基于MSP430低功耗智能宿舍系統

張凡　陳維多　華偉峰　井科星　駱紅霞

摘 要： 智能宿舍系統以MSP430處理器為核心，通過溫度和光強傳感器，實現宿舍室溫和燈光強度的自動調節；利用非特定語音識別技術實現宿舍電動設備的語音控制功能。采用GSM短信技術實現手機遠程監測（室溫、燈光、門窗）和控制（風扇、空調、音樂播放器、鬧鐘、電動窗簾、加熱器）功能。該系統采用低功耗設計、功能實用、操作方式靈活多樣（手動、紅外遙控、短信控制、語音控制），可應用于集體宿舍等多人居住的場所。

關鍵詞： 智能宿舍； MSP430； GSM； ASR

中圖分類號： TN911?34；TN912.3?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）06?0041?03

0 引 言

隨著科學技術的日新月異，智能化系統已普及到世界的各個角落，智能家居的應用也早已問世。對大學生宿舍進行人性化、智能化的改造是目前面臨的一個主要問題。

隨室內環境變化而變化的光線，有助于保護室內人員的視力，減少不良影響；利用非特定語音識別技術，能更好的實現用語音對室內各種用電器的控制。本文設計的低功耗智能宿舍系統可以實現多種功能，包括光線、溫度自動調節，智能起床喚醒，語音控制，手機短信控制以及安全監測等功能。在智能化、信息化的當今社會，設計這樣的智能系統既能給大學生帶來無限的幫助和快樂，又能使他們的生活更加豐富和安全。

1 系統總體方案設計

智能宿舍系統總體框圖如圖1所示。該系統以MSP430處理器為核心，配合外圍的非特定語音識別模塊（ASR）、手機通信模塊（GSM）、傳感器模塊和紅外遙控模塊組成信息采集部分。通過ZigBee無線通信，配合外圍的門鎖控制、風扇/空調控制、顯示模塊（12864）組成執行機構，實現系統的智能控制功能。ASR、GSM、光敏電阻和溫度傳感器將采集到信息，發送給MSP430處理器，MSP430處理完后，將控制命令發送給門鎖控制、風扇/空調控制和顯示控制等設備，實現對外圍設備的控制。此外還可以通過紅外遙控和鍵盤對風扇/空調、門鎖和鬧鐘實施控制。

2 硬件設計

2.1 ZigBee無線傳輸模塊

本設計采用CEL公司自主研發的ZICM2410P0模塊（2.4 GHz/IEEE 802.15.4），此模塊為無線網絡提供一個高性能低成本的組網方案，CELs ZIC2410芯片上集成了ZigBee無線收發器和一個單指令內嵌FLASH空間的51CPU核，同時還有GPIO、UART、音頻解碼器。ZigBee數據收發的速率最高可達1 Mb/s。ZICM2410P0模塊內嵌音頻處理單元，特別適合語音傳輸，外部音頻處理芯片通過I2C/SPI/UART接口輸入音頻信息到ZICM2410，經過音頻接口（PCM/μ?a?law/ADPCM可選），再傳輸到MAC層的FIFO中，經由PHY層發送至空中，收方按照反流程進行接收播放。另外，ZigBee模塊在8～48 Kb/s的采樣率下，憑借ZICM2410 500 Kb/s～1 Mb/s的ZigBee傳輸速率，可滿足音頻數據的雙向傳輸。因此本設計采用ZigBee對語音進行無線傳輸。

2.2 語音控制模塊

語音控制模塊的核心芯片為LD3320，是一款“語音識別”專用芯片，由ICRoute公司設計生產。該芯片集成了語音識別處理器和一些外部電路，包括A/D、D/A轉換器、麥克風接口、聲音輸出接口等。該芯片在設計上注重節能與高效，不需要外接任何的輔助芯片如FLASH、RAM等，直接集成在現有的產品中即可以實現語音識別/聲控/人機對話等功能。并且識別的關鍵詞語列表是可以任意動態編輯的。語音識別芯片完成的主要工作是：把通過MIC輸入的聲音進行頻譜分析→提取語音特征→與關鍵詞語列表中關鍵詞語進行對比匹配→找出得分最高的關鍵詞語作為識別結果輸出。

2.3 手機短信與GSM模塊

用手機短信控制整個系統是本設計的一個關鍵點。以手機短信的形式將用戶的需求發送給GSM模塊，GSM將用戶信息發送給單片機，單片機處理后發出控制命令，執行機構完成相應的控制功能。GSM模塊是整個手機遠程控制的“中樞”，它通過RS 232接口與MSP430單片機相連，二者可以進行數據交換。GSM模塊采用西門子公司生產的TC35模塊輔以外圍電路和SIM卡構成。同時提供電話、短信提醒等功能，以確保宿舍的安全。

