傳統(tǒng)的智能家居以住宅為平臺(tái)，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將家庭中的可連接設(shè)備集成，以構(gòu)建高效的家庭日程事務(wù)管理系統(tǒng)，提高生活品質(zhì)[1]。本系統(tǒng)最大的特色就是利用超低功耗的MSP430作為主控單元，采用Zigbee技術(shù)將家庭的電氣設(shè)備相關(guān)聯(lián)以組建家庭局域網(wǎng)。并通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wire1ess Sensor Networks，WSN）感知環(huán)境參數(shù)，通過(guò)MSP430控制相關(guān)電氣設(shè)備以實(shí)現(xiàn)家庭自動(dòng)化。并利用無(wú)縫覆蓋GSM網(wǎng)絡(luò)將家庭中的訊息傳送給主人。通過(guò)Labview作為上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和綜合管理控制。以構(gòu)建智慧的家居，讓家庭更懂人，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。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析
通過(guò)ZigBee組成的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)連接各個(gè)節(jié)點(diǎn)，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采回上位機(jī)處理分析學(xué)習(xí)，利用CPU控制各個(gè)模塊運(yùn)行，同時(shí)接受上位機(jī)的干預(yù)控制，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1-1所示。
1.1 中央處理模塊
本系統(tǒng)的中央處理模塊的核心是TI公司的MSP430F4616，MSP430是TI公司推出的一種16位超低功耗，具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器（Mixed Signal Processor），根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，集成了大量片內(nèi)外設(shè)。由于其超低功耗和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，該系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用于便攜式儀器儀表中。MSP430F4616具有92K閃存，4KRAM，12位ADC，DMA，I2C，SPI，PWM輸出，160段式LCD等豐富的片內(nèi)外設(shè)。極大的減輕了開(kāi)發(fā)成本。本系統(tǒng)因此選擇該芯片作為主控單元。
1.2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN），具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)所有者。傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸?shù)娜N功能[2]。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)以其優(yōu)越性在軍事戰(zhàn)場(chǎng)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、自然環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制、智能樓宇、交通監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)環(huán)境等眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是采用的ZigBee技術(shù)，它是一種高可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，類(lèi)似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)，ZigBee數(shù)傳模塊類(lèi)似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75米到幾百米、幾公里，并且支持無(wú)線擴(kuò)展。它的特點(diǎn)是：低功耗、低數(shù)據(jù)量、低成本，使用免費(fèi)頻段2.4G，高抗干擾，高保密性，自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)[3]。ZigBee的通信流程圖如圖1-2所示。
1.3 上位機(jī)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用NI公司的LabView作為上位機(jī)的開(kāi)發(fā)軟件，LabView與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別就是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。因?yàn)槠漭^為容易的開(kāi)發(fā)難度，相對(duì)其他開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，LabView的開(kāi)發(fā)時(shí)間大大縮短。而且LabView具有良好的平臺(tái)一致性，除了能夠運(yùn)行在常見(jiàn)的三大操作系統(tǒng)上，還支持各種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式設(shè)備，如PDA、FPGA等。