【正文】 ............................................................................... 27 謝 辭 ............................................................................................................................ 27 參 考 文 獻(xiàn) .................................................................................................................. 28 附錄一：硬件電路原理圖 ............................................................................................ 29 附錄二： PCB 圖及實(shí)物圖及上位機(jī)界面 .................................................................... 32 附錄三：程序源代碼 .................................................................................................... 36 1 基于 MSP430 的無(wú)線家庭安防裝置 摘 要： 隨著人們生活水平的提高，對(duì)于家庭安防的要求也越來(lái)越高，近年來(lái)智能化的家庭安防越來(lái)越引起人們的注意。 家庭 安防 一直是人們關(guān)注的問(wèn)題 。它 是由大量傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)自組織構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，它集成了傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)三大技術(shù)，目的是感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋圍內(nèi)感知對(duì)象的信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給觀察者，是以數(shù)據(jù)處理為中心的系統(tǒng)。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是新興網(wǎng)絡(luò)，具有微型化、容錯(cuò)性、高靈活性、布網(wǎng)快速等優(yōu)點(diǎn)，它的應(yīng)用極為廣泛，可以用于軍事、環(huán)境、醫(yī)療保健、空間探索及各種商業(yè)應(yīng)用。 針對(duì)這一現(xiàn)狀本課題將設(shè)計(jì)基于無(wú)線傳感器的家庭安防網(wǎng)絡(luò) 裝置 ，增加了網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性。 Protel99SE是應(yīng)用于 Windows9X/ 2021/NT 操作系統(tǒng)下的 EDA 設(shè)計(jì)軟件，采用設(shè)計(jì)庫(kù)管理模式，可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力和開(kāi)放性及 3D模擬功能，是一個(gè) 32位的設(shè)計(jì)軟件，可以完成電路原理圖設(shè)計(jì)，印制電路板設(shè)計(jì)和可編程邏輯器件設(shè)計(jì)等工作，可以設(shè)計(jì) 32 個(gè)信號(hào)層， 16 個(gè)電源 地層和 16 個(gè)機(jī)加工層。大多數(shù)計(jì)算機(jī)包含兩個(gè)基于 RS232 的串口。 MSP430 單片機(jī)系統(tǒng) MSP430 系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器 (TI)1996 年開(kāi)始推向市場(chǎng)的一種 16 位超低功耗的混合信號(hào)處理器 (Mixed Signal Processor)。 MSP430 系列單片機(jī)的這些片內(nèi)外設(shè)為系統(tǒng)的單片解決方案提供了極大的方便。紅外線對(duì)射傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖 所示，紅外線發(fā)射和接收模塊原理圖見(jiàn)附錄。優(yōu)良的抗乙醇，煙霧干擾能力。 圖 煙霧傳感器模塊 20 系統(tǒng)硬件 PCB板設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題 當(dāng)了解了芯片的結(jié)構(gòu)原理和芯片的外圍線路后，就用 Protel99SE來(lái) 繪制 原理圖和 PCB 圖 。開(kāi)始焊接的時(shí)候不能很好的控制焊錫的分量，經(jīng)常把元件焊短路，并且焊接的速度也極其緩慢。主程序啟動(dòng)定時(shí)器每 3 秒中斷，中斷程序中調(diào)用各檢測(cè)模塊程 序。山重水復(fù)疑無(wú)路，柳暗花明又一村 ； 有可能的情況下，最好焊兩塊板子以上，這樣才好有個(gè)比較，硬件上很小的問(wèn)題有很多時(shí)候是很難發(fā)現(xiàn)的。 圖 煤氣傳感器檢測(cè)試驗(yàn) 煙霧檢測(cè)模塊和煤氣一樣。（ 2）組建 ZigBee無(wú)線通信安防網(wǎng)絡(luò)，可以將戶主的地址信息、聯(lián)系方式、以及事故情況實(shí)時(shí)詳細(xì)地傳送到基站模塊。 P1IE |=IO。} } void Tx0S(char *p)。 //(URXD0),(UTXD0) P3OUT amp。 //Entry routine of TX0 with clearing URXIFG0 automatically tx0flg=1。 count=100。 } _EINT()。039。 } else { d=0。 count=100。