基于MSP430的智能家居系统设计

硕士专业学位论文
论文题目基于MSP430的智能家居系统设计
研究生姓名孟坤
指导教师姓名胡剑凌
专业名称电子与通信工程
研究方向嵌入式系统设计
论文提交日期2014年4月
基于MSP430的智能家居系统设计摘要基于MSP430的智能家居系统设计
摘要
近年来，随着当代通信技术、计算机信息技术和各项传感网技术的大范围应用，作为物联网技术当中一个非常重要和典型的应用实例智能家居获得了迅速发展。

相较于传统的家庭自动化，现代智能家居系统以无线组网技术、现代传感技术为基础，克服了传统家居环境中存在的布线复杂、可靠性性低、升级繁琐等诸多缺点，给人们带来了更加安全、健康、智能的生活环境。

在未来的时间里智能家居系统必将会得到更加广泛的应用。

一个完整的智能家居系统主要由家居内部网络、家庭网关和家居外部网络三个部分构成。

本文以美国德州仪器公司生产的超低功耗微控制器MSP430F6638为控制核心，在充分研究各种无线通信和组网技术的基础上，选择ZigBee无线通信方式组建家居内部网络，选择Wi-Fi无线通信方式组建家居外部网络，以此为基本框架构建了一套实用的智能家居系统。

