基于MSP430的蓝牙智能家居系统

朱 志 平

(渭南师范学院 数理学院，陕西 渭南 714099)



基于MSP430的蓝牙智能家居系统

朱 志 平

(渭南师范学院 数理学院，陕西 渭南 714099)

摘要：设计了一种蓝牙智能家居系统,该系统选用MSP430F149作为控制器，并通过HC-05蓝牙及GSM模块与家庭组件进行通信，实现对家居设备的控制和管理，具有实时性、高效率和性价比高等优点，为人们提供了一种方便快捷的生活方式。

关键词：MSP430F149；HC-05蓝牙模块；GSM模块；智能家居

物联网技术是在互联网的基础上，利用感知和数据无线通信技术来建造一个覆盖万物的“Internet of Things”。物联网的发展给智能家居管理带来了一个全新的发展空间，其在智能家居中的主要作用是：将各种家庭设备通过智能家居系统中的网络来实现自动化控制。而手机作为人们生活中随身携带的通信工具，将在智能家居中发挥重要作用，能使用户直观方便地对智能家居系统中的所有家居设备进行管理和控制。

1智能家居管理系统的总体设计

1.1系统基本功能

智能家居系统运用手机蓝牙、短信及电脑终端控制家居中的各种设备，整体实现了智能化家居的控制，其功能如下：

(1)门开/关： 通过手机蓝牙、GSM短信功能及电脑终端控制指令可实现门的开与关；

(2)窗户开/关：通过手机可以实现窗户的自动打开与关闭；

(3)窗帘开/关：依室外光照，光敏元件将采集的数值发送给控制器实现窗帘的自动开与关或手控开关，适时接收光照；

(4)风扇开/关：当居室中温度较高时，可自动打开风扇或给机主发送信息请求指令；

(5)厨房设备开/关：通过手机、电脑控制设备的开启与停止；

(6)主、副卧室照明控制：两个卧室的照明，同样可以通过手机蓝牙、GSM短信、电脑任意一端进行控制；

(7)电视开/关：同样可采用(6)中的方法进行控制。

1.2系统组成

智能家居系统由单片机控制单元、家庭基础设备单元、手机蓝牙控制单元、GSM控制单元、电脑终端控制单元、信息量采集单元、显示单元、报警单元等部分组成。其组成框图如图1所示。

图1　系统组成框图

单片机控制单元主要实现对家庭基础设备的控制，如门窗的控制、灯泡的控制等，以及信息之间的反馈，这是本系统的核心。

家庭基础设备单元主要包括3路5 V步进电机，用于控制门、窗户、窗帘的机械动作；卧室、客厅及室外模拟光源照明采用高亮度LED灯实现；风扇选择12 V直流驱动风扇，用于温度过限时的降温处理；模拟厨房设备采用一排蓝色LED灯进行模拟；电视机采用带背光的条形液晶模拟。

手机蓝牙控制单元主要用于通过手机的蓝牙功能发送相关控制指令，实现对家居中基础设备模型的控制。

GSM控制单元用于通过短信息方式控制家庭中的基础设备模型，同时也可接收单片机发送的提示信息。

电脑终端控制单元通过9针串口线连接单片机和PC，可以通过在PC端输入相应指令来控制家居中的一切基础设备。

信息采集单元主要包括温度传感、光照信号采集部分，将信息量反馈给单片机来执行相应的动作。

显示单元主要是用数码管实时显示居室中的温度情况，方便查看。

报警单元使用无源蜂鸣器，在温度过限时会触发报警电路，发出提示音。

2智能家居管理系统硬件设计

2.1控制器

控制器采用美国德州仪器公司生产的16位超低功耗RISC混合信号处理器MSP430F149，该处理器主要根据实际需求，把模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案，具有超低功耗、强大的处理能力，以及从低功耗模式到唤醒模式的转换时间少等优点。

2.1.1开发环境

编译环境为IAR4.2，采用MSP430 USB型JTAG编程仿真器对MSP430F149单片机进行程序下载，具有编程效率高、可用性强等优点。

2.1.2最小系统

图2为使MSP430正常工作的最少外围电路，简称最小系统。其中包括复位电路、晶振电路[1]。

2.1.3时钟电路

图3为时钟电路，MSP430的8、9引脚外接32 768 Hz的手表晶振，用以低速时钟源；52、53引脚外接8 MHz的高速无源晶振，谐振电容选取33 PF，用以保证8 MHz的高速晶振完全起振。MSP430内部带有一低速的DCO数字压控振荡器，由RC振荡回路构成，用于外接晶振突发停振情况下保证芯片的正常工作等。

