低功耗-智能家居控制系统

摘要（中英文） 基于物联网的思想，系统由三部分组成，终端部分、传输部分和服务器部分，终端部分和传输部分分别由一片 MSP430F2616 单片机控制，终端部分采集、控制，传输部分由一片单片机与 W5100 连接用于连接互联网，在 PC 机上面建有服务器，能在其它客户端访问网页并通过网页控制。Based on the content of “The Internet of things”, this system consists of three parts, terminal part, transmission parts and server part, terminal part and transmission part are both controlled by MCU MSP430F2616.And the terminal part in charge of collecting information and controlling “things“, while the transmission part consists of a MCU and part SW5100 part. There is a server in a PC, we can scan the webpage as a client and control your device via this webpage.1. 引言系统的设计基于物联网的思想，物联网是新一代信息技术的重要组成部分，其英文名称是“The Internet of things”。其基本思想是以互联网为媒介，实现远程监督、控制。它在各个领域有着非常广泛的应用。本系统基于这种思想，提供了一种具体的实现方案，以四个 LED 为例，四个 LED 由控制终端控制，通过传输部分传输到 PC 机服务器端，通过其它互联网端能登陆网页，并能操作控制端，以实现远程监控。本系统除了能控制 4 个 LED，还能够采集温度，并在网页上实时更新，以该系统为模板，可以扩展出更多的功能，实现更为复杂的功能。2. 系统方案 控制部分和传输部分均用 TI 公司 MSP430F2616 主控芯片控制，传输部分由该单片机与 W5100 以太网模块完成网络连接。用户可通过电脑、手机等客户端上网，完成远程监控。系统设计方案用框图如下所示：控制MCU传输部分灯温度湿度PC 机服务器 客户 1客户 3客户 2图 2-13. 系统硬件设计方案论证及选择SPI 转以太网模块方案一：采用独立的以太网控制器 ENC28J60，ENC28J60 采用业界标准串行外设接(SPI) 的以太网控制器 ENC28J60 具有以下主要特征：符合 IEEE 8023协议。内置 10Mbps 以太网物理层器件(PHY)及媒体访问控制器 (MAC)，可按业界标准的以太网协议可靠地收发信息包数据。具有可编程过滤功能。特殊的过滤器，包括 Microchip 的可编程模式匹配过滤器，可自动评价、接收或拒收 Magic Packet，单播(Unicast) 、多播(Multicast)或广播(Broadcast)信息包，以减轻主控单片机的处理负荷。l0bps SPI 接口。业界标准的串行通信端口，使得低至 18 引脚的 8 位单片机也具有网络连接功能。方案二：采用 SPI 转以太网控制器 W5100。W5100 是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成有 10/100 以太网控制器，主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统中。使用 W5100 可以实现没有操作系统的 Internet 连接。 W5100 与 IEEE802.3 10BASE-T 和 802.3u 100BASE-TX 兼容。W5100 内部集成了全硬件的、且经过多年市场验证的 TCP/IP 协议栈、以太网介质传输层（MAC）和物理层（PHY）。硬件 TCP/IP 协议栈支持 TCP，UDP，IPv4，ICMP，ARP，IGMP 和 PPPoE，这些协议已经在很多领域经过了多年的验证。W5100 内部还集成有 16KB 存储器用于数据传输。使用W5100 不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口（Socket）编程。 W5100 提供 3 种接口：直接并行总线、间接并行总线和 SPI 总线。W5100 与 MCU 接口非常简单，就像访问外部存储器一样。 