Hệ thống nhà thông minh dựa trên MSP430
Hệ thống nhà thông minh dựa trên MSP430
Lời nói đầu 0
Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin số và công nghệ mạng, cũng như sự cải thiện liên tục về mức sống vật chất của mọi người, công việc, cuộc sống, giao tiếp và thông tin của mọi người ngày càng liên quan chặt chẽ với nhau. Có thể nói rằng xã hội thông tin đang dần thay đổi lối sống và thói quen làm việc của mọi người. Đồng thời, nó cũng đặt ra một thách thức đối với ngôi nhà truyền thống, và ngôi nhà thông minh ra đời.
Trên cơ sở duy trì các chức năng sống truyền thống, nhà thông minh thoát khỏi chế độ thụ động và trở thành một công cụ hiện đại với trí thông minh tích cực. Nó không chỉ cung cấp đầy đủ các chức năng trao đổi thông tin mà còn tối ưu hóa lối sống và môi trường sống của mọi người, giúp mọi người sắp xếp thời gian hiệu quả, tiết kiệm các nguồn năng lượng khác nhau và nhận ra các thiết bị gia dụng (như điều hòa không khí, máy nước nóng, v.v.) Điều khiển từ xa bên ngoài, điều khiển tự động rèm, điều khiển thời gian, vv
1 Thành phần hệ thống
Bài viết này lấy bộ vi xử lý MSP430 làm lõi, áp dụng nền tảng mạng không dây cho nhà thông minh và thực hiện điều khiển không dây và điều khiển thông minh của nhà thông minh. Nhà thông minh dựa trên nền tảng mạng không dây kết hợp hữu cơ các hệ thống con khác nhau liên quan đến cuộc sống gia đình, như an ninh, điều khiển ánh sáng, điều khiển máy nước nóng năng lượng mặt trời, điều khiển rèm, phát hiện và kiểm soát khí, phát hiện nhiệt độ và độ ẩm trong nhà, v.v. Quản lý cũng có thể nhận ra trải nghiệm cuộc sống gia đình hoàn toàn mới "hướng đến con người".
Hệ thống này sử dụng máy vi tính đơn chip dòng MSP430 làm bộ điều khiển lõi và sử dụng mô-đun không dây CC1100 để xây dựng một nền tảng mạng không dây. Nó bao gồm hai phần: phần thứ nhất là thiết kế mạch ngoại vi của chip điều khiển chính - chủ yếu bao gồm mô-đun nguồn, màn hình tinh thể lỏng, thao tác bàn phím, v.v ... phần thứ hai là thiết kế mô-đun ngoại vi nút không dây - chủ yếu bao gồm đo nhiệt độ nước và thể tích nước của máy nước nóng năng lượng mặt trời Thiết bị cấp nước tự động, phát hiện chất lượng không khí trong nhà, phát hiện nhiệt độ và độ ẩm trong từng phòng, thiết bị báo động, v.v.
1.1 Module quản lý nguồn
Yêu cầu cung cấp điện của mô-đun này là 5V và 3.3V. Mô-đun không dây yêu cầu nguồn điện 3,3V. Chúng tôi dựa trên nguyên tắc tiêu thụ điện năng thấp. Cả hai bộ ổn áp 5V và 3.3V đều sử dụng bộ điều chỉnh chuyển mạch điện áp thấp. Các ống LM1117 và LM1085, chip tạo ra ít nhiệt hơn và có chức năng ổn định, màn hình LCD sử dụng 12864, có thể hiển thị rõ ràng các ký tự, số, chữ cái, ký hiệu của Trung Quốc, vv LCD 12864 có thư viện phông chữ tiếng Trung được đơn giản hóa bằng mã GB, rõ ràng và dễ sử dụng.
