基于MSP430的智能窗戶設(shè)計(jì)方案

本文討論了一種基于MSP430的智能窗戶設(shè)計(jì)，利用各種傳感器感知外界環(huán)境的變化并收集數(shù)據(jù)，用ZigBee 組網(wǎng)的方式傳送數(shù)據(jù)，MSP430 處理接收到的數(shù)據(jù)以智能控制窗戶的開關(guān)，該智能窗戶能夠?qū)崿F(xiàn)防風(fēng)雨、防強(qiáng)光、防氣體中毒和反饋調(diào)節(jié)控制等功能。

1總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)是以 MSP430 為控制核心，并與各種傳感器相配合工作的智能窗戶。系統(tǒng)的主要模塊包括：核心控制模塊即MSP430、傳感器模塊、通信模塊，此外還有限位開關(guān)和步進(jìn)電機(jī)以控制窗戶的開關(guān)，同時(shí)還可以顯示相關(guān)溫度、濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)值，達(dá)到設(shè)置的設(shè)定的閾值還可以進(jìn)行報(bào)警提示。

圖 1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2硬件設(shè)計(jì)

2.1核心控制模塊

本設(shè)計(jì)采用 MSP430 作為核心控制模塊。它具有豐富的尋址方式、簡(jiǎn)潔的 27 條內(nèi)核指令、大量的模擬指令和寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，片內(nèi)資源豐富，可參加多種運(yùn)算， 這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序，因而有很強(qiáng)的處理能力，同時(shí)，16 位的數(shù)據(jù)寬度、40ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合，使得其運(yùn)算速度快，還有值得一提的是，其獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)使其超低功耗，這些相比于STC89C51 都是很大的優(yōu)勢(shì)，因此選用 MSP430 作為控制模塊更優(yōu)。

2.2傳感器模塊

2.2.1溫濕度傳感器

本設(shè)計(jì)選擇 HTU21D 溫濕度傳感器，其具有多樣化的輸出方式、較寬的工作電壓范圍、很高的溫度精度和濕度精度， 是一款品質(zhì)良好、響應(yīng)速度較快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高、低功耗小體積的傳感器。該傳感器把外界環(huán)境中的溫度、濕度通過(guò)敏感元件，測(cè)量到溫濕度后，轉(zhuǎn)換元件將敏感元件的測(cè)量信息按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)輸出，輸出經(jīng)過(guò)標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)、標(biāo)準(zhǔn) I2C 格式，使再采集到的溫度濕度與所設(shè)定的參考值對(duì)比，外界環(huán)境的溫濕度過(guò)高或者過(guò)低時(shí)，主控芯片就會(huì)發(fā)出指令控制限位開關(guān)和步進(jìn)電機(jī)，從而使窗戶適當(dāng)?shù)拈_關(guān)以營(yíng)造一個(gè)舒適的環(huán)境條件。

2.2.2光照強(qiáng)度傳感器

本設(shè)計(jì)采用具有線性度好、防水性能好、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)的 GY-30 光照傳感器，可以由該傳感器感知光照強(qiáng)度強(qiáng)弱，當(dāng)外界光照過(guò)強(qiáng)時(shí)候便自動(dòng)關(guān)閉窗簾，或者在自己設(shè)定的一定時(shí)間內(nèi)若室內(nèi)光照強(qiáng)度太低也可以拉開窗簾讓室內(nèi)變得明亮。

2.2.3風(fēng)雨傳感器

風(fēng)雨傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)室外風(fēng)速、雨量的變化，當(dāng)監(jiān)測(cè)到的風(fēng)感、雨感達(dá)到所設(shè)定的風(fēng)速或降雨量時(shí)才發(fā)出感應(yīng)信號(hào)傳遞給主控模塊產(chǎn)生關(guān)窗指令使窗戶自動(dòng)關(guān)閉，風(fēng)感部分采用不銹鋼雙軸承結(jié)構(gòu)，靈敏度高，風(fēng)光雨強(qiáng)度調(diào)節(jié)精度高且反應(yīng)靈敏、準(zhǔn)確度高。