方案选择：ENC28J60 需要用 uip0.9 等转用于微处理器的传输协议，该协议不是标准的 TCP/IP 协议，删减了一些不常用的功能。使用 ENC28J60 必须要开发者熟悉 TCP/IP 协议。W5100 是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成有 10/100 以太网控制器。开发者不需非常要熟悉 TCP/IP 协议。只需要进行上位机的 Socket 编程。所以我们选用 W5100 模块。单片机模块方案一：采用应用最广泛、最传统的 8 位 C51 系列单片机，C51 系列单片机从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器，它的处理对象不是字或字节而是位。但传统的 51 系列也有很多不足之处，当晶振频率为 12MHz 时，系统时钟 12 分频后机器周期只有 1s，运行速度过慢，显然适应不了现代高速运行的需要。工作电压为 5V，没有省电模式，功耗高等缺点。方案二：采用以 LPC2103 为代表的 RAM7 系列单片机， LPC2103 单片机内置 PLL 倍频功能，可将内核的频率升至 70MHz，内部嵌入高速的 Flash，拥有 128 位宽度储存器接口和独特的加速结构使 32 位代码能够在最大时钟速率下运行。但是，RAM7 系列单片机在内部资源相同的条件下价格昂贵，适合于在高端行业中使用。方案三：采用 MSP43F2616 单片机，430 单片机是 TI 公司推出的 16 位的、具有精简指令集的超低功耗单片机，MSP43F2616 其内部自带 12 位的 AD 和DA，还有高达 120Kfash 存储区，4KARM 存储区，2 个 SPI 接口、4 个串口等，其最大特点是可以在线编程和这样可以为编程者调试程序提供很大的便利。其低功耗特点非常适合用在对功耗要求非常严格的环境。方案选择：从上面的介绍可知道：51 单片机价格便宜但功能少，且没有低功耗模式。LPC2103 价格高功耗大，MSP430 不仅功能多、价格合适而且有低功耗模式完全符合系统设计需要，故我们选用 MSP430 作为控制器。温湿度采集模块方案一：淘宝网上买成品模块。店家会给相关资料及一些技术支持。但成本非常高。方案二：自己购买温湿度传感器 DHT11 和 TI 公司温度传感器 TMP121。网上关于这两种传感器的资料相当多，所以很容易驱动传感器正常工作。并且可以更具实际需要更加灵活的设计应用电路。方案选择：通过比较论证我们选择方案二，成本低、系统设计灵活。无线通信模块方案一：XL24L01P-D01 是采用挪威 NORDIC 公司的 nrf24L01p 2.4G 无线收发 IC 设计的一款高性能 2.4G 无线收发模块，采用 GFSK 调制，工作在 2400-2483M 的国际通用 ISM 频段，最高调制速率可达 2MBPS。XL24L01P-D01 集成了所有与 RF 协议相关的高速信号处理部分，如：自动重发丢失数据包和自动产生应答信号等，模块的 SPI 接口可以利用单片机的硬件 SPI 口连接或用单片机的I/O 口进行模拟，内部有 FIFO 可以与各种高低速微处理器接口，便于使用低成本单片机。通信距离开阔地 100 米左右。NRF24L01 可以支持一对多的模式。方案二：采用串口无线通信模块。RF1100-232 无线收发模块，采用 TI 公司的高性能 CC1101 无线通信芯片，433MHz 免费 ISM 频段免许可证使用，串口232/485 通讯方式，透明传输，应用简单无需编程即可使用，极大方便使用，提供多达 256 个信道，低功耗工作，直线传输距离可达 200 米。高抗干扰能力和低误码率，基于 FSK 的调制方式，采用高效前向纠错和信道交织编码技术，提高了数据抗随机干扰和突发干扰的能力。低功耗模块，最大发射功率 10mW 是一款低成本 433MHz 频段无线透传模块。方案选择：方案一通信距离短、功耗相对较大、不易调试。方案二的串口数据传输非常方便我们在调试的时候观察数据，且通信距离更长、功耗更低。故我们选用方案二。室内灯光控制模块、防盗模块、人数统计模块方案一：直接在网上购买模块。方案二：自己设计电路、组装调试。方案选择：方案一成本高而且电路不能再次修改。方案二成本低，电路设计空间大。且对整个系统开发可以再次修改等。故我们选用方案二。