1.2 Thiết kế hệ thống an ninh
Hệ thống an ninh thông minh có thể giám sát sự xâm nhập vô tình của người hoặc động vật, chất lượng không khí trong nhà, v.v. Cảm biến hồng ngoại pyroelectric (mô-đun cảm biến hồng ngoại của con người) được sử dụng để theo dõi các tia hồng ngoại phát ra từ người hoặc động vật. Mô-đun này sử dụng chip hồng ngoại chuyên dụng BISS0001 để thiết kế mô-đun cảm biến con người. Ưu điểm lớn nhất của nó là hiệu suất ổn định và đáng tin cậy. Kích thước bảng mạch mô-đun là 33 × 28mm, đường kính ống kính khoảng 25 mm và độ dày mô-đun là 20 mm. Nó nhỏ hơn và dễ dàng hơn để nhúng vào các thiết bị khác. Mô-đun này sử dụng thiết bị điều chỉnh điện áp tiêu thụ điện năng thấp 7133A-1, có thể đảm bảo cung cấp ổn định điện áp hoạt động 3,3V dưới một điện áp đầu vào rộng để đảm bảo hoạt động bình thường của mô-đun.
Cảm biến không khí bán dẫn phát hiện mùi đặc biệt của các chất ô nhiễm nồng độ thấp trong không khí hẹp, chẳng hạn như các chất ô nhiễm thuốc lá nồng độ thấp và các mùi đặc biệt khác trong không khí, và có độ nhạy cao với H2, CO, v.v. TGS2600 được phát triển và sản xuất bởi Công ty FIGARO của Nhật Bản được chọn làm mạch đo cảm biến. Cảm biến này yêu cầu hai đầu vào điện áp: điện áp nóng VH và điện áp mạch VC. Điện áp gia nhiệt VH được đặt vào bộ gia nhiệt tích hợp để giữ cho cảm biến ở nhiệt độ cảm biến tối ưu cụ thể. Điện áp mạch VC được tải để đo điện áp điện trở Vout nối tiếp với cảm biến khí. Cảm biến này có cực tính, vì vậy điện áp mạch VC phải là DC. Một nguồn cung cấp năng lượng chung có thể được sử dụng để cung cấp đồng thời VH và VC để đáp ứng các yêu cầu về điện của cảm biến. Chọn RL điện trở tải một cách hợp lý để tối ưu hóa điện áp ngưỡng báo động và làm cho mức tiêu thụ điện của cảm biến bán dẫn dưới 15mW. Khi cơ thể mục tiêu có mặt, mức tiêu thụ năng lượng của cảm biến là tối đa khi RS và RL bằng nhau.
1.3 Thiết kế hệ thống quan trắc nhiệt độ và độ ẩm môi trường
Cảm biến độ ẩm HS1101 là một yếu tố điện dung được thiết kế dựa trên một quy trình duy nhất. Nó được đặc trưng bởi khả năng thay thế hoàn toàn và không hiệu chuẩn trong môi trường hiệu chuẩn, hút ẩm nhanh dưới độ bão hòa dài hạn, độ tin cậy cao và ổn định lâu dài; Mạch đầu ra điện áp hoặc tần số, thời gian đáp ứng nhanh.
1.4 Cấu trúc nút không dây
Hệ thống này sử dụng mô-đun không dây CC1100 Giao thức gói dữ liệu của CC1100 đã được củng cố trong chip. Nó rất thuận tiện để sử dụng. Định dạng gói dữ liệu của nó có thể được cấu hình bằng phần mềm. Định dạng gói dữ liệu có thể bị xóa theo tình huống thực tế của bạn. Cài đặt từ vựng đồng bộ có thể nhận ra nhiễu giữa các nền tảng mạng không dây và có thể đặt địa chỉ để giải quyết vấn đề nhiễu tín hiệu giữa các nút trong nền tảng mạng không dây. Ngoài ra, có thể nhận thấy sự can thiệp của tín hiệu bên ngoài vào hệ thống bằng cách đặt lọc địa chỉ và lọc độ dài tối đa. Kiểm tra CRC cũng có thể cải thiện độ chính xác của thông tin.
Thông qua cấu trúc mạng không dây sao, mạng sao bao gồm một thiết bị đầu cuối điều khiển và một số thiết bị đầu cuối cảm biến. Bộ xử lý và chip không dây được cài đặt trên mỗi thiết bị đầu cuối cảm biến và thiết bị đầu cuối điều khiển chính gọi các thiết bị đầu cuối cảm biến khác và thiết bị đầu cuối thực hiện bằng cách phát sóng. Thiết bị đầu cuối cảm biến và thiết bị đầu cuối thực hiện sẽ chỉ nhận dữ liệu khi chúng nhận được gói dữ liệu khớp với địa chỉ của chúng. Có thể giải quyết hiệu quả xung đột mạng.
