基于MSP430的智能家居系统设计

陈昊亮，赵生，孔晨晨，章昊，李金泽

（苏州大学电子信息学院，苏州　215006）

基于MSP430的智能家居系统设计

陈昊亮，赵生，孔晨晨，章昊，李金泽

（苏州大学电子信息学院，苏州215006）

0　引言

1984年，美国联合科技对一栋旧式大楼进行了全面的智能化改造，将最新的计算机系统应用于大楼的控制，实现了对整个建筑的照明系统、暖通设备和电梯设备的控制和监测，由此智能建筑开始进入了人们的视野［1］。之后，家庭自动化便渐渐地进入人们的视野，在家庭内部的各种电子设备通过电路或是网络连接在一起，方便用户进行自动化控制。随着通信与信息技术的发展，智能家居系统的早期模型也随之出现，在系统中，各种具有不同功能的设备通过各种总线技术连接在一起，由控制中心进行统一监测、控制、管理。2009年温家宝总理提出“感知中国”，由此智能家居获得了良好的发展环境，在国内也受到了高度的重视。借助物联网强劲的发展势头，智能家居获得了较好的发展环境，由此智能家居研发工作进入发展的快车道［2-3］。

虽然在国内，智能家居的发展迅速，但产品仍存在功能不完善、工作状态不稳定和成本较高等主要问题。本文通过对智能家居发展现状的讨论与分析，采用主流的ZigBee、Wi-Fi等主流无线通信技术、传感技术和嵌入式系统技术，根据对居民的需求分析，设计了一套具有实用性和可靠性的智能家居系统，实现家居环境和设备的远程监测与控制。

1　智能家居系统总体方案设计

本文设计的智能家居系统分为三个部分，分别是内部网络、网关控制中心和外部网络，总体架构图如图1所示，以此来实现家居环境和设备的远程监控和智能化。由于无线通信技术的高速发展，也带动了基于无线组网技术的现代智能家居系统地发展。在分析比较各种无线组网技术的基础上，本文以ZigBee无线通信技术构建家庭内部网络，以Wi-Fi无线通信技术组建家庭外部网络，并以MSP430F6638控制器为核心，设计智能家居网关控制中心，设计完成如图1所示的智能家居系统。其中基于MSP430F6638的网关控制中心一方面携带ZigBee的协调器，构建内部网络，实现家居内的设备和环境参数监控，另一方面通过Wi-Fi接入Internet，使用户可以通过外部网络访问智能家居网络控制中心，实现对内部网络的访问。

图1　智能家居系统架构示意图

2　智能家居系统硬件设计

图1所示的智能家居系统的硬件设计主要包括智能家居网关控制中心硬件设计和内部网络的终端节点硬件设计两部分。

2.1基于MSP430F6638的智能家居网关控制中心硬件设计

智能家居硬件系统是整个智能家居系统设计的核心，用于实现外部网络监控内部网络，进而实现智能家居的监控功能，主要由处理器模块、电源模块、Wi-Fi功能模块、ZigBee功能模块、人机交互模块、安全报警模块和扩展接口构成，原理图如图2所示。

（1）处理器模块设计

由于智能家居网管控制中心外围电路复杂，所以设计时，需要利用多个扩展接口来简化硬件设计。本文选择MSP430F6638为网关控制中心核心处理器［4］，MSP430F6638是美国TI公司生产的混合信号处理微控制器，具有超低功耗、片上资源丰富、处理能力强等特点，配合TI提供的CCS集成开发环境有利于快速测试，并实现网关控制中心的各项功能。

（2）电源模块设计

为满足MSP430F6638的电源需求，便于调试，本系统中，特别设计了USB和5V专用电源接口，并且留出开关，实现两种电源的随意切换。由于MSP430F6638需要3.3V供电，而USB和专用电源接口则是5V供电，所以需要选择电源芯片完成5V到3.3V的转换。常见的电源芯片为AMS1117-3.3，它是一款3.3V固定输出低压差线性稳压器，最大输出电流为1A，完全可以满足系统功率需求，同时其内部集成有过热保护和限流电路，并具有输出电压噪声较小的优点，用以保证系统稳定工作。此外，为了避免系统中数字与模拟电源之间的相互干扰，本设计中采用磁珠隔离两种电源，以此来提高电路的可靠性。

图2　网关控制中心原理图

（3）Wi-Fi模块设计

在本设计中，智能家居网关控制中心需要通过Wi-Fi功能模块接入Internet网络，实现用户通过外部网路访问并监控智能家居的各个终端节点。本文选取了Ralink公司的的RM04-Wi-Fi模块来实现基于Wi-Fi的无线通信。该模块支持802.11b/g/n协议，内部集成一个主频高达360MHz的CPU内核，能够在不增加主处理器的负担的情况下处理多项任务。原理图中，MSP430F6638和RM04之间采用UART接口连接，从而实现智能家居网管中心与Internet网络的数据传输，其通信过程如图3所示：