本文设计的智能家居系统主要包括家庭网关控制中心子模块、ZigBee网络通信子模块、数据采集和设备控制子模块以及Wi-Fi网络通信子模块。

文中给出了各个子模块具体的硬件设计过程、软件设计过程和实现过程。

系统经过设计、制作、调试，最终实现了家居内部温度数据采集、光照强度数据采集、有害气体浓度检测与控制以及智能灯光控制等数项基本功能。

同时为了提高系统的可拓展性，本文设计的智能家居系统一方面留有了丰富的接口资源用以扩展新设备，另一方面软件采取了模块化设计方案独立性较强，便于后期添加新功能。

本论文对所设计的智能家居系统的各项基本功进行了调试验证，测试结果表明设计达到了预期效果，具有较高的可靠性和实用价值，也为同类产品的设计和开发提供了一个参考。

关键词：智能家居，ZigBee，Wi-Fi，MSP430F6638，嵌入式系统
作者：孟坤
指导老师：胡剑凌
I
Design of MSP430 Based Smart Home System Abstract
DESIGN OF MSP430 BASED SMART
HOME SYSTEM
Abstract
In recent years, with the application of modern wireless communication technology, information technology and sensor technology, the Internet of Things (IOT) and its related industry has been developed rapidly. As one of the most important application of the IOT, smart home has attracted more and more people’s attention. Compared to the traditional wired home automation, modern smart home has overcome many shortcomings, such as cumbersome routes and low reliability. A more comfortable and intelligent home condition will be created by the modern smart home system in the future.
A complete smart home system mainly consists of three basic parts, the home network, home gateway and external network. In this thesis, the MSP430F6638 microcontroller produced by Texas Instruments was selected as the core processor of the home gateway. Various kinds of wireless communication technology were researched and finally ZigBee and Wi-Fi were adopted as the wireless technology to construct the home network and external network respectively.
The designed smart home system includes several modules: the ZigBee communication module, Wi-Fi communication module, gateway control module, sensors’data acquisition module and home condition control module. The hardware design and software design of each module is illustrated in detail. The designed hardware system was produced, assembled, and debugged. Combined with the designed software, temperature and humidity acquisition, illumination intensity acquisition , poisonous gas monitoring and intelligent lighting control were realized. Furthermore, in order to improve the expandability of the system, some expandable interfaces are reserved in the hardware system and modularization software design scheme is adopted by this thesis.
The functionalities of the designed smart home system were tested and adjusted. The
II
Design of MSP430 Based Smart Home System Abstract results showed that the expected results were achieved. The designed smart home system is valuable and has high reliability, which can be a reference for the design of such products. KEY WORDS：smart home, ZigBee, Wi-Fi, MSP430F6638, embedded system
Written by: Meng Kun
Supervised by: Hu Jianling
III
目录
第一章绪论 (1)
1.1 智能家居系统研究背景与意义 (1)
1.2 智能家居系统的国内外发展现状 (2)
1.2.1 国外智能家居发展现状 (2)
1.2.2 国内智能家居发展现状 (3)
1.3 课题研究内容与论文结构安排 (4)
第二章系统总体方案设计 (6)
2.1 智能家居系统构成与功能分析 (6)
2.2 几种无线通信方式比较 (7)
2.3 Wi-Fi技术分析 (9)
2.3.1 Wi-Fi发展与应用概况 (9)
2.3.2 Wi-Fi协议架构 (10)
2.3.3 Wi-Fi 工作方式与拓扑结构 (12)
2.4 ZigBee技术分析 (12)
2.4.1 ZigBee网络中的设备 (13)
2.4.2 ZigBee网络拓扑结构 (13)
2.4.3 ZigBee协议架构 (14)
2.5 智能家居系统总体架构设计 (20)
2.6 本章小结 (21)
第三章系统硬件设计 (22)
3.1 硬件系统需求分析与总体设计 (22)
3.2 主控中心电路设计 (24)
3.2.1电源设计 (24)
3.2.2 MSP430F6638最小系统设计 (25)
3.2.3 MSP430F6638通信电路设计 (27)
3.2.4人机交互接口设计 (29)
3.2.5其它电路设计 (31)
3.3 ZigBee通信电路设计 (32)
3.3.1 CC2530概述 (33)
3.3.2 CC2530通信电路设计 (34)
3.4 传感器电路设计 (35)
3.4.1 温度传感器电路设计 (35)
3.4.2 光敏传感器电路设计 (36)
3.4.3 有害气体检测电路设计 (37)
3.4.4 继电器电路设计 (38)
3.5 Wi-Fi通信电路设计 (39)
3.6 本章小结 (40)
第四章系统软件设计和实验验证 (41)
4.1 用户数据格式定义 (41)
4.2 家庭网关控制中心软件设计 (43)
4.2.1 系统时钟和外设初始化 (44)
4.2.2 板级初始化 (46)
4.2.3 数据通信和自动控制 (48)
4.3 ZigBee网络软件设计 (50)
4.3.1 Z-tack协议栈简介 (50)
4.3.2 ZigBee协调器软件设计 (51)
4.3.3 ZigBee终端节点软件设计 (53)
4.4 Wi-Fi网络软件设计 (54)
4.5 实验与验证 (55)
4.6 本章小结 (57)
第五章总结与展望 (58)
5.1 工作总结 (58)
5.2 工作展望 (59)
参考文献 (60)
附录 (63)
致谢 (64)
基于MSP430的智能家居系统设计第一章绪论
第一章绪论
随着时代的发展，智能家居成为人们最常接触到的热门词汇之一，然而多数人却并不了解智能家居的真正内容。

本章主要阐述了智能家居研究的背景和重要意义，并对相关的国内外研究状况作了总结，最后给出了本文主要的框架结构。

1.1 智能家居系统研究背景与意义
2005年国际电信联盟（ITU）发布了《ITU互联网报告2005：物联网》，报告中首次正式提出了物联网的概念[1]。

此后，伴随着当代信息与通信技术的迅速成长与应用，物联网技术也越来越完善，“物物皆联网”的新时代已经正式到来。

从字面上理解，物联网就是“物与物相连的网络”，它是通过射频识别技术（RFID）、无线通信技术、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按照一定的协议完成物品与物品、人与物品、人与人之间的互相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化的各种操作的一种网络概念[2]。

因此物联网涉及范围及其广泛，可以说物联网是无处不在，在城市公交、现代农业、新型物流等各种场合物联网都有着极其重要的应用地位。

智能家居是物联网一个非常重要和典型的应用实例。

随着物联网时代的到来，智能家居也势必将会拥有更广大的用户需求和市场空间。

实际上这个概念由来已久，从二十世纪八十年代美国出现了第一幢智能建筑，到九十年代中期比尔盖茨的智能豪宅落成，智能家居渐渐地进入了人们的视野，它将极大的改善人们现有的生活方式。

