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1、智能家居控制网络设计摘 要本文设计和实现了家用可节能的地暖检测与控制系统，并实现了视频监控功能。本设计采用了MSP430F149为主控器，89C51为各节点的控制器；NRF24L01为无线传输模块；DS18B20为测温模块；12864为液晶显示模块。本设计能实现多节点的温度的检测与控制、无线数据传输、多跳中继视频监控的功能，较好地完成了题目所给的指标。 关键词：MSP430F149；89C51；节能家居；无线传输；温度检测1设计任务与要求1.1设计任务设计一套家用可节能的地暖检测与控制系统，并完成一定的视频监控功能。图1.1 设计示意图1.2设计要求基本要求(1)参考上图所示，A点为地暖供热输
2、入总节点，其他BF为各室内温度 检测节点，各节点位置相对固定，且有稳定的供电电源。要求BF各 节点的监测温度能够以无线方式送给A节点，A点控制三位电磁阀调 节供暖流量，当低于18时，控制三位电磁阀为全开启状态供暖。如 果某屋温度超过20时，则控制三位电磁阀为小流量状态，如果温度 超过22时，则控制三位电磁阀关闭该屋的供暖循环;各节点的测温 误差不超过士5%。注:实验时可用冰水、人体或热风等方式改变温度。(2)要求AF各节点具有节电睡眠功能，每间隔10分钟唤醒一次，进行一次检测以及控制过程。(3)大门口具有视频监控，人员出入门口的时候均具有自动亮灯提示，并可将人员出入时的视频截图存贮起来。发挥部
3、分(1) B-F节点中的某些节点，由于建筑物遮挡，往往不能直接与A点通信， 需要借助其他一个或几个节点间接与A点通信，这就要求各节点具备 多跳中继能力。每个节点的通信距离不超过100m。(3)大门口具有视频监控，人员出入门口的时候均具有自动亮灯提示，并可将人员出入时的视频截图存贮起来。2方案论证与设计2.1总体方案描述为了实现任务中的要求，我们在各检测节点处于节能睡眠状态每隔10分钟唤醒一次，采用了测温模块来检测温度，再经无线传输模块将温度数据传输给总节点处的单片机，单片机判断温度处于何种温度区间从而调节三位电磁阀进而调节室内温度，使室内温度处于正常范围内。在门口处安装红外检测装置与摄像头，红
4、外检测到人体后将信息传输给单片机，单片机再控制摄像头拍照并存贮起来。显示模块显示各个房间的温度情况。图1.1 系统框图2.2微处理器模块的比较和论证本系统各节点距离较远且需要实现各个模块的温度检测和无线数据传输，所以需要各个节点出都使用一个单片机，总计需要六个单片机。方案1：包括总节点在内，所有节点都使用51单片机，因为51单片机性价比高，价格低廉。方案2：总节点使用MSP430F149，其余各节点使用51单片机。51单片机价格低廉，并且完全能够满足各个检测节点的要求。而主节点需要控制摄像头，可是51单片机无法达到这个要求，所以选择价格更高但功能更强大的MSP430F149。综上所述，最终选择
5、方案2。2.3温度测量模块的比较和论证方案1：采用DS18B20数字温度计进行温度检测，DS18B20具有线路简单、体积小、低功耗、高精度、抗干扰能力强等特点的数字温度传感器。测量温度范围为-55+125，在-10+85范围内，精度为0.5。并且性价比高，功能上完全能够满足本系统的要求。方案2：采用DHT11温湿度模块检测温度，可以用来检测周围环境温度与湿度，使用简单、安装方便，但其温度测量误差为2，不能满足题目要求。 综上所述，最终选择方案1。2.4无线传输模块的比较和论证方案1：红外接口是新一代的配置标准，它支持数字设备进行数据交流。红外通讯有着成本低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点
6、，因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。但其通讯距离短，遇障碍物通讯中断；而且红外通讯技术的主要目的是取代线缆连接进行无线数据传输，功能单一，扩展性差。方案2：采用NRF24L01无线传输模块，其传输速率比较快，最大能到2M适合传输大批量数据，要求或者持续时间比较短的应用。并且发射频道高达124个，也就是可允许同时有124个设备同时首发，而互相不干扰。并且具有穿透性和绕射性。考虑到测温装置在各个房间，所以必然会有障碍物，所以放弃方案1。综上所述，最终选择方案2。2.5显示模块的比较和论证方案1：12864液晶显示，12864不仅能显示数字符号，还能显示汉字与图形，操作方法与其他液晶显示相似。
7、屏幕较大（93*70*12.5），价格较高。方案2：采用1602液晶显示，1602能显示字母、数字、符号，但不能显示汉字，而且屏幕较小（69.5*21.8*17.8），价格低。根据题目要求，需要实时显示各个房间的温度，考虑到1602的屏幕较小不能满足这个要求，所以选择屏幕更大的LCD12864。综上所述，最终选择方案1。2.6人体检测模块的比较和论证方案1：采用红外传感器，经过调节红外对管的灵敏度，使其感应的最大范围不会感应到其他物体，当有人经过时会进入红外传感器的感应范围，进而检测到人体。但其难调节、干扰大，不容易实现人体检测功能。方案2：采用HC-SR501红外人体检测装置，基于红外线技术