通過(guò)Labview中的儀器I/O助手實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外界交流數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)上位機(jī)主要完成的功能是1：采集各個(gè)時(shí)間段的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)；2：根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)繪制出波形圖，并在面板上顯示；3：通過(guò)分析測(cè)量數(shù)據(jù)分析主人的生活習(xí)慣，并據(jù)其控制相關(guān)電氣設(shè)備，做到更智慧；4：歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)；5：通過(guò)上位機(jī)的提供的控制面板干預(yù)控制結(jié)果或預(yù)設(shè)控制效果等。
1.4 GSM模塊
GSM模塊采用SIM300。SIM300使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)界面，使得具備GSM/GPRS 900/1800/1900MHz功能的SIM300C以小尺寸和低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸。內(nèi)嵌強(qiáng)大的TCP/IP協(xié)議棧，通過(guò)AT命令控制（支持GSM07.07、07.05和增強(qiáng)AT命令），SIM300憑借其優(yōu)良性能廣泛應(yīng)用于許多方面，如WLL、M2M、手持設(shè)備等。本系統(tǒng)通過(guò)LabView中的儀器I/O口助手實(shí)現(xiàn)串口通信，達(dá)到遠(yuǎn)程查詢(xún)、報(bào)警的目的。SMS操作的基本AT指令有：AT^SMSO 關(guān)機(jī)；AT+CMGL=0 讀取未讀短信；AT+CSCA？ 讀取短信中心號(hào)碼……
SIM300的基本連接電路如圖1-2所示
1.5 其他模塊設(shè)計(jì)
（1）、溫度監(jiān)測(cè)電路，采用美信公司的DS18B20，在房間設(shè)置多個(gè)節(jié)點(diǎn)，測(cè)平均溫度得到準(zhǔn)確的環(huán)境溫度，通過(guò)學(xué)習(xí)得到預(yù)設(shè)溫度，讓人感覺(jué)更舒暢。通過(guò)變頻改變空調(diào)的溫度，使其更省電。還可以在主人下班前把溫度提前調(diào)節(jié)到預(yù)設(shè)位置，并通過(guò)GSM告知主人。
（2）、光照強(qiáng)度用BH1750FVI芯片，把光照強(qiáng)度檢測(cè)出來(lái)后，通過(guò)PWM調(diào)光的方式控制高亮燈的亮度，使其發(fā)出的柔和不刺眼。同時(shí)用熱式紅外傳感器檢測(cè)房間內(nèi)是否有人，當(dāng)有人進(jìn)入的時(shí)候，燈打開(kāi)至適當(dāng)亮度，人離開(kāi)后燈熄滅，如果是臥室，當(dāng)人入睡前滅燈，如果半夜有人走動(dòng)的話，只要沒(méi)有報(bào)警，則燈隨人動(dòng)。讓照明系統(tǒng)更智慧，更加人性化。其基本電路如圖1-2所示。
（3）、報(bào)警模塊包括闖入報(bào)警，可燃?xì)怏w報(bào)警，過(guò)載報(bào)警。警報(bào)除 了在室內(nèi)有聲光報(bào)警外，還會(huì)通過(guò)GSM模塊發(fā)送報(bào)警短信給主人，告知其及時(shí)處理�？扇�?xì)怏w用MQ-2氣體傳感器檢測(cè)，過(guò)載通過(guò)檢測(cè)串在主干路中的電流大小判斷，如果是可燃?xì)怏w報(bào)警和過(guò)載報(bào)警，將會(huì)分別切斷燃?xì)忾_(kāi)關(guān)和電源開(kāi)關(guān)。闖入報(bào)警一旦觸發(fā)，只有通過(guò)人工復(fù)位后才可解除。
（4）、濕度控制，濕度檢測(cè)采用SHT10，人在干燥環(huán)境下會(huì)感到皮膚不舒服，而長(zhǎng)期在潮濕情況下容易生病，測(cè)得空氣濕度后可以控制窗戶(hù)的開(kāi)關(guān)來(lái)控制通風(fēng)狀況，從而控制室內(nèi)濕度，如果還不能夠改善，則控制加濕器加濕、除濕器除濕。
2.軟件設(shè)計(jì)
采用MSP430F4616作為主控芯片，通過(guò)輪詢(xún)ZigBee傳回的數(shù)據(jù)，檢測(cè)環(huán)境值，再通過(guò)ZigBee傳回控制字，以實(shí)時(shí)控制環(huán)境變量。過(guò)載報(bào)警模塊采用中斷的方式，一旦觸發(fā)報(bào)警，立即進(jìn)入中斷。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖2-1所示
3.總結(jié)
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，智慧家居作為物聯(lián)網(wǎng)不可或缺的一環(huán)將會(huì)走入千家萬(wàn)戶(hù)，而現(xiàn)在制約智慧發(fā)展的瓶頸無(wú)非價(jià)格和智慧不智慧，沒(méi)有良好的體驗(yàn)：不穩(wěn)定，不人性化，人機(jī)界面不友好等等。但越來(lái)越多的科技企業(yè)將眼光投向這里，相信會(huì)有越來(lái)越好的產(chǎn)品問(wèn)世。本系統(tǒng)采用超低功耗的MSP430作為主控單元，結(jié)合可以無(wú)線組網(wǎng)的ZigBee技術(shù)，布線方便，利用可以大大節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間的圖形化編程軟件LabView，提供了一種較好的思路。同時(shí)，與其他智能家居設(shè)計(jì)很大的不同就是，本系統(tǒng)最大限度的實(shí)現(xiàn)家庭自動(dòng)化，不需要人過(guò)多的干預(yù)控制，真正實(shí)現(xiàn)智慧的家居。具有成本低、超低功耗、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、易組網(wǎng)。本設(shè)計(jì)在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。