然而传统的智能家居系统无论是从技术上还是从市场推广上都存在着许多明显的缺点和不足。

首先，传统家庭自动化系统绝大多数应用了电缆接线的方法，不仅需要专业的施工，特殊的售后服务，并且建设周期长。

有线施工也导致了系统固化，无法扩充等问题，一旦系统完工，它将很难被更改。

其次，智能家居系统功能繁杂，该体系有着大范围的涉及面。

它集各种现代技术为一体，但是因为智能家居没有统一的标准，各种企业和公司使用的协议也五花八门各不相同，甚至同一家公司生产的新旧产品也不能实现完全兼容。

可以说是产品种类繁多，但各自之间的兼容性很差，由此给一般用户们带来的诸多不便，也使得智能家居市场一直徘徊不前。

第一章绪论基于MSP430的智能家居系统设计然而，随着物联网时代的到来传统的智能家居系统也正在发生着深刻的变革。

物联网时代的到来为解决传统智能家居存在的各种弊端带来了新的解决思路和技术手段。

随着无线通信技术、射频识别技术以及传感技术的快速发展和应用，物联网背景下的现代智能家居系统被赋予了更简洁的无线布线方式和更多的功能。

同时，由于市场存在着广大的发展空间，各大相关企业也积极参与到智能家居系统的开发工作当中，相关的技术标准、行业规范也日趋完善。

在此背景下，如何开发出一套具有实用性和可靠性的智能家居系统，就成了一件十分迫切而又具有重大现实意义的事情。

1.2 智能家居系统的国内外发展现状
1.2.1 国外智能家居发展现状
国外很早就开始关注家庭自动化和智能家居。

1980年左右随着应用电子技术的普及，众多应用了现代电子技术的电器开始进入普通老百姓的生活当中，家庭电子化应运而生。

到了1985年左右，人们将开始将各种家居常用的设施连接到一起，家庭自动化的概念也由此而来。

之后，由于通信技术和信息技术的发展，产生了对家庭中各种具有不同功能的设备通过各种总线技术统一进行监测、控制、管理的系统，这便是智能家居系统的早期原型。

1984年美国联合科技对一栋旧式大楼进行了全面的智能化改造，将最新的计算机系统应用于大楼的控制，实现了对整个建筑的照明系统、暖通设备和电梯设备进行控制和监测，这是世界上出现的第一栋智能建筑。

此外，比尔盖茨的家也是智能家居领域中杰出的代表作之一。

高科技与家居生活的完美对接使这栋坐落在西雅图华盛顿湖畔的科技住宅成为世界上的一大景观。

在这栋智能化建筑中，房间内所有的电器设备，甚至包括窗帘、门锁、灯具都被连接到一个家庭网络当中，可以完全通过网络实现对以上所有设备的监测和控制。

1998年5月，在亚洲电消展会上，新加坡推出自己最新的智能家居系统：“未来之家”。

这个系统包括远程抄表功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、电话接入、住户信息留言等多种功能，这成为智能家居发展史上又一重要的标志性事件[3]。

基于MSP430的智能家居系统设计第一章绪论进入新世纪以来，智能家居行业的发展更是如火如荼。

国际几大IT巨头都对智能家居行业充满兴趣，都在努力抢占市场份额。

相关统计数据显示，09年智能家居大约有2500亿元人民币的市场规模，到15年此规模预计将达到或超过7500亿人民币。

在2013年的美国国际消费电子展上，蓝色巨人IBM、半导体行业巨头ST公司携手一家专门从事智能家居系统研究的企业Shaspa共同推出了一套崭新的智能家居系统，这套基于云计算的智能家居系统也预示着智能家居行业未来的发展方向。

2014年初，Google斥巨资收购了智能设备研发和制造企业Nest，这是Google历史上最重要的收购案之一，显示出互联网巨头Google对智能家居市场的重视，此举也必将推动智能家居系统的进一步发展，引发人们对智能家居的更多关注。