模块电路设计SPI 转以太网模块电路串行外围设备 SPI 总线技术是一种同步串口接口，具体的 34 线接口， 收发独立、可同步进行，其硬件功能很强，所以与 SPI 相关的软件相当简单， SPI 总线上可以连接多个可作为主机的 MCU(微控制器)、 有 SPI 接口的输出输入设备， 但在任一瞬间只能允许一个设备作为主机， SPI 协议是以主从方式工作的， 这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备， 其接口包括以下 4 种信号：(1)串行数据输入(也称为主进从出， 或 MISO)(2)串行数据输出(也称为主出从进， 或 MOSI)(3)串行移位时钟(也称为 SCK)(4)从使能信号(也称为 SS)数据的传输由 SCK 决定，根据 SCK 时序的差别分为两种， 数据在 SCK 的上升沿输出或者在 SCK 的下降沿输出。由于 SPI 接口定义的灵活性，同时也导致了各个厂商生产的具有 SPI 接口的芯片在工作时序上并不是一致的，所以使用时需要注意工作时序的差别。W5100 是一款多功能的单片网络接口芯片，内部集成有 10/100 以太网控制器，主要应用于高集成、高稳定、高性能和低成本的嵌入式系统。使用 W5100可以实现没有操作系统的 Internet 连接，兼容 IEEE802.3 10BASE-T 和 802.3U 100BASE-TX。W5100 内部集成全硬件的、经过市场验证的 TCP/IP 协议栈、以TCP,UDP,IPV4,ICMP,ARP,IGMP 和 PPPoE,这些协议已经过多年市场验证。W5100 内部集成有 16K 存储器用于数据传输，使用 W5100 不需要考虑以太网的控制，只需要进行简单的端口（Socket）编程。 W5100 支持 3 种接口电路：直接并行总线、间接并行总线、SPI 总线模式（支持模式 0 和模式 3）。并行总线模式需要占用大量的 IO 口，为了 MCU 可以挂更多的外设，提高系统的应用功能。我们选择 SPI 总线模式。MISO 、MOSI、SCLK、CS、SPI_EN、INT 分别接 MSP430P6.0-P6.5。另外 W5100的 66-73 可以接 LED 灯显示芯片的工作状态。为了降低功耗，没有接 LED。另外我们采用 3.3V 给系统供电。也有效的降低了系统功耗。W5100 采用 25M 的晶振为其提供系统时钟。另外 RJ485 接口有一个电源指示灯和一个数据传输指示灯一直工作。所以 W5100 模块的功率还有待进一步优化。下图是 W5100 与 MSp430 连接示意图：P6.0P6.1P6.2P6.3P6.4P6.5MSP430F2616CS MISOMOSISCLKSPI_ENINTW5100 模块图 3-1单片机模块MSP430F2616 具有 92K 闪存、4KB RAM ；低电压供电 1.8V 至 3.6V；低功耗： 活动模式： 1 MHz、2.2 V 时 365 A ；待机模式（ VLO）： 0.5 A ；关机模式（RAM 保存）： 0.1 A ；从待机模式唤醒只需不到 1 s ；16 位RISC 架构，62.5ns 指令周期时间 ；三通道内部 DMA；具备内部参考（Internal Reference）；采样与保持以及自动扫描特性的 12 位模数（A/D ）转换器 、两个带同步功能的 12 位数模（D/A）转换器 、带三个捕捉 /比较寄存器的 16 位定时器_A 、具备七个捕捉/影子比较寄存器（Compare-With-Shadow Register）的16 定时器_B 、片上比较器 、四个通用串行通信接口（USCI）、USCI_A0 以及 USCI_A1 、支持自动波特率检测的增强型 UART 、IrDA 编码器和解码器 、同步 SPI 、USCI_B0 以及 USCI_B1 I2C 同步 SPI 具备可编程电平检测功能的电源电压监管器/监控器欠压检测器 。本系统只需要单片机最小系统板，单片机外没有加如液晶、点阵等相对MSP430 的“ 大功率”器件。其目的就是降低系统功耗。但同时为了方便以后添加其他应用我们引出了 MSP430F2616 所有的 IO 口，为了方便系统的调试引出了串口 A0 、四个按键接 P1.4-P1.4、四个 LED 等接 P1.0-P1.3。用 JTAG 进行在线调试。