CC430F6135的無(wú)線智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)現(xiàn)有家居控制系統(tǒng)功耗大和成本高等缺陷，設(shè)計(jì)了一種基于CC430F6135單片機(jī)的低功耗智能家居控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有功耗低、控制可靠性高、人性化等特點(diǎn)。介紹了CC430F6135芯片內(nèi)部集成的RF無(wú)線模塊特點(diǎn)和家居控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理，給出了硬件設(shè)計(jì)框圖和軟件流程，詳細(xì)分析了中央控制模塊、RF無(wú)線收發(fā)功能模塊和觸摸屏控制模塊。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了采用CC430F6135設(shè)計(jì)家居控制系統(tǒng)的可行性。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有較好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：家居控制；低功耗；CC430F6135；觸摸屏

引言
    科技的不斷進(jìn)步，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的迅猛發(fā)展與應(yīng)用，促使廣大居民家庭實(shí)現(xiàn)了生活方式現(xiàn)代化和居住環(huán)境舒適化與安全化。家居智能化成為了一種趨勢(shì)，智能家居室內(nèi)控制系統(tǒng)包括安防系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、燈光和家電控制系統(tǒng)等。隨著智能家居的不斷發(fā)展，對(duì)控制系統(tǒng)的快速性、便利性、可靠性和低能耗的要求不斷提高。因此，開發(fā)一種低功耗并且方便操作的家居控制系統(tǒng)，能夠彌補(bǔ)目前智能家居的缺陷。
    參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的智能家居控制系統(tǒng)必須依靠Internet網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)家居系統(tǒng)進(jìn)行控制，這大大限制了應(yīng)用場(chǎng)合，使其應(yīng)用具有一定的局限性。參考文獻(xiàn)設(shè)計(jì)的家居控制系統(tǒng)利用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)作為通信工具，但是其必須利用單獨(dú)的外接ZigBee模塊才能完成通信功能，所以制作成本較高。針對(duì)以上缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用MSP430系列單片機(jī)CC430F6135，其不但具有MSP430系列單片機(jī)的低功耗性能，而且具有RF無(wú)線收發(fā)器的功能，這兩種性能充分滿足了低功耗和無(wú)線通信的要求，使得系統(tǒng)的成本降低。本系統(tǒng)采用了觸摸屏來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，方便用戶使用，避免了操作面板上繁瑣器件給使用帶來(lái)的不便。

1 裝置整體運(yùn)行原理
    智能家居系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能大概有以下幾個(gè)方面：
    ①安防功能。目前家庭安防系統(tǒng)主要功能是監(jiān)控非法闖入和門的開關(guān)等。一旦出現(xiàn)問題事件，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出相應(yīng)的信號(hào)給主控制器，及時(shí)通知用戶有情況發(fā)生。
    ②家電控制。對(duì)家電實(shí)行智能控制，用一個(gè)便攜的觸摸屏控制器就可以控制家里的任何電器，包括電視機(jī)、冰箱、空調(diào)、電腦等，還可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)開關(guān)電器等功能。
    ③燈光控制。根據(jù)不同的室內(nèi)自然光強(qiáng)度，可以智能地調(diào)節(jié)發(fā)光強(qiáng)度，外加的光敏控制元件可以感測(cè)外面光的強(qiáng)度，并根據(jù)實(shí)際設(shè)定的要求自動(dòng)調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度。
    智能家居控制系統(tǒng)依靠一個(gè)主控制器來(lái)對(duì)整個(gè)家居進(jìn)行控制，包括家電控制、燈光控制、家庭安防控制等，整個(gè)控制均通過觸摸屏操作完成，方便用戶使用。系統(tǒng)整體框圖如圖1所示，主控制器采用MSP430系列單片機(jī)CC430F6135為核心，其與觸摸屏通過串口進(jìn)行通信，觸摸屏界面包含了家電控制、燈光控制、安防控制3個(gè)部分，點(diǎn)擊其中一個(gè)模塊會(huì)進(jìn)入到相應(yīng)的子模塊中，其詳細(xì)控制流程在軟件部分會(huì)詳細(xì)介紹。當(dāng)觸動(dòng)一個(gè)功能后，觸摸屏通過串口傳遞給CC430F6135控制指令，CC430F6135分析指令并通過其內(nèi)部集成的RF無(wú)線收發(fā)模塊將控制指令發(fā)送給驅(qū)動(dòng)模塊(驅(qū)動(dòng)模塊由CC430F6135控制)，驅(qū)動(dòng)模塊通過其內(nèi)部的RF無(wú)線收發(fā)模塊接收指令，并按照指令要求驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的家電設(shè)備。