1.2.2 国内智能家居发展现状
1999年左右智能家居在国内慢慢开始受到人们的关注。

至今经过十余年的时间，智能家居在国内的发展大致可以分为三个主要阶段即：概念期、培育期与成长期。

上世纪九十年代末比尔盖茨到中国来开始推销“维纳斯计划”，“维纳斯计划”旨在将传统家用电视或VCD等电器设备与互联网相连，实现电器信息化。

虽然此计划最终以失败告终，但是却首次给国内带来了智能家居的概念。

此后智能家居的概念逐渐开始在国内普及开来，国内各大相关厂家也开始投入研究。

2005年左右各种智能家居系统店面开始出现在人们视野中，但产品仅限于安全产品，照明控制产品和多媒体产品等，产品数目和产品种类在很大程度上还有欠缺，难以满足生活中的众多需求。

此后由于许多相关企业都加入了智能家居行业，许多具有多功能的智能终端开始出现在市场上。

市场仍然处于培育期。

2009年温家宝总理提出“感知中国”，物联网成为中国又一大战略性新兴产业，同时被写入政府工作报告当中[4]。

此后，物联网在国内社会当中受到了高度重视，远远超过了欧美等发达国家对此的关注度。

借助物联网强劲的发展势头，智能家居再次获得了较好的发展环境。

由此智能家居进入了发展的快车道。

在2014年3月举行的上海家博会上，智能家居成为本届展会的关键词之一。

国内外各大厂商集体在智能家居战略上发力，显示除了智能家居产业存在的巨大潜力。

第一章绪论基于MSP430的智能家居系统设计国内著名电器厂商海尔推出了最新的U+智慧家居系统。

三星电器亦是紧盯市场需求，展示了一款可以借助Wi- Fi网络操作的新型洗衣机。

然而自从智能家居开始传入到国内以来，智能家居产业一方面获得了迅速发展，另一方面也隐藏了很多问题。

智能家居企业如雨后春笋般大量出现，生产出来的产品也是多种多样，但是质量不过关，功能不完善、工作状态不稳定仍然是现在面临的主要问题。

1.3 课题研究内容与论文结构安排
本文在对智能家居发展现状进行充分研究与分析的基础上，运用当下主流的短距离无线通信技术、传感技术和嵌入式系统技术，根据实际需求设计了一套具有实用性和可靠性的智能家居系统，实现家居环境和设备的远程监测与控制。

本论文的主要工作内容如下：
（1）对系统进行实际的需求分析，确定软、硬件设计方案。

（2）分析比较了当下主流的几种短距离无线通讯方式的优缺点和适用范围如Wi-Fi、ZigBee、Bluetooth、IrDA、Z-Wave等通讯方式，最终选择Wi-Fi作为系统的外部通信网络，选择ZigBee作为系统内部的通信网络。

（3）对ZigBee无线通信技术的协议框架和内容进行分析，通过对PHY层、MAC 层、网络层和应用层的分析了解ZigBee的工作方式。

分析Z-tack协议栈，了解其基本结构和工作流程。

组建ZigBee星型通信网络，以Z-tack为基础开发各节点应用层程序。

（4）对Wi-Fi通信技术进行协议分析，了解Wi-Fi的工作方式和流程，组建家庭外部网络，实现和移动设备的通信功能。

（5）以MSP430F6638为核心，构建家庭网关主控电路板，包括主控板的原理图设计、PCB设计以及焊接和调试，最终实现家庭内部网络和外部网络的数据交换，和整个系统的监控功能。

