基于物联网的室内智能控制系统设计

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1、基于物联网的室内智能控制系统设计基于物联网的室内智能控制系统设计（ 学院物理系，山东德州 253023）摘 要 本设计采用 MSP430 单片机作为室内智能控制系统的控制核心，配以直流电源、无线传 输、声光报警、外部存储、烟雾检测、人体检测、贵重物品检测、键盘、显示等外围电路，实现 了智能、自动监视室内环境状况的功能。被监控室内利用热释电、烟雾传感器配以蜂鸣器和 LED 实现人体、烟雾检测和声光报警功能；选择 4*4 矩阵键盘输入密码实现解警功能；用光电 开关检测室内人员的进出情况；选用 ISD4002 语音电路实现语音提示功能；利用外置存储器保 存检测信息，以备随时调取查看安防情况；利用 n

2、RF905 无线射频传输和异步通讯模式实现异地、 网络监控；选用声磁防盗系统检测贵重物品的进出情况。该系统成本低，适用于室内，能自动监 视室内的安防情况，有异常情况发生时能立即发出报警和求助信息，以免家庭成员的生命财产受 到损失。关键词 MSP430； 无线传输； 声光报警； 异地监控1 绪论物联网的概念是在 1999 年提出的。物联网的英文名称叫“The Internet of things” ，它是将各种信息传感设备，如射频识别（RFID）装置、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等种种装置与互联网结合起来而形成的一个巨大网络。其目的是让所有的物品都与网络连接在一起，系统可以自动、实时的对

3、物体进行识别、定位、追踪、监控并触发相应事件。2005 年，国际电信联盟正式提出了“物联网”的概念并描绘了“物联网”时代的图景：当司机出现操作失误时汽车会自动报警；公文包会提醒主人忘带了什么东西；衣服会“告诉”洗衣机对颜色和水温的要求等等1。目前，我国已形成基本齐全的物联网产业体系，部分领域已形成一定市场规模，网络通信相关技术和产业支持能力与国外差距相对较小，传感器、RFID 等感知端制造产业、高端软件和集成服务与国外差距相对较大1。物联网有形成巨大市场的潜力，但潜在空间转化为现实市场还需要较长时间的培育，关键点是通过技术和应用创新形成新兴业态和新增市场。随着科技的提高，经济的发展，人们的物质

4、生活水平的提高，对家居环境的要求也越来越高，作为家居智能化的核心部分智能自动控制系统也越发显得重要，智能化控制的开发和建设是未来国家、经济发展的必然趋势2,3。基于物联网的室内智能控制系统设计，目的就是利用物联网设计一个低成本的报警系统，该系统应用于室内，能自动监视室内的安全情况，有异常情况发生时能立即发出报警和求助信息，以免家庭成员的生命和财产受到损失。本设计以MSP430单片机为核心对室内各项指标进行实时监控，希望实现人体检测、烟雾检测、声光报警、键盘解警、异地监控、室内人员进出情况、提示锁门、多房间网络控制以及贵重物品检测等功能。各检测单元及其从机能独立完成各自功能，同时能根据主机的指令

5、对各项指标进行实时采集。主机负责控制指令的发送，以控制各个从机的数据采集，并对测量数据（包括历史数据）进行整理、显示和存储。主机与各从机之间也能够相互联系、相互协调，从而达到系统整体统一、和谐的效果。2 系统方案2.1 系统总体方案本系统主要由电源模块，控制器模块，键盘模块，外部存储模块，无线传输模块，声光报警模块，显示模块，人体检测模块，烟雾检测模块，贵重物品检测模块等构成。2.2 系统总体结构框图本系统采用微控制器（单片机）作为室内智能控制系统的控制核心，配以直流电源、无线传输、声光报警、外部存储、烟雾检测、人体检测、贵重物品检测、键盘、显示等外围电路，实现了智能、自动监视室内环境状况的功

6、能。根据系统的总体方案，系统的结构框图如图 2.1 所示。微控制器 MSP430 (主机)显示模块键盘 电路外部 存储无线 传输声光 报警直流电源微控制器 MSP430 (从机)贵重物品检测直流电源无线 传输人体 检测烟雾 检测声光 报警显示 模块键盘 电路图 2.1 系统结构框图3 系统硬件电路设计3.1 控制器模块3.1.1 单片机的概述单片机，又称为微控制器。是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A

7、/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统4。单片机的主要特点：有优异的性能价格比；集成度高、体积小、可靠性高；控制功能强；低电压、低功耗。单片机的主要应用领域有：工业控制、仪器仪表、电信技术、办公自动化和计算机外部设备、汽车和节能、制导和导航等5。3.1.2 方案选择方案一：采用 ATMEL 公司的 AT89C51 作为控制核心。51 单片机价格便宜，应用广泛，但运算速度较低，内部资源较少，且自身功耗相对较高，难以满足系统要求。方案二：采用 16 位低功耗单片机 MSP430 作为控制核心。它具有丰富的 I/O 口与外部中断，运算速度快，处理能力强，片内资源丰富，而且

8、低功耗。因为 MSP430 的功耗比 51 的低且其 I/O 口多，运算速度快，所以我选择方案二。MSP430 单片机的最小系统原理图如图 3.1 所示。其中包括 MSP430 单片机、复位电路、起振电路、3.3V 电源电路6,7。12Y18MC 13 30PC 11 30PXT2INXT2OUTADJ1Vout2Vin3U110ufC 12103C 10GNDDS1300R 26+3.3132S3+5RSTXT2IN XT2OUTX132.768K+3.30000R 1GNDP1.5/TA017P1.6/TA118P1.7/TA219P2.0/ACLK20P2.1/TAINCLK21P2.2