DVc11 P6.3/A32 P6.4/A43P6.5/A54 P6.6/A6/DAC05 P6.7/DAC1/SVSIN6VREF+7 XIN8 XOUT9VeREF+10 VREF-/VeREF-1 P1.0/TACLK12P1.1/TA013 P1.2/TA114 P1.3/TA215P1.4/SMCLK16 P1.5/TA017 P1.6/TA118P1.7/TA219 P2.0/ACLK20P2.1/TAINCLK21P2.2/CAOUT/TA02P2.3/CA0/TA123P2.4/CA1/TA224P2.5/ROSC25P2.6/ADC12CLK/DMAE026P2.7/TA027P3.0/STE028P3.1/SIMO0/SDA29P3.2/SIMI030P3.3/UCLK0/SCL31P3.4/UTXD032P3.5/URXD03P3.634P3.735P4.0/TB036P4.1/TB137P4.2/TB238P4.339P4.440P4.5 41P4.6 42P4.7/TBCLK43P5.0 4P5.1 45P5.2 46P5.3 47P5.4/MCLK48P5.5/SMCLK 49P5.6/ACLK 50P5.7/TBOUTH/SVSOUT 51XT2OUT/P8.668XT2IN/P8.769TDO/TDI70TDI/TCLK71TMS72TCK73RST/NMI74P6.0/A075P6.1/A176P6.2/A27AVs78DVs179AVcc80P7.0 54P7.1 5P7.256P7.3 57P7.4 58P7.5 59P7.6 60P7.761DVc2 52DVs2 53P8.062P8.163P8.264P8.365P8.46P8.567 U3MSP4301 23 45 67 89 101 1213 1415 16J2 1 23 45 67 89 101 1213 1415 16J31 23 45 67 89 101 1213 1415 16J4 1 23 45 67 89 101 1213 1415 16J5DV3.3VVref+Veref+ P63P64P65P66P67P10P11P12P13P14P15Vref-P16P17P20P21P22P23P24P25P26P27P30P31P32P33P34P35P36P37P40P41P42P43P44P45P46P47P50P51P52P53P54P55P56P57P60P61P62XOUTC2104Y232768Y18/16MC5 2PC4 2PC3106430_TDO/TDI430_TDI430_TMS430_TCK430_RST12 34 56714 1312 110 98JTAG13.3DVcC1104D21N4148R3 2KR2100KKRST1R1510R D1LED3.3DVc3.3DVcP70P71P72P73P74P75P76P77P80P81P82P83P84P85P0PP2P3P4P5P6P7PPPPPPPPP30P31P2PP4P5P6P7P40P41P42P4PP45P46P47P50P51P52P53P54P55P56P57P60P61P62P63P64P65P66P67 P70P71P72P73P74P75P76P77P80P81P82P83P84P85P86/XT2OP87/XT2IP86/XT2OP87/XT2IC61043.3DVc3.3DVc123.3V123J1UART_TLR4510R D4LEDP36P34P35VrefOVrefI+VrefI-12VrefIN图 3-2无线通信模块无线通信我们采用了市面上已经有的通信模块。本系统采用 TI 公司的CC1101 无线通信芯片做的模块。由于该芯片体积小、对布线有一定的要求，且为了减小系统开发的时间和成本。我们选择了购买市场现有的模块电路直接使用。CC1101 微功率无线数传模块，采用 TI-Chipcon 公司的高性能 CC1101 无线通信芯片(CC1100 芯片的改进版，比 CC1100 更胜一筹，且无缝替换，程序完全相同) ，最大传输数率可达 500Kbps，并可软件修改波特率，开阔地传输距离可达 250-300 米，具有无线唤醒等功能，灵敏度达到-110dBm ，可靠性高。所以非常适合用在智能家居系统中。另外该模块工作在 315/433/868/915MHz ISM/SRD 波段 。对人体的辐射更小。室内灯光控制模块、防盗模块、人数统计模块室内灯光控制子系统我们采用了 4 个 LED 灯模拟室内灯的开关状态控制，采用灌电流的方式驱动 LED 灯。另外用 MSP430 的 P1 作为外部中断入口，检测 4 个开关的状态。系统复位后，web 服务器会给所有的灯发出关灯命令。所有灯均熄灭。当有按键按下时，灯的状态与当前灯的状态相反，并及时发送信息到 web 服务器， web 服务器的数据会马上更新，并显示到网页上。防盗模块子系统采用 555 芯片的单稳态电路，当 2 没有输入时，3 脚输出低电平，电路处于稳态。当人触摸 2 脚（输入低电平）时，电路发生一次反转，3 脚输出高电平。其输出高电平时间 T= 1.1*R*C。同时三极管导通， LED 灯亮、报警器开始报警。