（6）确定移动设备和主控制板的通信协议以及主控制板和ZigBee网络的通信协议，实现家居环境和设备的远程监测和控制。

基于MSP430的智能家居系统设计第一章绪论本论文各章节安排如下
第一章：绪论。

本章主要介绍了智能家居的基本概念，表明了课题研究的背景和重要意义。

并对智能家居系统的国内外发展现状和存在的问题进行了总结。

第二章：系统总体方案设计。

本章首先对智能家居系统进行了需求分析，并从整体上给出了系统的设计方案。

比较了几种重要的短距离无线通信方式。

并对ZigBee 和Wi-Fi协议做了分析。

第三章：系统硬件设计。

本章从硬件设计角度给出了主控板、ZigBee通信网络重要电路的详细设计过程。

第四章：系统软件设计与实验验证。

本章从软件角度对ZigBee的组网过程进行了说明，并对ZigBee协调器和终端节点进行了应用层程序开发。

开发主控制板应用程序实现Wi-Fi网络和ZigBee网络的数据通信。

并针对具体的应用制定用户协议，提高数据传输的可靠性。

最后为了验证系统的功能，给出了具体的实验验证过程。

第五章：总结与展望。

本章主要对论文所做的工作和研究内容进行了概括，并提出了需要继续研究的内容与方向。

第二章系统总体方案设计基于MSP430的智能家居系统设计
第二章系统总体方案设计
随着时代的进步，支撑智能家居系统的各项相关技术也日益成熟。

无论从体系架构还是实现技术方面现代智能家居系统都有了明显地进步。

本章主要介绍了智能家居系统的基本结构和相关的关键技术，并在此基础上给出了所要设计系统的总体实现方案。

2.1 智能家居系统构成与功能分析
从系统结构上来讲一个完整的智能家居系统要实现家居环境和设备的远程监控和智能化操作，必须包括三个基本部分即：家居系统内部网络、家居网关控制中心以及家居系统外部网络，其结构示意图如图2-1所示。

图2-1智能家居系统结构示意图
其中家居系统内部网络将家居的各种设备和传感器通过一定的组织形式相连最终连接到一个主控制器上，以此实现家居各种设备和传感器之间的相互通信。

家庭外部网络可以将家居内部的各种环境参数和设备状态传送到互联网或其他需要此信息的设备上。

由于家居内部网络和家居外部网络所要实现的功能有所区别，所以在网络类型上有所不同，应该根据实际需求选择合适的通信方式和网络类型。

家居网关控制
基于MSP430的智能家居系统设计第二章系统总体方案设计中一方面要实现内部网络和外部网络的数据通信功能，另一方面还担任着整个智能家居系统控制中心的作用。

所以家居网关控制中心的设计显得尤为重要。

2.2 几种无线通信方式比较
现代智能家居系统相较于传统智能家居系统的一个明显区别就是采用无线组网的方式实现网络构建，这就解决了传统网络布线复杂、施工繁琐、升级换代困难等诸多问题。