图3　RM04通信示意图

（4）ZigBee功能模块设计

智能家居网关控制中心选用TI公司的CC2530作为ZigBee通信网络中的核心芯片，该芯片集成了Zig-Bee PHY层和MAC层的功能，可用于构建基于ZigBee协议的内部网络。CC2530具有先进的RF收发器、增强型8051内核、片内Flash、RAM和丰富的外设资源，可以在不增加主处理器负担的情况下进行ZigBee协议处理［5］。智能家居网关控制中心上带有ZigBee协调器，两者通过MSP430F6638的P2.4和P2.5两个I/O管脚与CC2530的USART的RX和TX管脚相连，实现双方的异步UART模式通信，从而使主处理器MSP430F6638监控整个内部ZigBee网络。

（5）人机接口模块设计

智能家居网关控制中心提供友好的用户接口，主要采用触摸屏+液晶屏的方式作为人机交互接口，即液晶屏作为显示界面，显示用户所需的信息并提供指令界面；用户通过触摸屏操作液晶屏上显示的指令界面进行对于设备的控制，方便用户通过网关控制中心监控整个系统。

（6）扩展接口模块设计

在网关控制中心硬件设计中主要采用UART接口实现MSP430F6638与ZigBee模块、Wi-Fi模块通信，此外还提供RS-232、USB等外部扩展接口。

①RS-232接口电路

MSP430F6638输出采用3.3V电平逻辑，与RS-232串口的电平逻辑存在很大差别，故采用MAX3232芯片实现两路3.3V电平逻辑到RS-232电平的双向转换，从而实现RS-232接口扩展。

②USB接口电路

MSP430F6638芯片内部集成有一个最大通信速率为12Mbps的USB模块。同时，由于USB模块含有3.3V和1.8V两个LDO稳压器，其电源系统与主板电源管理系统相独立，所以可通过USB为整个MSP430F6638供电。

（7）安全报警模块设计

报警模块采用蜂鸣器，当温度或是烟雾传感器收集到异常数据，在室内利用蜂鸣器发出警报，同时通过Wi-Fi网络向家庭的成员的移动设备发送警报信息。

2.2智能家居系统终端节点硬件设计

智能家居系统通过ZigBee协议通信构成内部Zig-Bee网络，其中网关控制中心携带ZigBee协调器，各个终端节点通过访问ZigBee协调器加入智能家居内部网络，从而实现ZigBee组网。以环境参数采集终端节点为例，采用CC2530为核心，终端节点上设计有温湿度度传感器、光照强度传感器和继电器控制电路，实现家居环境参数采集和传输、家居设备控制等功能，具体电路设计见图4所示原理图。

3　智能家居系统软件设计

本文中，智能家居系统软件设计分为三个部分：（1）网关控制中心软件设计（2）终端节点软件设计（3）智能家居设备云服务应用软件设计。

图4　智能家居系统终端节点硬件设计

3.1基于MSP430F6638的智能家居网关控制中心系统软件设计

网关控制中心软件主要包括系统功能初始化和LCD显示功能、Wi-Fi通信功能和ZigBee通信功能。网关控制中心一方面需要提供智能家居系统室内人机交互功能，另一方面主要实现智能家居设备云服务系统、基于ZigBee组网的终端节点之间的数据通信［6-7］，实现智能家居系统的远程监控，其总体流程图如图5所示。

（1）网关控制中心的系统初始化和显示功能

如图5所示MSP430F6638上电以后首先进行系统时钟的配置，并实现外设以及板级外设初始化，包括通用I/O口、ADC模块、串口通信模块、LCD等。然后进入网关控制中心主程序，执行数据通信任务和自动控制任务，并通过接收人机交互命令和远程监控命令转向相应的处理模块。

（2）ZigBee通信设计

与网关控制中心连接的ZigBee模块作为ZigBee协调器，是整个内部ZigBee网络的控制中心，负责整个网络的建立及其相关配置工作，可以处理终端节点申请加入网络的请求并分发短地址，并储存由终端节点采集的数据，将来自移动设备端的设备控制等命令发送给终端节点，协调器软件流程如图6所示。