    MSP430單片機(jī)最大特點(diǎn)就是低功耗，而且內(nèi)部集成的RF無(wú)線通信模塊可以節(jié)省外部單獨(dú)外接的無(wú)線模塊，降低成本，觸摸屏的應(yīng)用可以方便用戶使用，避免了面板上繁瑣的按鈕器件給用戶帶來(lái)的不便。整個(gè)主控制器完全是手持化產(chǎn)品，方便移動(dòng)和操作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    智能家居控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)包括主控制器設(shè)計(jì)和各個(gè)子驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)。
2．1 主控制模塊設(shè)計(jì)
2．1．1 CC430F6135器件介紹
    CC430F6135是MSP430F6xx MCU與低功耗RF收發(fā)器相結(jié)合的產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)極低的電流消耗，從而使采用電池供電的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用無(wú)需維修即可工作長(zhǎng)達(dá)數(shù)年以上。而且微型封裝所包含的高級(jí)功能還可為創(chuàng)新型RF傳感器網(wǎng)絡(luò)提供核心動(dòng)力，以向中央采集點(diǎn)報(bào)告數(shù)據(jù)。CC430F6135為16位超低功耗MCU，具有16 KB程序存儲(chǔ)器、2 KB的SRAM、CC1101無(wú)線電和USCI，供電電壓為1．8～3．6 V，正常工作模式消耗電流為160μA／MHz，低功耗模式3消耗電流為2．0μA，從待機(jī)模式到喚醒模式響應(yīng)時(shí)間不超過6μs。
2．1．2 CC430F6135的RF無(wú)線收發(fā)模塊電路
    CC430F6135內(nèi)部集成了CC1101無(wú)線電收發(fā)器，本設(shè)計(jì)中的RF頻率為889．99 MHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為51．343 kbps，信道間隔為211．572 kHz，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通過軟件可以調(diào)節(jié)RF無(wú)線發(fā)送功率的大小，這樣根據(jù)發(fā)射距離的遠(yuǎn)近去設(shè)置功率的大小，達(dá)到降低功耗的目的。其電路圖如圖2所示，因?yàn)橄到y(tǒng)需要5 V電源和3 V電源，所以在本系統(tǒng)中選用了5 V的電池，經(jīng)過LM1117轉(zhuǎn)換成3 V供給單片機(jī)。CC430F6135外接晶振為26 MHz。RF_N和RF_P為RF無(wú)線電發(fā)射引腳，兩引腳外接天線，其功率可以達(dá)到-100 dBm以上。其傳輸距離在無(wú)間隔的情況下可以達(dá)到200 m左右，在有墻壁的情況下可以達(dá)到60 m，完全滿足家居控制系統(tǒng)的要求。

2．1．3 觸摸屏控制模塊電路設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)選用了北京迪文科技的DMT32240T03501WN型觸摸屏，所有的智能顯示終端都是基于圖形界面操作。其為4線電阻式模擬觸摸屏，終端尺寸為3．5英寸，圖形點(diǎn)陣為320×240，背光模式為L(zhǎng)ED式，輸入電壓可以選擇范圍為3～10 V，內(nèi)置32 MB存儲(chǔ)器，60個(gè)字庫(kù)容量，支持GBK(簡(jiǎn)體)、BIG5(繁體)等，而且支持用戶自己設(shè)計(jì)的字庫(kù)，其內(nèi)部有96 MB的圖片存儲(chǔ)空間，最多存儲(chǔ)153幅全屏圖片。其提供RS232串口與PC等進(jìn)行通信，通信方便，數(shù)據(jù)最高傳輸速率可以達(dá)到115 200 bps。此觸摸屏提供兩種供電方式，分別為+3 V和+5 V。
    DMT32240T035_01WN型觸摸屏提供了豐富的指令集，通過輸入相關(guān)的指令即可實(shí)現(xiàn)特定的功能，包括設(shè)置當(dāng)前調(diào)色板顏色、設(shè)置字符間隔、光標(biāo)顯示、文本顯示、點(diǎn)顯示、圖片顯示、保存屏幕當(dāng)前顯示的圖片、圖片剪切、動(dòng)態(tài)顯示曲線波形、頻譜顯示、時(shí)間顯示、蜂鳴器音量調(diào)節(jié)等，這些功能以及在本系統(tǒng)中的應(yīng)用將在軟件設(shè)計(jì)中作詳細(xì)的介紹。
    DMT32240T035_01WN型觸摸屏在本系統(tǒng)采用的是+5 V的供電方式，根據(jù)器件本身的特性，其UART串口輸出為+5 V的電平，因?yàn)镃C430F6135的SCIA口輸出的+3 V電壓，這就需要一個(gè)電平轉(zhuǎn)換芯片將CC430F6135輸出的+3 V轉(zhuǎn)換成+5 V電壓，以便和觸摸屏進(jìn)行通信。為此選用了SP32 23E型RS232接口芯片，其工作電壓為+3 V，其外部需要連接4個(gè)電容以維持系統(tǒng)運(yùn)行，其與觸摸屏和CC430F6135硬件連接圖如圖3所示。SP32 23E外接+3 V電源，其需要并聯(lián)兩個(gè)電容以便能夠獲得較好的標(biāo)準(zhǔn)電壓，／EN直接地使SP3223E一直處于工作狀態(tài)，CC430F6135的TX端口與SP 3223E的T1IN端口相連，RX口與R10UT端口相連，SP3223E的T10UT端口與觸摸屏的TX端口相連，R1IN端口與觸摸屏的RX端口相連，這樣就具備了CC430F6135與觸摸屏的串口通信功能。