随着各种无线通信技术的蓬勃发展，可选的无线组网方式也越来越多，每种传输方式都有其技术特点和应用范围。

这里我们着重介绍一下和智能家居系统相关的无线通信方式，并从中选取一种或几种作为智能家居无线组网的方式。

（1）Bluetooth：蓝牙技术诞生于1994年，爱立信公司当时决定开发一种低功耗、低成本的无线接口，以建立手机及其附件间的通信[5]。

蓝牙技术可以在较短的距离内实现不同设备间的数据传输。

蓝牙工作在2.4GHz全球免费频段。

早期其传输距离较近，不超过10M，传输速率也不超过1Mbps。

现在最新的蓝牙4.0版本，在传输距离和传输速度上都做了较大改进，同时也在很大程度上降低了功耗，这都极大的推动了蓝牙的市场空间。

蓝牙4.0已经开始逐步进入商用市场。

具体到智能家居领域，蓝牙技术由于网络容量有限，无法构建节点较多的复杂网络，所以其应用场合受到了一定水平的限制。

（2）IrDA：IrDA是红外数据协会的简称，它是一种利用红外线进行数据通信的技术，通常称之为红外传输[6]。

红外传输技术出现较早，到现在其各项技术都已经较为完善。

红外传输技术成本较低，数据通信安全性也较高，在很多小型移动终端设备上有较多应用。

但是，由于红外传输技术是一种视距传输技术，通信节点之间不允许有障碍物阻隔，而且红外传输仅能实现点对点的通信任务，因而IrDA并不适合应用在智能家居领域。

（3）Z-Wave：Z-Wave是一种新兴的无线组网技术。

从一开始智能家居领域就是Z-Wave技术的主要目标应用场合之一。

其主要特点是低速率和低成本，Z-Wave最大传输速率为40Kbps，最大网络容量为232个节点[7]。

这些特点很适合智能家居系统的应用需求。

各大相关公司的支持也是的Z-Wave发展前景较为广阔。

目前Z-Wave 在欧美地区应用较多，国内相关应用还比较少。

第二章系统总体方案设计基于MSP430的智能家居系统设计（4）ZigBee：ZigBee是基于IEEE的802.15.4协议的无线通信技术[8]。

ZigBee 的主要应用领域是工业自动控制和智能家居领域，其主要特点是近距离、低功耗、低成本。

这些特点和Z-Wave比较相似，但是ZigBee的通信速率最大为250Kbps高于Z-Wave。

ZigBee协议中，一个中心节点最大可以管理254个子节点，同时中心节点也可由上一级的中心节点管理，构成多层次网络。

这样其网络容量最大可以达到65000个，完全可以满足智能家居领域的实际需求[9]。

相较于Z-Wave，ZigBee在国内应用较多，应用领域也更为广泛。

ZigBee网络在智能家居领域发展前景也是十分被看好。

（5）Wi-Fi：Wi-Fi基于IEEE 802.11协议，它是一种可以将个人电脑、手持设备(如PDA、手机)等终端以无线方式互相连接的技术[10]。

Wi-Fi通信距离较大，约为100M 左右，可以完全覆盖家庭内部。

Wi-Fi的最大优点就是传输速度高，同时与现存的网络设备具有良好的兼容性。

随着第五代Wi-Fi协议版本802.11ac的推出，Wi-Fi的传输速率将超过1Gbps，这是其他无线通信方式所不能比拟的，Wi-Fi的应用范围也将越来越广泛。

智能家居系统内部网络和外部网络所要实现的功能并不相同，因而在选择组网方式上也应该考虑到各自的具体要求。

对于家居外部网络而言，因为要与移动终端设备手机或者个人电脑相连接，从以上对各种无线通信方式特点的分析可知，在现有的条件下Wi-Fi无疑是最好的选择。

一方面现有的移动终端设备上几乎全部集成了Wi-Fi 接口，无需再做任何改动便可实现连接。

另一方面Wi-Fi传输速率快，并提供了方便快捷的以太网访问方式，便于实现智能家居系统和以太网的连接。

对于家居内部网络，由于其具有传输数据量小、节点数目较多且对实时性要求不高的特点，对于内部网络而言应该尽量做到低成本、低功耗、一定的网络容量和较稳定的传输可靠性。

表2-1对上述几种通信手段做了横向对比：
表2-1 几种无线通信方式对比
IrDA Bluetooth Z-Wave ZigBee Wi-Fi 成本低高低低高
一般通信
距离
3m 10m 30m 75m 100m 网络容量 2 8 232 65000
与路由器
有关功耗低中等低低高
适用范围点对点通信
语音、音频信
号传输智能家居
智能家居、工
业控制
以太网访问
从表2-1的对比分析可知，由于IrDA无法组建多节点网络，Bluetooth和Wi-Fi 成本和功耗较高，且网络容量有限制均不适合用来组件家庭内部网络。

而Z-Wave和ZigBee则是较适合组建家居内部网络的方式。

从开发者角度来讲，ZigBee的支持厂商较多，拥有较多较为便利的解决方案，同时各种ZigBee协议栈也可以免费获得，用户可以直接开发自己的应用层程序，无需过多关心协议本身的问题。

相比之下Z-Wave则更加封闭，开发难度上升，开发周期也更长。

根据以上分析，选择ZigBee技术作为智能家居内部网络的组网方式更为有利。

2.3 Wi-Fi技术分析
Wi-Fi是Wireless Fidelity的缩写，即无线高保真传输协议[11]。

它是由IEEE规定的一个无线传输协议的工业标准，也称802.11标准。

Wi-Fi是当前无线通信领域应用最为广泛的一种无线局域网技术。

2.3.1 Wi-Fi发展与应用概况
1997年IEEE为无线局域网制定了第一版本标准802.11，此后Wi-Fi便得到了快速的普及和应用，直到今天它已经成为了普通大众生活当中不可或缺的一项内容[12]。