2 Thiết kế phần mềm hệ thống
Dữ liệu thu thập được truyền đến trạm điều khiển chính không dây để truyền và điều khiển dữ liệu. Bàn phím của trạm điều khiển chính có thể điều khiển và vận hành từng nút. Ví dụ, máy nước nóng năng lượng mặt trời thông minh, thông qua điều khiển bàn phím, LCD có thể hiển thị tốt nhiệt độ nước và lượng nước và có thể đánh giá xem có nên cung cấp nước kịp thời hay không. Mô-đun báo động điện áp sử dụng thiết bị điều chỉnh điện áp tiêu thụ điện năng thấp 7133A-1, có thể đảm bảo cung cấp ổn định điện áp làm việc 3,3V dưới một điện áp đầu vào rộng, và đảm bảo hoạt động bình thường của mô-đun. Ai đó đưa ra mức cao khoảng 3V, và không ai đưa ra mức 0V thấp.
Việc xây dựng và kết nối các giao thức truyền dẫn không dây:
Có bảy loại hướng dẫn trong giao thức: hướng dẫn truy vấn, hướng dẫn phản hồi ACK, hướng dẫn vận hành, hướng dẫn trả lại thao tác, hướng dẫn ngủ, hướng dẫn khẩn cấp và hướng dẫn địa chỉ ứng dụng.
Lệnh truy vấn được chủ sử dụng để truy vấn trạng thái làm việc của từng nút và xác định trạng thái kết nối mạng. Sau khi nhận lệnh này, nô lệ trả về phản hồi ACK với địa chỉ của chính nó.
Lệnh hồi đáp được sử dụng cho lệnh trả lời sau khi nô lệ nhận được lệnh truy vấn chính hợp lệ.
Các hướng dẫn hoạt động được sử dụng bởi chủ để gửi nô lệ để thực hiện bất kỳ hoạt động nào sau khi xác định rằng nô lệ đang hoạt động đúng.
Hướng dẫn trả lại hoạt động được sử dụng để trả về dữ liệu hoạt động hoặc trạng thái từ máy.
Lệnh ngủ được chủ nhà sử dụng để gửi hướng dẫn để làm cho mô-đun ngủ. Lệnh này không có trả về. Sau khi nhận được lệnh này, nô lệ vào trạng thái ngủ và chờ truy vấn hợp lệ tiếp theo.
Yêu cầu hướng dẫn địa chỉ, hướng dẫn này cần được gửi bởi nô lệ trên kênh khẩn cấp (kênh 2) để một nút mới tham gia, để áp dụng cho một địa chỉ có sẵn từ chủ. Sau khi nhận được lệnh này, máy chủ trả về một địa chỉ không có người.
Trong giao thức, sau khi nút chủ được bật và khởi tạo, nó bắt đầu truy vấn trạng thái làm việc của từng nút con. Sau khi nhận được tín hiệu truy vấn, nút con trả về tín hiệu ACK liên quan đến địa chỉ của chính nó nếu nó hoạt động bình thường và chủ nhận được ACK nô lệ. Sau khi có tín hiệu, hãy gửi hướng dẫn vận hành, sau đó đợi dữ liệu trả về. Khi một loạt các thao tác trên nút này được hoàn thành, máy chủ sẽ gửi một lệnh ngủ để cho nút vào chế độ ngủ, giảm mức tiêu thụ điện của hệ thống.
Sau khi nô lệ được bật, nó sẽ chuyển sang trạng thái không hoạt động và đợi máy chủ thức dậy. Sau khi nhận được lệnh truy vấn máy chủ, nó sẽ trả về tín hiệu ACK và sau đó đợi máy chủ gửi lệnh hoạt động. Nếu có dữ liệu trả về sau khi lệnh được thực thi Chỉ trả lại bit cờ hoạt động thành công.
3. Kết luận
Thiết kế này thực hiện một hệ thống nhà thông minh nhỏ, năng lượng thấp, chi phí thấp, đơn giản và linh hoạt. CC1100 được sử dụng như một nút truyền không dây để xây dựng cấu trúc mạng sao để hoàn thành giao tiếp của các thiết bị bên trong nhà.