2．2 安防控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．2．1 門控系統(tǒng)
    門控系統(tǒng)的作用是當(dāng)主控制器發(fā)出開門或關(guān)門的指令后，門控系統(tǒng)會(huì)根據(jù)指令的要求進(jìn)行開門或者關(guān)門，此系統(tǒng)采用CC430F6135控制繼電器開通，進(jìn)而控制旋轉(zhuǎn)電機(jī)工作去控制門的動(dòng)作，為了保證繼電器可靠而穩(wěn)定的工作，本文選用TIANB0 HJR-3FF-S-Z系列繼電器，此繼電器負(fù)載端電壓可以達(dá)到250 AVC／30 DVC，在環(huán)境溫度介于-30～+60℃之間可以工作1×105次以上。工作電壓為+5 V，額定工作電流為70 mA，因?yàn)镃C430F6135的I／O輸出為+3 V，所以不能直接驅(qū)動(dòng)繼電器工作，所以中間需加一晶體管S8050作為開關(guān)來(lái)控制繼電器的開關(guān)，繼電器通過接收CC430F6135的控制信息完成相應(yīng)的控制動(dòng)作。門控系統(tǒng)電路如圖4所示。

2．2．2 報(bào)警電路設(shè)計(jì)
    報(bào)警電路的作用是通知用戶有人在門外或者有人闖入指定區(qū)域，其工作原理是當(dāng)人體接近紅外探頭時(shí)，紅外模塊會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)給單片機(jī)，單片機(jī)會(huì)將有人接近的指令傳送給主控制器，進(jìn)而通知用戶有人在門外。如圖5所示，本模塊采用紅外熱釋電處理芯片BISS0001，BISS00 01是一款高性能的傳感信號(hào)處理集成電路。靜態(tài)電流極小，配以熱釋電紅外傳感器和少量外圍元器件即可構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外傳感器，廣泛用于安防、自控等領(lǐng)域。首先熱釋電紅外傳感器在有人接近的時(shí)候會(huì)輸出一個(gè)信號(hào)，BISS0001內(nèi)部的運(yùn)算放大器0P1將此信號(hào)作第一級(jí)放大，然后由運(yùn)算放大器OP2進(jìn)行第二級(jí)放大，再經(jīng)由電壓比較器COP1和COP2構(gòu)成的雙向鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號(hào)Vs給CC430F6135，CC 430F6135檢測(cè)出信號(hào)的變化，將觸發(fā)指令通過內(nèi)部集成的RF模塊傳輸給主控制器，完成報(bào)警電路功能。