图2　MSP430最小系统

图3　时钟电路

2.1.4供电电路

图4为供电电路，5 V的VCC经过ANS1117-3.3稳压芯片，在输出端可得到稳定的3.3 V电压，保证整个片上资源的供电正常。

图4　系统供电电路

2.2手机蓝牙模块控制单元

蓝牙(Bluetooth)是一种短距离无线通信的无线电技术，在我们日常生活中如手机等其他终端设备里面处处可见，足见其应用之广。其工作频段为2.4 GHz，最大数据传输速率为1 Mbps[2]。

系统采用的蓝牙模块是HC-05的CSR主流蓝牙芯片，V2.0标准协议，串口模块工作电压3.3 V，工作电流：配对中：30～40 mA；配对完毕未通信：2～8 mA；通信中：8 mA。系统启动后，用户手机蓝牙与系统蓝牙进行配对，配对过程中HC-05蓝牙上面的红色指示灯频繁闪烁，当HC-05与手机蓝牙配对成功后一直保持待机状态，红色指示灯常亮，等待用户发送指令。

系统用蓝牙模块与单片机的串口TX、RX端连接，通过相关指令来控制相应设备动作。

2.3GSM模块控制单元

GSM模块采用德国西门子工业GSM模块TC35I，并且支持中文短信息；工作在EGSM900和GSM1800双频段,电源范围为直流3.3～4.8 V ；单片机利用串口向TC35I发送AT指令进行控制,TC35I对接收的数据进行处理之后利用串口送给单片机进行控制，设计中用到的AT指令见参考文献[3]。

TC35I-GSM模块启动时必须注意启动脚IGT端的电平变化周期，否则模块难以启动。系统加电后为使TC35I能正常启动,必须给IGT加一个大于100 ms的低脉冲,电平下降持续时间≤1 ms,这样才能保证TC35I进入工作状态。GSM模块电路如图5所示。

图5　TC35I与SIM卡连接图

2.4电脑终端控制单元

电脑终端控制使用DB9串口线连接电脑和MSP430单片机，如图6所示，通过串口通信方式实现上位机与下位机的数据通信。可通过PC端的串口工具，发送相应指令来控制下位设备。

在系统设计中，蓝牙、GSM短信息、电脑终端控制都是和单片机的串口进行通信，为了避免数据串扰，所以每次只能单端去控制。

2.5信息采集单元

2.5.1温度采集

温度采集采用DALLAS公司生产的DS18B20单总线数字温度传感器芯片，具有3引脚的TO-92小体积封装形式和8脚的SOIC封装；测量温度范围为-55 ℃～125 ℃，可编程为9～12位A/D转换精度，分辨率达0.062 5℃，被测温度以16位补码方式串行输出；DS18B20的工作电源既可以在远端引入，也可以采用寄生电源方式产生[4]。

图6　串口通信电路

本设计中主要依靠DS18B20采集居室的温度，将温度实时显示在数码管上，当温度过限时会触发相应的操作。硬件连接如图7所示。

图7　温度传感器硬件连接图

2.5.2光照强度采集

光照强度采集使用可见光光敏电阻器，光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器：入射光照越强，光敏电阻对外呈现的电阻越小；入射光照越弱，光敏电阻对外的输出电阻越大。一般都将光敏电阻器制成薄片结构，以便吸收更多光能。

图8　LM358外接成比较器电路

利用光敏电阻的阻值随光照发生变化就可将光信号转变为电信号并可进行放大。连结电路如图8所示。在图8中将LM358运放接成比较器，利用VIN-和VIN+的电压比较使输出端得到高低电平，以此来控制窗帘、窗户的开关[5]。设计中VIN-端的电压为2.5 V，VIN+端的电压在无光照时大于2.5 V，此时LM358的输出端是高电平；当光照增强时光敏电阻的阻值会急剧下降，此时VIN+端的电压会低于2.5 V，此时LM358的输出端是低电平。单片机就是依据LM358输出端的电平来决定设备是否执行动作。

2.6报警单元

单片机I/O的电流小，驱动能力不强，因而用一个PNP型三极管来驱动蜂鸣器。连结电路如图9所示。如P6.7端口输出高电平，PNP三极管将导通，蜂鸣器发声。否则PNP三极管截止，蜂鸣器被关闭。

图9　蜂鸣器报警电路

2.7数码管显示单元

显示单元由6个共阴极的数码管构成，以动态扫描方式保证6个数码管的有效工作。MSP430F149是一款低功耗的单片机，其IO端口的驱动能力弱，因此在数码管的段选信号、位选信号与MCU之间增加两片74HC573，以作缓冲驱动，这样既可以正常驱动又能保护MCU。电路如图10所示。