//+UTXIE0。 int d,count。 void InitPort() { P1IES amp。 本次設(shè)計(jì) 解決的關(guān)鍵問(wèn)題如下：（ 1）采用 MSP430超低功耗單片機(jī)設(shè)計(jì)出一款專門針對(duì)小區(qū)居民用戶的無(wú)線防盜報(bào)警模塊。實(shí)驗(yàn)證明煤氣采集模塊能成功檢測(cè)空氣中煤氣信息。 如果在調(diào)試 時(shí) 出現(xiàn)問(wèn)題，可以按以下步驟進(jìn)行：檢查原理圖連接是否正確 ； 檢查原理圖與 PCB 圖是否一致 ； 用萬(wàn)用表檢查是否有虛焊，引腳短路現(xiàn)象 ； 分析一下軟件 是否正確 ； 多試驗(yàn)，找到問(wèn)題出現(xiàn)在什么地方 ； 多觀察，多思考。 接 收 數(shù)據(jù) 中 斷地 址 判 斷 ？推 出 中 斷C O U N T = 接 受 數(shù) 據(jù) 長(zhǎng) 度T X B U F 0 = 地 址 符YT X B U F 0 = R X B U F 0C O U N T C O U N T = 0 ？NN開(kāi) 始初 始 化進(jìn) 入 低 功 耗模 式操 作 一 ： 發(fā) 送入 侵 險(xiǎn) 情 信 息P C 指 針 指 向操 作 一 地 址入 侵 險(xiǎn) 情中 斷 開(kāi) 始結(jié) 束T X B U F 0 = 上位 機(jī) 校 驗(yàn) 符Y 圖 紅外線對(duì)射傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖 22 室內(nèi)檢測(cè)傳感器 節(jié)點(diǎn) 軟件流程圖 室內(nèi)檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)包括溫度檢測(cè)、煙霧檢測(cè)、煤氣檢測(cè)。以前我們課程設(shè)計(jì)電路焊接用到的都是普通的元件，這次用的是貼片元件。 圖 煤氣采集模塊原理圖 煙霧傳感器 MQA214 MQA214 煙霧傳感器可以檢測(cè) CO， CH4 等氣 體，如同一個(gè)可變電阻，當(dāng)檢測(cè)到相應(yīng)氣體時(shí)，傳感器阻值會(huì)減少，氣體濃度越大，阻值下降越大。圖中傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送端與單片機(jī)的 相連。正常情況下 ,紅外接收管不間斷 地接收來(lái)自紅外發(fā)射管的紅外光，接收管輸出低電平給單片機(jī)。它們分別是看門狗（ WDT） 、模擬比較器 A 、定時(shí)器 A（ Timer_A） 、定時(shí)器 B（ Timer_B） 、串口 0 、 1（ USART0 、 1） 、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、 10 位 /12 位 ADC 、 16 位 SigmaDelta AD、直接尋址模塊（ DMA ）、端口 O （ P0 ）、端口 1~6 （ P1~P6 ）、基本 定時(shí)器 14 （ Basic Timer ）等的一些外圍模塊的不同組合。圖中給出了其中的一路串行通信接口電路。 圖 CC2430無(wú)線模塊的電路圖 12 通過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)的 ZigBee 協(xié)議， TSZigBee CC2430 模塊 可以直接與上位機(jī)之間通過(guò)串口通信。 IAR Embedded Workbench 可以對(duì) MSP430 和 CC2430 單片機(jī) C語(yǔ) 言進(jìn)行編譯、在線 JTAG 仿真和下載。 綜上所述可以很容易的得出基于無(wú)線傳感器的家庭安防網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，省卻了布線的繁雜，同時(shí)也保證了網(wǎng)絡(luò)的安全性，降低了成本。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中人們只關(guān)心某個(gè)區(qū)域的某個(gè)觀測(cè)指標(biāo)的值，而不會(huì)去關(guān)心具體某個(gè)節(jié)點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。第一章介紹本次設(shè)計(jì)的背景知識(shí) ；第二章簡(jiǎn)單介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和家庭安防系統(tǒng)； 第 三 章 介紹總體設(shè)計(jì)和 系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境 ； 第 四 章詳細(xì)介紹 4 各個(gè)模塊 硬件 設(shè)計(jì) ； 第 五 章描述軟件的設(shè)計(jì) ；第六章為硬件以及軟件的調(diào)試 。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用已由軍事領(lǐng)域擴(kuò)展到其他領(lǐng)域，如環(huán)境保護(hù)，健康監(jiān)測(cè)，目標(biāo)跟蹤等。本文主要設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳感器的家庭安防網(wǎng)絡(luò)。 目前，多數(shù)的居民住宅防盜都采用鐵柵欄防盜，這樣做既不美觀，在發(fā)生 緊急事件如火災(zāi)的時(shí)候，居民不方便逃生，而且鐵柵欄的費(fèi)用很高。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ WSN）的結(jié)構(gòu) 傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量體積小、成本低、具有無(wú)線通信、傳感、數(shù)據(jù)處理功能的傳感器節(jié)點(diǎn)（ sensor node）組成的。