8、的自动控制模块，采用LH1778探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式。在功能上完全能够满足设计要求，而且价格低廉。综上所述，最终选择方案2。3系统硬件、软件的实现3.1硬件的实现3.1.1 微处理器电路本系统用的MSP430F149最小系统电路如图3.1所示。图3.1 MSP430F149最小系统本系统中同时用到了89C51单片机，其最小系统如图3.2所示。图3.2 89C51最小系统3.1.2 测温模块电路新的“一线器件”DS18B20体积更小，适用电压更宽、更经济，作为一线总线数字化温度床感器，支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55+125，在-10+85范围内，精度为0.5
9、。独特的电源和信号复合在一起，仅适用一条口线，每个芯片唯一编码，支持联网寻址，简单的网络化的温度感知，零功能等待。图3.3 DS18B20电路图3.1.3 无线模块电路nRF24.L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA;接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。图3.4 NRF24L01
10、电路图3.1.4 显示模块电路液晶显示12864在数字电路中，所有的数据都是以0和1保存的，对LCD控制器进行不同的数据操作，可以得到不同的结果。对于显示英文操作，由于英文字母种类很少，只需要8位（一字节）即可。而对于中文，常用却有6000以上，于是我们的DOS前辈想了一个办法，就是将ASCII表的高128个很少用到的数值以两个为一组来表示汉字，即汉字的内码。而剩下的低128位则留给英文字符使用，即英文的内码。图3.5 液晶显示器12864电路图3.1.5 人体检测模块电路HC-SR501是基于红外线技术的自动控制模块，采用德国原装进口LHI778 探头设计，灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模
11、式，广泛应用于各类自动感应电器设备，尤其是干电池供电的自动控制产品。图3.6 HC-SR501电路图3.2软件实现本设计采用的是各节点都备有一个单片机，由单片机来控制无线传输模块进行各节点之间的无线传输，总节点与检测节点的程序流程图如下所示：图3.7 总节点流程图图3.8 检测节点流程图4系统测试4.1测试仪器至此我们已近完成了硬件各功能的调试与软件的编写，为了验证本设计能否按要求完成规定操作，在此做了以下测试。首先测试测温模块的测温是否准确，能否满足题目要求；其次测试无线数据传输、温度控制与视频截图功能。本设计在测试部分不需要太多仪器，只需温度计即可。在改变环境温度时我们使用的是自然风和人体
12、体温。4.2测试结果4.2.1 测温模块测试分别将两个检测节点的测温模块显示的温度记录下来，同时用温度计测试实际温度，计算出测温模块的测量误差并与题目要求的5%比较，判断是否满足题目要求。测试结果如下表：表4.1 测温模块测试结果检测节点序号显示温度实测温度误差是否满足要求135.735.21.42能232.733.42.09能经过测试发现温度检测模块与实际测试温度有些许误差，而误差产生的原因有可能是因为传感器不够灵敏或者在使用温度计测量时使用不当造成的。但误差不大，能满足题目要求。基本要求测试将各个检测节点分离放置，开始测试后检测节点测量温度并将数据传输到总节点，根据传输的温度数据单片机来控
13、制三位电磁阀（用LED灯模拟）进而调节各检测节点处的温度，之后所有节点进入节能睡眠模式。外设视频监控装置与人体红外传感装置，当有人经过时可以感应到，指示灯亮并进行视频截图。测试结果如下表：表4.2 基本要求测试结果序号显示温度实测温度温度误差电磁阀状态睡眠与唤醒视频截图131.532.01.56全开启正常未完成233.233.61.19小流量正常未完成336.336.91.63关闭正常未完成经过测试发现本设计较好的完成了题目中基本部分的要求，温度检测在要求范围内，数据传输、电磁阀模式选择、人体感应都能够正常进行。但视频监视功能未能完成，主要是因为之前从未学习过相关知识，这几天时间太短没能实现该
14、功能。发挥部分测试使用两个检测节点与总节点进行测试，由一个检测节点将数据先传输到另一个检测节点，再由此检测节点传输到总节点，实现一个两跳网络。由一个液晶显示器显示所有房间的温度，并且通过多个三位电磁阀（用LED灯模拟）控制各个房间的供暖量。测试结果如下表：表4.3 发挥部分测试结果序号能否完成无线中继能否显示各房间温度能否控制各房间供暖量1能能能2能能能3能能能经过测验发现本设计圆满的完成了题目中发挥部分所提出的要求，能够进行无线中继、各房间温度显示与供暖量调节。4.3误差分析本设计较好的完成了题目中的要求，绝大多数模块都能正常工作，测温模块检测出的温度与实际测量的温度有差距，这可能是因为测温
15、模块本身有误差，而这个误差是不可避免的，不过此误差还在误差允许范围内。由于之前没有学习过摄像头的相关知识，短期内难以掌握，所以最终没能实现视频监控功能，之后我们会多学习这方面知识并实现这个功能。5总 结经过几天的努力，本组较好的完成了题目的基础部分与发挥部分。实现了各节点具有节能睡眠功能每隔10分钟唤醒一次，开始检测温度，并进行无线传输或无线中继，在总节点显示各房间的温度，总节点处的单片机通过控制三位电磁阀（用LED灯模拟）来调节各检测节点的温度，可惜最终没能完成视频监控功能，之后我们会多学习这方面知识并实现这个功能。本设计较好的达成了任务指标。参考文献1 秦龙.MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲.电子工业出版社,1993.82 张希等.MSP430系列单片机使用C语言程序设计.人民邮电出版社,2004.13 沈建华等.MSP430系列16位超低功耗