图10　数码管显示电路

2.8电平转换电路

因MSP430F149单片机的I/O电压只能是0 V和3.3 V，不能直接驱动5 V继电器工作，所以使用74LV4245电平转换芯片来实现3.3 V到5 V的一个转换，以此保证可以正常地控制5 V继电器吸合。

设计中A1—A8连接5 V电平数据端口，B1—B8连接3.3 V电平数据端口，11、12、13脚连接GND，VCCA连接5 V电源，VCCB连接3.3 V电源，保证74LV4245芯片的正常供电。MSP430发出控制信号后经74LV4245进行电平转换后，控制继电器的吸合来使12 V风扇开与关。转换电路如图11所示。

图11　3.3～5 V电平转换电路

2.9继电器

继电器是一种电信号控制器件，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电信号去控制大信号的一种“自动开关”。通过继电器控制12 V风扇过程如图12所示。

图12　3.3 V～5 V继电器控制电路

图13　高亮度LED灯驱动电路

2.10照明电路

照明选用高亮度的白色LED灯来充当照明设备。MSP430单片机的I/O口输出电流较小很难驱动高亮度的LED灯，所以采用PNP型9012三极管来进行驱动放大，保证依据单片机的I/O信号可以控制高亮度的LED灯正常照明。具体电路如图13所示。

当输入端为低电平信号时三极管导通，高亮度LED灯正常工作；当输入端为高电平时三极管处于断开状态，此时高亮度的LED灯熄灭。

2.11步进电机控制

系统设计中使用了3个 5 V 4线制步进电机，型号为28YBJ-48，驱动电路使用ULN2003达林顿管进行驱动；3个电机配合齿轮、链条、橡胶传送带等分别用来控制门、窗户、窗帘的机械动作，如图14所示。

图14　三路步进电机控制图

图15　执行流程图

3系统执行流程

当目标板上电以后，所有板载系统进行初始化操作，GSM模块进行入网，入网成功后模块上面的红色指示灯以很短的间隔闪烁；蓝牙模块与手机开始配对，配对成功后HC-05蓝牙模块上面的红色指示灯常亮；家居中的一切设备都处于待机状态，所有照明设施也都处于关闭模式，等候控制端的命令。温度传感器、光敏电阻开始采集传感信息，温度值会动态刷新显示在数码管上面。执行流程如图15所示。

4结语

本文以智能家居系统中的各要素为主要研究对象,选用MSP430F149作为控制器，并通过HC-05蓝牙及GSM模块与家庭组件进行通信，实现了对家居设备的控制和管理，该系统具有实时性、高效率、性价比高等特点，为人们带来了一种轻松愉快的生活方式。

参考文献：

[1] 魏小龙.MSP430系列单片机接口技术及系统设计实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002.1-20.

[2] 李霞.基于蓝牙技术的GSM远程抄表系统设计与研究[M].西安：陕西科学技术出版社，2007.2-6.

[3] 朱刚,谈振辉,周贤伟.蓝牙技术原理与协议[M].北京：清华大学出版社,2002.1-20.

[4] 卢瑛.基于MSP430电能表的设计研究与应用[D].杭州：浙江大学硕士学位论文，2010.

[5] 朱志平.基于磁敏电阻的齿轮转速传感器的设计[J].渭南师范学院学报，2015,30(2)：30-37.

【责任编辑牛怀岗】

我校获批首批“陕西众创空间孵化基地”

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Smart Home Management System Based on MSP430 and Bluetooth Module

ZHU Zhi-ping

(School of Mathematics and Physics, Weinan Normal University, Weinan 714099, China)

Abstract:The control and management to the smart home system has been achieved by communicating with the HC-05 Bluetooth module, GSM module and family components and using MSP430F149 as controller. The system has advantages of real-time performance, high efficiency and high cost performance, and provides people with a fast and convenient way of life.

Key words:MSP430F149; HC-05 Bluetooth module; GSM module; smart home

作者简介：朱志平(1959—)，男，陕西武功人，渭南师范学院数理学院副教授，主要从事电子电气工程研究。

基金项目：陕西省国际合作交流项目：红外成像系统半实物仿真研究(2013kw04-03)；渭南师范学院特色学科建设项目：电气工程与秦东工业(14TSXK07)

收稿日期：2015-10-25

中图分类号:TP212

文献标志码:A

文章编号：1009-5128(2016)04-0024-09

【现代应用技术研究】