通過(guò)ZigBee組成的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)連接各個(gè)節(jié)點(diǎn)，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采回上位機(jī)處理分析學(xué)習(xí)，利用CPU控制各個(gè)模塊運(yùn)行，同時(shí)接受上位機(jī)的干預(yù)控制，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1-1所示。
1.1 中央處理模塊
本系統(tǒng)的中央處理模塊的核心是TI公司的MSP430F4616，MSP430是TI公司推出的一種16位超低功耗，具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器（Mixed Signal Processor），根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求，集成了大量片內(nèi)外設(shè)。由于其超低功耗和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，該系列單片機(jī)廣泛應(yīng)用于便攜式儀器儀表中。MSP430F4616具有92K閃存，4KRAM，12位ADC，DMA，I2C，SPI，PWM輸出，160段式LCD等豐富的片內(nèi)外設(shè)。極大的減輕了開(kāi)發(fā)成本。本系統(tǒng)因此選擇該芯片作為主控單元。
1.2 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)
無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN），具有低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量的靜止或移動(dòng)的傳感器以自組織和多跳的方式構(gòu)成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸網(wǎng)絡(luò)覆蓋地理區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息，并最終把這些信息發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)所有者。傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸?shù)娜N功能[2]。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)以其優(yōu)越性在軍事戰(zhàn)場(chǎng)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、自然環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制、智能樓宇、交通監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)環(huán)境等眾多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)是采用的ZigBee技術(shù)，它是一種高可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，類(lèi)似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)，ZigBee數(shù)傳模塊類(lèi)似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75米到幾百米、幾公里，并且支持無(wú)線擴(kuò)展。它的特點(diǎn)是：低功耗、低數(shù)據(jù)量、低成本，使用免費(fèi)頻段2.4G，高抗干擾，高保密性，自動(dòng)動(dòng)態(tài)組網(wǎng)[3]。ZigBee的通信流程圖如圖1-2所示。
1.3 上位機(jī)設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用NI公司的LabView作為上位機(jī)的開(kāi)發(fā)軟件，LabView與其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的顯著區(qū)別就是圖形化編輯語(yǔ)言G編寫(xiě)程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。因?yàn)槠漭^為容易的開(kāi)發(fā)難度，相對(duì)其他開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，LabView的開(kāi)發(fā)時(shí)間大大縮短。而且LabView具有良好的平臺(tái)一致性，除了能夠運(yùn)行在常見(jiàn)的三大操作系統(tǒng)上，還支持各種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和嵌入式設(shè)備，如PDA、FPGA等。通過(guò)Labview中的儀器I/O助手實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與外界交流數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)上位機(jī)主要完成的功能是1：采集各個(gè)時(shí)間段的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)；2：根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)繪制出波形圖，并在面板上顯示；3：通過(guò)分析測(cè)量數(shù)據(jù)分析主人的生活習(xí)慣，并據(jù)其控制相關(guān)電氣設(shè)備，做到更智慧；4：歷史數(shù)據(jù)查詢(xún)；5：通過(guò)上位機(jī)的提供的控制面板干預(yù)控制結(jié)果或預(yù)設(shè)控制效果等。
