基于MSP430的智能窗戶設計方案

本文討論了一種基于MSP430的智能窗戶設計，利用各種傳感器感知外界環境的變化并收集數據，用ZigBee 組網的方式傳送數據，MSP430 處理接收到的數據以智能控制窗戶的開關，該智能窗戶能夠實現防風雨、防強光、防氣體中毒和反饋調節控制等功能。

1總體設計方案

本設計是以 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，此外還有限位開關和步進電機以控制窗戶的開關，同時還可以顯示相關溫度、濕度、光照強度等數值，達到設置的設定的閾值還可以進行報警提示。

圖 1 系統總體結構框圖

2硬件設計

2.1核心控制模塊

本設計采用 MSP430 作為核心控制模塊。它具有豐富的尋址方式、簡潔的 27 條內核指令、大量的模擬指令和寄存器以及片內數據存儲器，片內資源豐富，可參加多種運算，這些特點保證了可編制出高效率的源程序，因而有很強的處理能力，同時，16 位的數據寬度、40ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器相配合，使得其運算速度快，還有值得一提的是，其獨特的時鐘系統設計使其超低功耗，這些相比于STC89C51 都是很大的優勢，因此選用 MSP430 作為控制模塊更優。

2.2傳感器模塊

2.2.1溫濕度傳感器

本設計選擇 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，是一款品質良好、響應速度較快、抗干擾能力強、性價比高、低功耗小體積的傳感器。該傳感器把外界環境中的溫度、濕度通過敏感元件，測量到溫濕度后，轉換元件將敏感元件的測量信息按照一定的規律轉換為適于傳輸和測量的電信號輸出，輸出經過標定的數字信號、標準 I2C 格式，使再采集到的溫度濕度與所設定的參考值對比，外界環境的溫濕度過高或者過低時，主控芯片就會發出指令控制限位開關和步進電機，從而使窗戶適當的開關以營造一個舒適的環境條件。

2.2.2光照強度傳感器

本設計采用具有線性度好、防水性能好、可靠性高、抗干擾能力強等特點的 GY-30 光照傳感器，可以由該傳感器感知光照強度強弱，當外界光照過強時候便自動關閉窗簾，或者在自己設定的一定時間內若室內光照強度太低也可以拉開窗簾讓室內變得明亮。

2.2.3風雨傳感器

風雨傳感器可以實時監測室外風速、雨量的變化，當監測到的風感、雨感達到所設定的風速或降雨量時才發出感應信號傳遞給主控模塊產生關窗指令使窗戶自動關閉，風感部分采用不銹鋼雙軸承結構，靈敏度高，風光雨強度調節精度高且反應靈敏、準確度高。

2.2.4燃氣探測器、煙感探測器

燃氣探測器采用的是高質量的氣體傳感器、微處理器并結合精密的溫度傳感器，煙感探測器是一種技術先進、工作穩定可靠的離子式煙霧傳感器，兩種傳感器環境適應范圍寬，工作穩定，采用吸頂安裝方式，簡單方便，使用廣泛。當環境中可燃氣體濃度或煙霧濃度達到所設定閾值時，燃氣探測器或煙感探測器在發出報警信號的同時也把數據傳送給主控模塊進行處理，從而控制窗戶的開關，這樣可以有效的降低安全事故的發生率，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、無線透傳模塊。本設計采用 ZigBee 作為通信模塊，ZigBee 技術是一種短距離、自組織、低功耗、低數據速率和低成本的雙向無線通信技術。主要運用于短距離、低功耗且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用，非常適用于家用電器和小型電子設備的無線控制指令傳輸，而WiFi 模塊適合大數據量，穩定性相對較差，因此此處選用 ZigBee。

3軟件設計

本設計的思路是通過各個傳感器檢測周圍環境的變化，將檢測到的數據輸入 MSP430 單片機內，由該單片機判斷并執行相應操作以控制外部設備。整個程序的過程分模塊進行，讓程序的可讀性得到增加，能夠實現分塊調試。

接通電源后，MSP430 單片機開始工作，不斷對接收到的數據進行分析處理。溫濕度傳感器、光照強度傳感器、風雨傳感器、燃氣探測器、煙感探測器等傳感器模塊將檢測到的溫度、濕度、光照強度、煙霧和可燃氣體濃度等信號利用ZigBee 技術傳入到單片機中，作為控制窗戶和窗簾的開關、報警的參考數據，并且顯示具體數值，同時窗框的限位開關通過控制步進電機正向和反向旋轉，智能的實現窗口的切換。煙霧傳感器檢測到煙霧濃度超過設置的一定值，電機自動轉動打開窗戶直到房間內煙霧低于設定值為止，同樣的原理，風雨傳感器檢測天氣有無明顯變化，紅外檢測模塊檢測光照是否過強或者過弱，即檢測到不正常數據才能執行開窗或者關窗命令，其他傳感器也與之類似的工作流程。