2．3 家電及燈光硬件電路設(shè)計(jì)
    家電控制與門控系統(tǒng)的硬件電路基本相同，都是采用CC430F6135控制繼電器的開關(guān)進(jìn)而去控制家電的開關(guān)，其電路圖與圖4基本相同，在這里就不再給出硬件電路圖。主控制器發(fā)出打開某個(gè)家電的命令，接收模塊接收到命令后判斷指令的功能，然后根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)好的程序進(jìn)行相關(guān)的控制。
    燈光控制模塊作用是對(duì)燈光的進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，這部分與圖5的報(bào)警模塊類似。在有人的情況下，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開燈，如果沒人活動(dòng)燈會(huì)自動(dòng)關(guān)斷。在白天光照強(qiáng)烈的情況下，光敏電阻R9的阻值會(huì)降到最低，相當(dāng)于短接，這時(shí)會(huì)使BISS0001芯片關(guān)閉，停止工作，這樣芯片不再輸出控制信號(hào)，使燈自動(dòng)關(guān)閉。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    智能家居控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括主控制器的軟件設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)模塊的軟件設(shè)計(jì)和觸摸屏軟件設(shè)計(jì)。
3．1 主控制器軟件設(shè)計(jì)
    主控制器程序流程如圖6所示。首先觸碰觸摸屏的開始圖標(biāo)，系統(tǒng)開始運(yùn)行，此時(shí)觸摸屏的界面會(huì)顯示出3個(gè)模塊，分別為家電控制模塊、門控模塊、燈光模塊，每個(gè)模塊都有自己的控制功能，以家電控制模塊為例進(jìn)行說明。觸碰家電模塊后，觸摸屏界面顯示一個(gè)框圖表，包括電視機(jī)、音響、電腦等家電設(shè)備。觸碰到電視機(jī)后，CC430F6135利用內(nèi)部集成的RF收發(fā)模塊發(fā)出打開家電的控制指令給CC430F6135為控制核心的驅(qū)動(dòng)模塊。驅(qū)動(dòng)模塊接收指令并判斷指令的功能，然后連接到電視機(jī)的端口會(huì)置為高電平，此時(shí)控制電視機(jī)的繼電器會(huì)閉合，電視機(jī)被打開，至此整個(gè)控制操作完成。在間隔40 s內(nèi)若沒有觸碰觸摸屏則CC430F6135會(huì)進(jìn)入低功耗模式3中，系統(tǒng)的DC發(fā)生器被關(guān)斷，只有晶振是活動(dòng)的，系統(tǒng)的總中斷允許位被打開。此時(shí)觸摸屏也會(huì)進(jìn)入低功耗模式，屏幕顯示為黑白色，進(jìn)入低亮模式，這樣就能使功耗達(dá)到最低，延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。

3．2 驅(qū)動(dòng)模塊軟件設(shè)計(jì)
    家電控制、門控控制、燈光控制等的驅(qū)動(dòng)模塊基本相同，現(xiàn)以家電控制的驅(qū)動(dòng)模塊為例進(jìn)行說明，其程序流程如圖7所示。驅(qū)動(dòng)模塊初始階段會(huì)一直處于低功耗模塊中，當(dāng)主控制器發(fā)送控制指令后，驅(qū)動(dòng)模塊會(huì)被RF接收中斷喚醒，并執(zhí)行相應(yīng)的指令功能。執(zhí)行成功后，會(huì)發(fā)送執(zhí)行成功的指令給主模塊，然后進(jìn)入到低功耗模式中，此時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊的CC430F6135的I／O口會(huì)一直保持狀態(tài)不變，DC發(fā)生器被關(guān)斷，主中斷被打開，此時(shí)功耗達(dá)到最低。
3．3 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)
    DMT64480T056 01W型觸摸屏內(nèi)部集成了指令集，只要按照指令的要求通過串口輸送給觸摸屏，就可以實(shí)現(xiàn)該指令的功能，所有指令均是以十六進(jìn)制為標(biāo)準(zhǔn)。在電腦上通過軟件可以將圖片和圖片固定區(qū)域代表的指令下載到觸摸屏中。其原理是當(dāng)觸碰觸摸屏的一個(gè)區(qū)域后，觸摸
屏?xí)敵鲱A(yù)先配置好的指令給單片機(jī)，其指令代碼規(guī)則為AA xx CC 33 C3 3C。在這里AA為固定的開始指令，之后xx是代表觸碰區(qū)域預(yù)先設(shè)置好的指令代碼，CC 33 C33C為固定的結(jié)尾指令。輸出完這些十六進(jìn)制字符后，單片機(jī)通過判斷xx的值，進(jìn)而去實(shí)現(xiàn)指定的功能。不同的區(qū)域可以設(shè)置不同的指令代碼，這樣就可以實(shí)現(xiàn)同一個(gè)界面多個(gè)觸碰區(qū)域多個(gè)命令的功能。


結(jié)語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)了一種基于CC430F6135的智能家居控制系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要是由主控制器和驅(qū)動(dòng)模塊組成，系統(tǒng)采用的CC430F6135內(nèi)部集成的RF收發(fā)模塊和觸摸屏是本系統(tǒng)的亮點(diǎn)，不但節(jié)約成本而且方便用戶使用。