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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。 |