2.4 紅外遙控模塊

紅外遙控模塊[1]由紅外發射裝置和紅外接收設備兩大部分組成，紅外發射裝置由紅外發射管、編碼電路和鍵盤組成，紅外接收設備由紅外接收電路、紅外解碼芯片和電源組成。為了提高紅外系統的抗干擾能力，發送端將基帶二進制信號調制為脈沖信號。

2.5 溫度/光線調節模塊

溫度調節模塊[1?5]是通過DS18B20對外界溫度進行采集的，當溫度過高或過低時單片機對空調做出相應的調節。光線調節模塊分為光線采集和燈光自動調節模塊。利用光敏電阻對外界光線進行采集，根據光強的實時變化輸出PWM波，利用L298驅動高亮LED燈。

2.6 時鐘顯示模塊[6]

采用12864液晶塊顯示由日歷芯片（DS1302）讀取的日期、時間數據。液晶顯示器與MSP430之間采用并口通信。可利用紅外遙控器對時間進行設定，用于設置起床時間（精確到分）。

DS1302 是美國DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗的實時時鐘芯片，附加31 B靜態RAM，采用SPI 三線接口與CPU 進行通信，并可采用突發方式一次傳送多個字節的時鐘信號和RAM 數據。實時時鐘可提供秒、分、時、日、星期、月和年。工作電壓范圍2.5～5.5 V。采用雙電源供電（主電源和備用電源），可設置備用電源充電方式，提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力。

3 軟件設計

3.1 語音識別及控制算法設計

語音識別軟件流程如圖2 所示。

算法流程首先將關鍵詞語寫入識別列表，識別列表即是預先存入語音芯片的語音指令，例如“開燈”，“關燈”等。如果語音芯片最后識別出的結果位于識別列表中，例如識別結果為“開燈”，那么語音模塊將會給出一個信號，單片機處理后發出控制命令到電燈驅動板，從而使燈打開。識別列表的規則：每個識別條目對應一個特定的編號（1 B），不同的識別條目的編號可以相同，而且不用連續。本芯片最多支持50個識別條目，每個識別條目是標準普通話的漢語拼音（小寫），每2個字（漢語拼音）之間用一個空格間隔。

3.2 紅外控制模塊[1]

本系統除了語音控制外，還有紅外遙控裝置，紅外控制軟件流程如圖3所示。紅外系統初始化后，進入紅外遙控菜單設置，設置完成后退出菜單設置，判斷主界面是否符合設置，如果符合，執行相應的動作。

4 結 語

隨著科技的進步，能源的短缺，對產品的低功耗、低污染要求越來越高。該系統的特點是低功耗設計、功能實用、操作方式靈活多樣（除傳統的手動控制按鈕方式外，增加了語音控制、手機短信控制等）。該系統能夠通過手機短信監測宿舍的各項狀況，及時對未關燈、門窗、空調等特殊情況進行處理，確保宿舍安全；該系統可廣泛應用于宿舍等多人居住的情況，給人們帶來舒適、健康、安全的生活環境，具有較好的實用性。

參考文獻

[1] 張洪潤.張亞凡.單片機原理及應用[M].北京：清華大學出版社，1999.

[2] 張希.王德銀，張晨.MSP430系列單片機使用C語言程序設計[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[3] 饒志強，韓彩霞.單片機原理及應用[M].武漢：華中科技大學出版社，2013.

[4] 李瓊瑞.國外最新應用電路設計精選[M].北京：電子工業出版社，2000.

[5] 秦龍.MSP430單片機常用模塊與綜合系統實例精講[M].北京：電子工業出版社，2007.

[6] 趙海蘭，朱劍，趙祥偉.DS1302實時顯示時間的原理與應用[J].電子技術，2004（1）：43?46.

[7] 吳舒辭，張發生，劉金華.電路分析基礎[M].北京：北京大學出版社，2012.

[8] 劉涇.數字電子技術實驗指導[M].成都：西南交通大學出版社，2011.

[9] 黃智偉.全國大學生電子設計競賽技能訓練[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[10] 潘瑋，楊祥，王惠紅.溫室智能控制系統設計與開發[J].山東理工大學學報：自然科學版，2011（4）：82?84.