在軍事上，由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有自組織性、容錯(cuò)能力，特別適合惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，能很 好完成敵方信息的搜集和處理工作。 8 3 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)由一個(gè)基站和多個(gè)監(jiān)測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)組成，它們之間采用基于 ZigBee 技術(shù)的無(wú)線通信。 10 4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 基站模塊設(shè)計(jì) 基站最大的特點(diǎn)在于 它能與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，不需要有線的連接，這種體系結(jié)構(gòu)具有很好的擴(kuò)展性，可以方便地根據(jù)實(shí)際情況增加或減少傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，具有很強(qiáng)的靈活性。串口同時(shí)也是儀器儀表設(shè)備通用的通信協(xié)議；很多 GPIB兼容的設(shè)備也帶有 RS232口。稱之為混合信號(hào)處理器 ，主要是由于其針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個(gè)芯片上，以提供 “ 單片 ” 解決方案。 目前 MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三種類型的器件，這些器件的開(kāi)發(fā)手段不同。 M S P 4 3 0M C UZigBee3 8 K H z載 波振 蕩器 紅外線發(fā)射紅 外線 接收 處理 圖 紅外線對(duì)射傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu) 室內(nèi)檢測(cè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 室內(nèi)檢測(cè)傳感器包括溫度傳感器、煙霧傳感器、煤氣傳感器等，可以檢測(cè)各類影響人們生活的環(huán)境，確保人居環(huán)境的安全。 MQ5氣敏元件由微型 AL2O3陶瓷管、 SnO2 敏感層 ,測(cè) 量電極和加熱器構(gòu)成的敏感元件固定在塑料或不銹鋼制成的腔體內(nèi)，加熱器為氣敏元件提供了必要的工作條件。 首先簡(jiǎn)要討論采用 Protel99 SE 軟件進(jìn)行 PCB 設(shè)計(jì)的流程。貼片芯片是電路中最難焊接的部分。 其 各檢測(cè)模塊程序 流程圖如 下各 圖所示。 25 軟件的調(diào)試要和硬件配合進(jìn)行，往往問(wèn)題可能不是硬件上的。我們拿一個(gè)點(diǎn)著的煙頭靠近煙霧傳感器 MQA214，傳感器器接收到煙霧信號(hào)發(fā)給單片機(jī) 一個(gè)高電平的信號(hào)，單片機(jī) 再控制 LED 亮，同時(shí)打開(kāi)蜂鳴器。（ 3）設(shè)計(jì)出針對(duì)小區(qū)傳達(dá)室的上位機(jī)軟件，實(shí)時(shí)顯示入侵信號(hào)和煤氣煙霧信號(hào)的有無(wú)，對(duì)危險(xiǎn)情況能及時(shí)的報(bào)警。 hongwaiflg=0。 void InitSport0() { UCTL0=SWRST。=0xDF。 //Setting transmission successful flag _EINT()。 } if(logo) { TXBUF0=RXBUF0。 } void Tx0Char(unsigned char c) { while(!(UTCTL0 amp。 ADDR=39。) { logo=1。 d=0。 //Functions of serial port enable U0IE=URXIE0。 extern const unsigned char hexchar[]。 include include define IO BIT2 unsigned char hongwaiflg。 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)在本 文中未作介紹，主要介紹傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，以及基站的設(shè)計(jì)。關(guān)閉打火機(jī)后，煤氣傳感器檢測(cè)不到煤氣信號(hào)傳給單片機(jī)的信號(hào)又變?yōu)榈碗娖?，單片機(jī)再控制 關(guān)閉 LED 和蜂鳴器 。 所以焊接的順序很重要，應(yīng)該是應(yīng)該按 元件大小和 功能 來(lái) 劃分焊接 順序。安全情況下節(jié) 點(diǎn) MCU處于低功耗工作模式，當(dāng)有入侵險(xiǎn)情發(fā)生或接收到轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，都通過(guò)中斷喚醒，其程序工作流程圖如圖 。 PCB 圖做好制板后就可以焊接電路了。 19 當(dāng)煤氣濃度增加到一定值時(shí)，單片機(jī)檢測(cè)到的 MQOUT電壓為高電平。本次設(shè)計(jì)溫度傳感器模塊的原理圖如圖 所示。為了增加紅外線監(jiān)測(cè)區(qū)，紅外線采用 38KHz 脈沖調(diào)制方式發(fā)射，由于紅外線收發(fā)裝置的有效作用距離有限 ,所以必須最大限度地減小光源能量的損失 ,使發(fā)光二極管的光源能量盡量被光敏三極管接收 ,為此采用集成芯片組成的紅外接收電路對(duì)發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行接收、放大、整形 ,再送至單片機(jī)。 MSP430 系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。 圖 MAX3232串行通信接口電路 13 MAX3232 芯片含有兩路發(fā)送器和接收器， T1IN、 T2IN、 R1OUT、 R2OUT 為接 TTL電平的引腳， T1