2.2.4燃?xì)?a target="_blank">探測(cè)器、煙感探測(cè)器

燃?xì)馓綔y(cè)器采用的是高質(zhì)量的氣體傳感器、微處理器并結(jié)合精密的溫度傳感器，煙感探測(cè)器是一種技術(shù)先進(jìn)、工作穩(wěn)定可靠的離子式煙霧傳感器，兩種傳感器環(huán)境適應(yīng)范圍寬， 工作穩(wěn)定，采用吸頂安裝方式，簡(jiǎn)單方便，使用廣泛。當(dāng)環(huán)境中可燃?xì)怏w濃度或煙霧濃度達(dá)到所設(shè)定閾值時(shí)，燃?xì)馓綔y(cè)器或煙感探測(cè)器在發(fā)出報(bào)警信號(hào)的同時(shí)也把數(shù)據(jù)傳送給主控模塊進(jìn)行處理，從而控制窗戶的開關(guān)，這樣可以有效的降低安全事故的發(fā)生率，減少損失。

2.3通信模塊

目前已有的通信模塊有 WiFi 模塊、ZigBee、GPRS、無(wú)線透?jìng)髂K。本設(shè)計(jì)采用 ZigBee 作為通信模塊，ZigBee 技術(shù)是一種短距離、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)。主要運(yùn)用于短距離、低功耗且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用，非常適用于家用電器和小型電子設(shè)備的無(wú)線控制指令傳輸，而WiFi 模塊適合大數(shù)據(jù)量，穩(wěn)定性相對(duì)較差，因此此處選用 ZigBee。

3軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的思路是通過(guò)各個(gè)傳感器檢測(cè)周圍環(huán)境的變化， 將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)輸入 MSP430 單片機(jī)內(nèi)，由該單片機(jī)判斷并執(zhí)行相應(yīng)操作以控制外部設(shè)備。整個(gè)程序的過(guò)程分模塊進(jìn)行， 讓程序的可讀性得到增加，能夠?qū)崿F(xiàn)分塊調(diào)試。

接通電源后，MSP430 單片機(jī)開始工作，不斷對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、風(fēng)雨傳感器、燃?xì)馓綔y(cè)器、煙感探測(cè)器等傳感器模塊將檢測(cè)到的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、煙霧和可燃?xì)怏w濃度等信號(hào)利用ZigBee 技術(shù)傳入到單片機(jī)中，作為控制窗戶和窗簾的開關(guān)、報(bào)警的參考數(shù)據(jù)，并且顯示具體數(shù)值，同時(shí)窗框的限位開關(guān)通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)正向和反向旋轉(zhuǎn)，智能的實(shí)現(xiàn)窗口的切換。煙霧傳感器檢測(cè)到煙霧濃度超過(guò)設(shè)置的一定值，電機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)打開窗戶直到房間內(nèi)煙霧低于設(shè)定值為止，同樣的原理， 風(fēng)雨傳感器檢測(cè)天氣有無(wú)明顯變化，紅外檢測(cè)模塊檢測(cè)光照是否過(guò)強(qiáng)或者過(guò)弱，即檢測(cè)到不正常數(shù)據(jù)才能執(zhí)行開窗或者關(guān)窗命令，其他傳感器也與之類似的工作流程。

圖 2 軟件流程圖

4總結(jié)

為了改善人們的周圍環(huán)境，更好的生活工作與學(xué)習(xí)，本設(shè)計(jì)以普通的窗戶為基礎(chǔ)，通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)外部環(huán)境變化的監(jiān)測(cè)，利用ZigBee 傳輸數(shù)據(jù)到核心控制板，由單片機(jī)控制電機(jī)和開關(guān)的運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)對(duì)窗戶的控制，最終達(dá)到窗戶智能化的效果，使其具有較高的實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。