（3）Wi-Fi通信设计

网关控制中心的通过WiFi模块接入Internet。当网关控制中心连接Internet成功后，将自动登录智能家居设备云服务系统，便于该网关控制中心的智能家居系统远程控制。由于RM04的具有两种模式，所以模块上电后首先检查已有配置状态是否正常，如果配置正常则进入串口数据透传模式，进行数据的正常传输，如果配置不正常则需要先退出透传模式从而进入AT指令模式进行重新配置［8］。

3.2智能家居系统终端节点软件设计

智能家居系统终端节点的ZigBee模块主要完成两项任务，一是向协调器申请加入网络，并接收其分配的短地址，二是执行本身的应用程序。终端节点通过ZigBee协议与网关控制中心通信，接收并解析监控命令，实现环境参数采集并回传给ZigBee协调器、设备控制等功能，其软件流程如图7所示。

3.3智能家居系统云服务系统软件设计

图6　ZigBee协调器工作流程图

图7　终端节点工作流程图

智能家居系统云服务系统具有固定的域名，并为智能家居提供数据库云服务和通信平台，既可以处理智能家居系统的网关控制中心发起的上线请求，也支持用户通过Web浏览器和手机等移动设备端的App接入云服务系统，从而实现用户基于智能家居云服务系统远程监控与之绑定的智能家居，软件框架方案如图8所示，并具有以下特征功能：

（1）智能家居系统注册功能，每个系统都有一个唯一标识（GUID），并与用户绑定注册。

（2）为已注册的每个智能家居系统提供数据库云服务，存储智能家居的监控信息。

（3）可以接收来自手设备App或Web的注册用户请求，使用户可以监控其绑定的智能家居信息。

（4）可以通过网络，向用户推送与其设备绑定的来自智能家居的数据、报警等信息。

4　结语

本文在对国内外的智能家居发展情况进行充分研究和讨论之后，最终选择了ZigBee无线通信方式和Wi-Fi无线通信方式分别组建家居内部网络和外部网络，同时配合TI的超低功耗微控制器MSP430F6638，设计了一套低成本、实用性高和可靠性好的智能家居系统，从而实现了家居环境和设备的远程监测与控制。系统经测试表明，本文所述设计已实现了智能家居系统的软硬件体系，可以通过移动设备App远程采集智能家居的室内温湿度、光强信息，并可以对室内灯光的进行远程控制。该系统具有可操作性和拓展性，能够满足智能家居系统设计的要求。

图8　智能家居系统云服务软件设计结构图

［1］ITU.ITU Internet Reports 2005：The Internet of Things［R］.Geneva：ITU，2005.

［2］李兰英，杨晨.基于S3C44B0X的智能家居终端控制系统的设计与实现.哈尔滨理工大学学报，12（3）：84-86.

［3］乔季军，王德宁，李玉琳，石坤明.融合ZigBee与WiFi无线技术智能家居系统的设计.自动化仪表，36（12）：48-51.

［4］周金治，徐霞，赵海霞.基于MSP430的嵌入式系统开发与应用［M］.北京：化学工业出版社，2013.

［5］黄磊.基于IEEE 802.15.4 ZigBee技术的智能家居方案研究［D］.武汉科技大学，2009.

［6］沈红卫.单片机通信和组网技术实例详解［M］.北京：电子工业出版社，2014.

［7］李江全，聂晶，梁习卉子，刘新英.单片机串口通信及测控应用实战详解［M］.北京：人民邮电出版社，2014.

［8］王朝华.基于Android的智能家居系统的研究与实现［D］.广东工业大学，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

陈昊亮（1993-），男，浙江宁波人，在读本科生，研究方向为嵌入式系统设计

赵生（1994-），男，江苏兴化人，在读本科生，研究方向为无线通信

孔晨晨（1994-），女，山东曲阜人，在读本科生，研究方向为语音信号处理

章昊（1994-），男，江苏如皋人，在读本科生，研究方向为硬件设计

李金泽（1994-），女，云南保山人，在读本科生，研究方向为语音信号处理

2016-05-10

2016-07-30

为了设计一款完整、稳定、低成本的智能家居系统，促进智能家居的推广，选择美国TI公司的超低功耗微控制器MSP430F6638作为核心控制器，在充分研究无线通信和组网技术的基础上，选择以ZigBee无线通信方式组建家庭内部网络，以Wi-Fi无线通信方式组建家庭外部网络，构建一套实用的智能家居系统，实现家居内部温湿度、光照强度数据采集以及智能灯光控制等。经测试该设计具有较高的可扩展性、可靠性和实用价值，同时为同类产品研发提供参考方案。

智能家居；ZigBee；Wi-Fi；MSP430F6638；嵌入式系统

国家级大学生创新创业训练计划项目（No.201410285034Z）、苏州大学大学生创新创业训练计划

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.