3 軟件設計

3.1 語音識別及控制算法設計

語音識別軟件流程如圖2 所示。

算法流程首先將關鍵詞語寫入識別列表，識別列表即是預先存入語音芯片的語音指令，例如“開燈”，“關燈”等。如果語音芯片最后識別出的結果位于識別列表中，例如識別結果為“開燈”，那么語音模塊將會給出一個信號，單片機處理后發出控制命令到電燈驅動板，從而使燈打開。識別列表的規則：每個識別條目對應一個特定的編號（1 B），不同的識別條目的編號可以相同，而且不用連續。本芯片最多支持50個識別條目，每個識別條目是標準普通話的漢語拼音（小寫），每2個字（漢語拼音）之間用一個空格間隔。

3.2 紅外控制模塊[1]

本系統除了語音控制外，還有紅外遙控裝置，紅外控制軟件流程如圖3所示。紅外系統初始化后，進入紅外遙控菜單設置，設置完成后退出菜單設置，判斷主界面是否符合設置，如果符合，執行相應的動作。

4 結 語

隨著科技的進步，能源的短缺，對產品的低功耗、低污染要求越來越高。該系統的特點是低功耗設計、功能實用、操作方式靈活多樣（除傳統的手動控制按鈕方式外，增加了語音控制、手機短信控制等）。該系統能夠通過手機短信監測宿舍的各項狀況，及時對未關燈、門窗、空調等特殊情況進行處理，確保宿舍安全；該系統可廣泛應用于宿舍等多人居住的情況，給人們帶來舒適、健康、安全的生活環境，具有較好的實用性。

參考文獻

[1] 張洪潤.張亞凡.單片機原理及應用[M].北京：清華大學出版社，1999.

[2] 張希.王德銀，張晨.MSP430系列單片機使用C語言程序設計[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[3] 饒志強，韓彩霞.單片機原理及應用[M].武漢：華中科技大學出版社，2013.

[4] 李瓊瑞.國外最新應用電路設計精選[M].北京：電子工業出版社，2000.

[5] 秦龍.MSP430單片機常用模塊與綜合系統實例精講[M].北京：電子工業出版社，2007.

[6] 趙海蘭，朱劍，趙祥偉.DS1302實時顯示時間的原理與應用[J].電子技術，2004（1）：43?46.

[7] 吳舒辭，張發生，劉金華.電路分析基礎[M].北京：北京大學出版社，2012.

[8] 劉涇.數字電子技術實驗指導[M].成都：西南交通大學出版社，2011.

[9] 黃智偉.全國大學生電子設計競賽技能訓練[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[10] 潘瑋，楊祥，王惠紅.溫室智能控制系統設計與開發[J].山東理工大學學報：自然科學版，2011（4）：82?84.

3 軟件設計

3.1 語音識別及控制算法設計

語音識別軟件流程如圖2 所示。

算法流程首先將關鍵詞語寫入識別列表，識別列表即是預先存入語音芯片的語音指令，例如“開燈”，“關燈”等。如果語音芯片最后識別出的結果位于識別列表中，例如識別結果為“開燈”，那么語音模塊將會給出一個信號，單片機處理后發出控制命令到電燈驅動板，從而使燈打開。識別列表的規則：每個識別條目對應一個特定的編號（1 B），不同的識別條目的編號可以相同，而且不用連續。本芯片最多支持50個識別條目，每個識別條目是標準普通話的漢語拼音（小寫），每2個字（漢語拼音）之間用一個空格間隔。

3.2 紅外控制模塊[1]

本系統除了語音控制外，還有紅外遙控裝置，紅外控制軟件流程如圖3所示。紅外系統初始化后，進入紅外遙控菜單設置，設置完成后退出菜單設置，判斷主界面是否符合設置，如果符合，執行相應的動作。

4 結 語

隨著科技的進步，能源的短缺，對產品的低功耗、低污染要求越來越高。該系統的特點是低功耗設計、功能實用、操作方式靈活多樣（除傳統的手動控制按鈕方式外，增加了語音控制、手機短信控制等）。該系統能夠通過手機短信監測宿舍的各項狀況，及時對未關燈、門窗、空調等特殊情況進行處理，確保宿舍安全；該系統可廣泛應用于宿舍等多人居住的情況，給人們帶來舒適、健康、安全的生活環境，具有較好的實用性。

參考文獻

[1] 張洪潤.張亞凡.單片機原理及應用[M].北京：清華大學出版社，1999.

[2] 張希.王德銀，張晨.MSP430系列單片機使用C語言程序設計[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[3] 饒志強，韓彩霞.單片機原理及應用[M].武漢：華中科技大學出版社，2013.

[4] 李瓊瑞.國外最新應用電路設計精選[M].北京：電子工業出版社，2000.

[5] 秦龍.MSP430單片機常用模塊與綜合系統實例精講[M].北京：電子工業出版社，2007.

[6] 趙海蘭，朱劍，趙祥偉.DS1302實時顯示時間的原理與應用[J].電子技術，2004（1）：43?46.

[7] 吳舒辭，張發生，劉金華.電路分析基礎[M].北京：北京大學出版社，2012.

[8] 劉涇.數字電子技術實驗指導[M].成都：西南交通大學出版社，2011.

[9] 黃智偉.全國大學生電子設計競賽技能訓練[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[10] 潘瑋，楊祥，王惠紅.溫室智能控制系統設計與開發[J].山東理工大學學報：自然科學版，2011（4）：82?84.