1.4 GSM模塊
GSM模塊采用SIM300。SIM300使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)界面，使得具備GSM/GPRS 900/1800/1900MHz功能的SIM300C以小尺寸和低功耗實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸。內(nèi)嵌強(qiáng)大的TCP/IP協(xié)議棧，通過(guò)AT命令控制（支持GSM07.07、07.05和增強(qiáng)AT命令），SIM300憑借其優(yōu)良性能廣泛應(yīng)用于許多方面，如WLL、M2M、手持設(shè)備等。本系統(tǒng)通過(guò)LabView中的儀器I/O口助手實(shí)現(xiàn)串口通信，達(dá)到遠(yuǎn)程查詢(xún)、報(bào)警的目的。SMS操作的基本AT指令有：AT^SMSO 關(guān)機(jī)；AT+CMGL=0 讀取未讀短信；AT+CSCA？ 讀取短信中心號(hào)碼……
SIM300的基本連接電路如圖1-2所示
1.5 其他模塊設(shè)計(jì)
（1）、溫度監(jiān)測(cè)電路，采用美信公司的DS18B20，在房間設(shè)置多個(gè)節(jié)點(diǎn)，測(cè)平均溫度得到準(zhǔn)確的環(huán)境溫度，通過(guò)學(xué)習(xí)得到預(yù)設(shè)溫度，讓人感覺(jué)更舒暢。通過(guò)變頻改變空調(diào)的溫度，使其更省電。還可以在主人下班前把溫度提前調(diào)節(jié)到預(yù)設(shè)位置，并通過(guò)GSM告知主人。
（2）、光照強(qiáng)度用BH1750FVI芯片，把光照強(qiáng)度檢測(cè)出來(lái)后，通過(guò)PWM調(diào)光的方式控制高亮燈的亮度，使其發(fā)出的柔和不刺眼。同時(shí)用熱式紅外傳感器檢測(cè)房間內(nèi)是否有人，當(dāng)有人進(jìn)入的時(shí)候，燈打開(kāi)至適當(dāng)亮度，人離開(kāi)后燈熄滅，如果是臥室，當(dāng)人入睡前滅燈，如果半夜有人走動(dòng)的話，只要沒(méi)有報(bào)警，則燈隨人動(dòng)。讓照明系統(tǒng)更智慧，更加人性化。其基本電路如圖1-2所示。
（3）、報(bào)警模塊包括闖入報(bào)警，可燃?xì)怏w報(bào)警，過(guò)載報(bào)警。警報(bào)除 了在室內(nèi)有聲光報(bào)警外，還會(huì)通過(guò)GSM模塊發(fā)送報(bào)警短信給主人，告知其及時(shí)處理�？扇�?xì)怏w用MQ-2氣體傳感器檢測(cè)，過(guò)載通過(guò)檢測(cè)串在主干路中的電流大小判斷，如果是可燃?xì)怏w報(bào)警和過(guò)載報(bào)警，將會(huì)分別切斷燃?xì)忾_(kāi)關(guān)和電源開(kāi)關(guān)。闖入報(bào)警一旦觸發(fā)，只有通過(guò)人工復(fù)位后才可解除。
（4）、濕度控制，濕度檢測(cè)采用SHT10，人在干燥環(huán)境下會(huì)感到皮膚不舒服，而長(zhǎng)期在潮濕情況下容易生病，測(cè)得空氣濕度后可以控制窗戶(hù)的開(kāi)關(guān)來(lái)控制通風(fēng)狀況，從而控制室內(nèi)濕度，如果還不能夠改善，則控制加濕器加濕、除濕器除濕。
2.軟件設(shè)計(jì)
采用MSP430F4616作為主控芯片，通過(guò)輪詢(xún)ZigBee傳回的數(shù)據(jù)，檢測(cè)環(huán)境值，再通過(guò)ZigBee傳回控制字，以實(shí)時(shí)控制環(huán)境變量。過(guò)載報(bào)警模塊采用中斷的方式，一旦觸發(fā)報(bào)警，立即進(jìn)入中斷。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖2-1所示
3.總結(jié)
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，智慧家居作為物聯(lián)網(wǎng)不可或缺的一環(huán)將會(huì)走入千家萬(wàn)戶(hù)，而現(xiàn)在制約智慧發(fā)展的瓶頸無(wú)非價(jià)格和智慧不智慧，沒(méi)有良好的體驗(yàn)：不穩(wěn)定，不人性化，人機(jī)界面不友好等等。但越來(lái)越多的科技企業(yè)將眼光投向這里，相信會(huì)有越來(lái)越好的產(chǎn)品問(wèn)世。本系統(tǒng)采用超低功耗的MSP430作為主控單元，結(jié)合可以無(wú)線組網(wǎng)的ZigBee技術(shù)，布線方便，利用可以大大節(jié)約開(kāi)發(fā)時(shí)間的圖形化編程軟件LabView，提供了一種較好的思路。同時(shí)，與其他智能家居設(shè)計(jì)很大的不同就是，本系統(tǒng)最大限度的實(shí)現(xiàn)家庭自動(dòng)化，不需要人過(guò)多的干預(yù)控制，真正實(shí)現(xiàn)智慧的家居。具有成本低、超低功耗、體積小、抗干擾能力強(qiáng)、易組網(wǎng)。本設(shè)計(jì)在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中表現(xiàn)出優(yōu)越的性能。