MSP430 的 P1.7 检测到上升沿进入中断向 web 服务器发送指令。Web 服务器接收到指令后记录日志并向业主指定的邮箱发邮件。人数统计子系统 采用 2 组红外传感器进行检测。当有传感器被挡住时，比较器输出高电平。MCU 将采集的信号进行处理后，通过 w5100 发送到 web 服务器中。另外该电路能更加精确的统计人数。只有当人先后经过 2 个传感器时，MCU 才会向服务器发送指令。另外该电路也可以用在停车场，统计停车场停放车辆总数或剩余泊位等。下面是各个模块电路图。C3104C447uF/25VQ38050R2人人人人R1 150KR8510R7510R975KD1LEDTRIG2Q 3R4CVolt 5THR6DIS7VCC8GND1U1NE555VCCVCCVCC12J6CON2 Q4NPNU2BUZZER3.3V1K12B3GND4U3YUYING3.3VR4510D3LEDR5510D4LEDR6510D5LEDR3510D2LED3.3Vp332 184U5ALM393R10510 R1410kR161k1122U4AHCNR2001122D6LEDR185kVCCR1151056 7U5BLM393R12510 R1510kR171kD7LEDR195kVCCR135103.3V3.3V1122U434AHCNR200R201kKEY1SW2R211kKEY2SW2R221kKEY3SW2R231kKEY4SW21234J76CON43.3V12345J8CON5+12Vp3人人人人人人人人人人人人人人人人图 3-34. 系统软件设计第一：软件设计总体框图服务器启动是否有连接监听状态接收数据数据库数据发送数据连接是否断开释放连接 ， 结束服务器程序客户端启动请求连接是否得到连接发送各种数据给服务器接受服务器的数据修改灯状态连接是否断开释放连接 ， 结束服务器程序W e b 页面图 4-1TCP/IP 定义了电子设备如何连入因特网，以及数据如何在它们之间传输的标准。协议采用了 4 层的层级结构，每一层都呼叫它的下一层所提供的网络来完成自己的需求。通俗而言：TCP 负责发现传输的问题，一有问题就发出信号，要求重新传输，直到所有数据安全正确地传输到目的地。而 IP 是给因特网的每一台电脑规定一个地址。socket 用于描述 IP 地址和端口，是一个通信链的句柄。在 Internet 上的主机一般运行了多个服务软件，同时提供几种服务。每种服务都打开一个 Socket，并绑定到一个端口上，不同的端口对应于不同的服务。本服务器使用了 socket 编程，tcpip 编程。考虑到报警信息必须接收到，所以通信采用了 tcp 协议。其工作方式如图，服务器主动打开等待连接，接受到连接后和客户端通信并且存储信息，当用户通过 web 改动设备的状态，例如关闭一盏灯，服务器主动发送关灯命令给客户端，客户端接受到命令执行关灯操作，然后再把灯的状态发送到服务器端，服务器再更新数据库，再更新到 web 页面，到此完成一次操作。第二：服务器算法设计本服务器详细算法如下图，首先服务器主动打开，启动两个线程，一个线程用于接收客户端发送过来的数据，一个线程用于向客户端发送数据。接收数据的线程首先判断是否接收到 ip 数据包，如果没有接收到包则继续等待ip 数据包，如果接收到，那么通过程序分析包中的标志位，根据标志位判断 ip包发来的数据是什么数据，T 那么接收到的是室外温度， H 那么接收到的是室外湿度，如图所示。如果接收到的是报警信息，那么首先发送 Email 给房间的业主，然后再将报警的详细情况更新到数据库。之后再次等待 ip 数据。发送数据的线程主要负责向客户端发送请求指令，例如获取室外温湿度的命令，另外发送灯的操作给客户端。服务器判断数据库是否更新，如果更新则说明业主通过 web 对灯发出了操作指令，那么先判断是否到了预设开关灯的时间，如果到了，那么发送相应的操作给客户端，如果没有到，那么发送当前的灯状态给客户端，之后，发送数据的线程再次判断数据库是否更新。服务器启动接收数据的线程启动发送数据的线程启动判断 i p 包中的标志位T : 接收室外温度H : 接收室外湿度I : 接收室内温度L : 接收灯操作A : 接收报警信息P : 接收人员出访信息更新到数据库发送报警E m a i l是否接收到 i p 包数据库是否更新灯信息检测发送获取室外温湿度命令 ：W S是否到定时时间发送定时开关灯命令发送当前灯信息否是否是是否图 4-2第三：客服端程序设计为了实现客户端的低功耗，在 MCU（客服端）程序设计时我们采取了在对各个基本模块初始化成功后向服务器发送必要的模拟电器