9、/CAOUT/TA022P2.3/CA0/TA123P2.4/CA1/TA224P2.5/Rosc25P2.6/ADC12CLK/DMAE026P2.7/TA027P3.0/STE028P3.1/SIMO0/SDA29P3.2/SOMI030P3.3/UCLK0/SCL31P3.4/UTXD032P3.5/UR XD033P3.6/UTXD134P3.7/UR XD135P4.0/TB 036P4.1/TB 137P4.2/TB 238P4.3/TB 339P4.4/TB 440P4.5/TB 541P4.6/TB 642P4.7/TB C LK43P5.0/STE144P5.1/SIM O1

10、45P5.2/SOM I146P5.3/UC LK147P5.4/M C LK48DVcc1 P6.3/A32 P6.4/A43 P6.5/A54 P6.6/A6/DAC 05 P6.7/A7/DAC 1/SVSIN6 VR EF+7 XIN8 XOUT/TC LK9 VeR EF+10 VR EF-/VeR EF-11 P1.0/TAC LK12 P1.1/TA013 P1.2/TA114 P1.3/TA215 P1.4/SM C LK16P5.5/SMCLK49P5.6/ACLK50P5.7/TBoutH/SVSOUT51XT2OUT52XT2IN53TDO/TDI54TDI55TMS56

11、TCK57RST/NMI58P6.0/A059P6.1/A160P6.2/A261AVss62DVss63AVcc64MSP430F168IPMGNDS210KR 25105C 9+3.3RSTGND人人人人人人人人人人人人12 34 56 78 910P5+5112233445566S1GNDVC C+512 34P14 GNDVC C图 3.1 MSP430 最小系统原理图3.2 电源模块方案一：采用开关直流稳压电源。开关电源功率大，效率高，但是纹波大，价格相对较高。方案二：采用线性直流稳压电源。该类电源制作简单，输出稳定，性价比高。两个方案对比之后，我选择方案二。其原理图如图 3.2 所

12、示。220V/50Hz 的交流电经过变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路后能够转换成稳定的直流电源8,9。由 7812、7809、7805 集成稳压块分别得到12V、+9V 、+5V 电压，为整个系统供电。D21N4007D41N4007D11N4007D31N4007VinVout GNDU17812C14700uFC3 100uFC2 104C5 104C4 100uFGNDVinVout GNDU27809VinVout GNDU378051 2 3 4J1123INPUT12V9V5VGND图 3.2 直流稳压电源原理图3.3 键盘模块方案一：采用独立式按键。此类键盘采用独立键盘扫描方

13、式，电路设计简单，编程相对容易，但对单片机资源占用较多，不利于系统整体功能的实现。方案二：采用 4*4 矩阵式键盘输入。矩阵键盘为行列扫描方式，在按键较多时可以大大节省 I/O 接口，控制方便，有利于实现系统的多功能要求。综合考虑，我选择了方案二。其原理图如图 3.3 所示。K1K2K3K4K9K10K11K12K5K6K7K8R1R2L1L2L3L41KR15 1KR16 1KR17 1KR18GND+3.3X1X2X3X4K13K14K15K16K17K18K19K20R3R41KR281KR291KR301KR31+3.3图 3.3 键盘原理图行列式非编码键盘是一种把所有按键排列成行列矩

14、阵的键盘。在这种键盘中，每根行线和列线的交叉处都皆有一个按键，每当某个按键被按下时，与这个按键相连的行线和列线就会接通，否则是断开状态10。3.4 外部存储模块采用可电擦除可编程只读存储器 AT24C02。AT24C02 是低工作电压的 2K 位串行电可擦除只读存储器，内部组织为 256 个字节，每个字节 8 位，该芯片被广泛应用于低电压及低功耗的工商业领域11。而且其电路接线简单，修改数据灵活，断电后数据不会丢失12。主要特性：（1）工作电压：1.8V5.5V；（2）输入/输出引脚兼容 5V；（3）应用在内部结构：256x8（2K） ；（4）二线串行接口；（5）输入引脚经施密特触发器滤波抑制

15、噪声；（6）双向数据传输协议；（7）兼容 400KHz（1.8V，2.5V，2.7V，3.6V） ；（8）支持硬件写保护；（9）高可靠性：读写次数：1,000,000 次数据保存：100 年。其原理图如图 3.4 所示。E01E12E23GND4SDA5SC L6WC7VC C8U1AT24C 02GND10KR 1210KR 11+5P31P32图 3.4 外部存储原理图3.5 无线传输模块3.5.1 方案选择方案一: 采用 PT2262/2272 编解码芯片。PT2262/2272 传输距离近，信号传输速率低，抗干扰能力差，数据编码方式单一。方案二：采用 nRF905 无线收发器。nRF9

16、05 无线收发芯片具有功耗低、传输速度快、传输距离远等优点，使用 SPI 接口与微控制器通信，控制简单。综合考虑，我选用方案二。3.5.2 nRF905 概述nRF905 单片无线收发器工作在 433/868/915MHz 的 ISM 频段。由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体振荡器和一个调节器组成。电流消耗很低，在发射功率为-10dBm 时，发射电流为 11mA，接收电流为 12.5mA，进入 POWERDOWN 模式可以很容易实现节电13。本系统采用 nRF905 无线收发模块，完成无线传输，实现异地监控。其原理图如图 3.5 所示。图 3.5 无线收发原理图3.6 声光报警模块为区分人体与烟雾检测和提示锁门两项报警功能，本设计分为两种报警方式。当检测到人和烟雾时采用蜂鸣器和 LED 进行声光报警，当检测到室内无人时采用语音报警。3.6.1 ISD4002 概述ISD4002 语音收发芯片工作电压为 3V，单片录放时间 4 至 8 分钟，音质好，适用于移动电话及其他便携式电子产品中。