷,只有晶振是活動的,系統(tǒng)的總中斷允許位被打開。此時觸摸屏也會進入低功耗模式,屏幕顯示為黑白色,進入低亮模式,這樣就能使功耗達到最低,延長電池使用時間。

3.2 驅(qū)動模塊軟件設(shè)計

家電控制、門控控制、燈光控制等的驅(qū)動模塊基本相同,現(xiàn)以家電控制的驅(qū)動模塊為例進行說明,其程序流程如圖7所示。驅(qū)動模塊初始階段會一直處于低功耗模塊中,當(dāng)主控制器發(fā)送控制指令后,驅(qū)動模塊會被RF接收中斷喚醒,并執(zhí)行相應(yīng)的指令功能。執(zhí)行成功后,會發(fā)送執(zhí)行成功的指令給主模塊,然后進入到低功耗模式中,此時驅(qū)動模塊的CC430F6135的I/O口會一直保持狀態(tài)不變,DC發(fā)生器被關(guān)斷,主中斷被打開,此時功耗達到最低。

3.3 觸摸屏軟件設(shè)計

DMT64480T056 01W型觸摸屏內(nèi)部集成了指令集,只要按照指令的要求通過串口輸送給觸摸屏,就可以實現(xiàn)該指令的功能,所有指令均是以十六進制為標(biāo)準(zhǔn)。在電腦上通過軟件可以將圖片和圖片固定區(qū)域代表的指令下載到觸摸屏中。其原理是當(dāng)觸碰觸摸屏的一個區(qū)域后,觸摸

屏?xí)敵鲱A(yù)先配置好的指令給單片機,其指令代碼規(guī)則為AA xx CC 33 C3 3C。在這里AA為固定的開始指令,之后xx是代表觸碰區(qū)域預(yù)先設(shè)置好的指令代碼,CC 33 C33C為固定的結(jié)尾指令。輸出完這些十六進制字符后,單片機通過判斷xx的值,進而去實現(xiàn)指定的功能。不同的區(qū)域可以設(shè)置不同的指令代碼,這樣就可以實現(xiàn)同一個界面多個觸碰區(qū)域多個命令的功能。

結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于CC430F6135的智能家居控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要是由主控制器和驅(qū)動模塊組成,系統(tǒng)采用的CC430F6135內(nèi)部集成的RF收發(fā)模塊和觸摸屏是本系統(tǒng)的亮點,不但節(jié)約成本而且方便用戶使用。
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