基于MSP430低功耗智能宿舍系統(tǒng)

張凡　陳維多　華偉峰　井科星　駱紅霞

摘 要： 智能宿舍系統(tǒng)以MSP430處理器為核心，通過(guò)溫度和光強(qiáng)傳感器，實(shí)現(xiàn)宿舍室溫和燈光強(qiáng)度的自動(dòng)調(diào)節(jié)；利用非特定語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)宿舍電動(dòng)設(shè)備的語(yǔ)音控制功能。采用GSM短信技術(shù)實(shí)現(xiàn)手機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)（室溫、燈光、門窗）和控制（風(fēng)扇、空調(diào)、音樂播放器、鬧鐘、電動(dòng)窗簾、加熱器）功能。該系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)、功能實(shí)用、操作方式靈活多樣（手動(dòng)、紅外遙控、短信控制、語(yǔ)音控制），可應(yīng)用于集體宿舍等多人居住的場(chǎng)所。

關(guān)鍵詞： 智能宿舍； MSP430； GSM； ASR

中圖分類號(hào)： TN911?34；TN912.3?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）06?0041?03

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，智能化系統(tǒng)已普及到世界的各個(gè)角落，智能家居的應(yīng)用也早已問(wèn)世。對(duì)大學(xué)生宿舍進(jìn)行人性化、智能化的改造是目前面臨的一個(gè)主要問(wèn)題。

隨室內(nèi)環(huán)境變化而變化的光線，有助于保護(hù)室內(nèi)人員的視力，減少不良影響；利用非特定語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)，能更好的實(shí)現(xiàn)用語(yǔ)音對(duì)室內(nèi)各種用電器的控制。本文設(shè)計(jì)的低功耗智能宿舍系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種功能，包括光線、溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)，智能起床喚醒，語(yǔ)音控制，手機(jī)短信控制以及安全監(jiān)測(cè)等功能。在智能化、信息化的當(dāng)今社會(huì)，設(shè)計(jì)這樣的智能系統(tǒng)既能給大學(xué)生帶來(lái)無(wú)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(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

智能宿舍系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。該系統(tǒng)以MSP430處理器為核心，配合外圍的非特定語(yǔ)音識(shí)別模塊（ASR）、手機(jī)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(guò)ZigBee無(wú)線通信，配合外圍的門鎖控制、風(fēng)扇/空調(diào)控制、顯示模塊（12864）組成執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)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(fā)送給MSP430處理器，MSP430處理完后，將控制命令發(fā)送給門鎖控制、風(fēng)扇/空調(diào)控制和顯示控制等設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)外圍設(shè)備的控制。此外還可以通過(guò)紅外遙控和鍵盤對(duì)風(fēng)扇/空調(diào)、門鎖和鬧鐘實(shí)施控制。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 ZigBee無(wú)線傳輸模塊

本設(shè)計(jì)采用CEL公司自主研發(fā)的ZICM2410P0模塊（2.4 GHz/IEEE 802.15.4），此模塊為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)高性能低成本的組網(wǎng)方案，CELs ZIC2410芯片上集成了ZigBee無(wú)線收發(fā)器和一個(gè)單指令內(nèi)嵌FLASH空間的51CPU核，同時(shí)還有GPIO、UART、音頻解碼器。ZigBee數(shù)據(jù)收發(fā)的速率最高可達(dá)1 Mb/s。ZICM2410P0模塊內(nèi)嵌音頻處理單元，特別適合語(yǔ)音傳輸，外部音頻處理芯片通過(guò)I2C/SPI/UART接口輸入音頻信息到ZICM2410，經(jīng)過(guò)音頻接口（PCM/μ?a?law/ADPCM可選），再傳輸?shù)組AC層的FIFO中，經(jīng)由PHY層發(fā)送至空中，收方按照反流程進(jìn)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(shù)據(jù)的雙向傳輸。因此本設(shè)計(jì)采用ZigBee對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行無(wú)線傳輸。

2.2 語(yǔ)音控制模塊

語(yǔ)音控制模塊的核心芯片為L(zhǎng)D3320，是一款“語(yǔ)音識(shí)別”專用芯片，由ICRoute公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)。該芯片集成了語(yǔ)音識(shí)別處理器和一些外部電路，包括A/D、D/A轉(zhuǎn)換器、麥克風(fēng)接口、聲音輸出接口等。該芯片在設(shè)計(jì)上注重節(jié)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(xiàn)有的產(chǎn)品中即可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音識(shí)別/聲控/人機(jī)對(duì)話等功能。并且識(shí)別的關(guān)鍵詞語(yǔ)列表是可以任意動(dòng)態(tài)編輯的。語(yǔ)音識(shí)別芯片完成的主要工作是：把通過(guò)MIC輸入的聲音進(jìn)行頻譜分析→提取語(yǔ)音特征→與關(guān)鍵詞語(yǔ)列表中關(guān)鍵詞語(yǔ)進(jìn)行對(duì)比匹配→找出得分最高的關(guān)鍵詞語(yǔ)作為識(shí)別結(jié)果輸出。

2.3 手機(jī)短信與GSM模塊

用手機(jī)短信控制整個(gè)系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。以手機(jī)短信的形式將用戶的需求發(fā)送給GSM模塊，GSM將用戶信息發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)處理后發(fā)出控制命令，執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的控制功能。GSM模塊是整個(gè)手機(jī)遠(yuǎn)程控制的“中樞”，它通過(guò)RS 232接口與MSP430單片機(jī)相連，二者可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。GSM模塊采用西門子公司生產(chǎn)的TC35模塊輔以外圍電路和SIM卡構(gòu)成。同時(shí)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(fā)射裝置和紅外接收設(shè)備兩大部分組成，紅外發(fā)射裝置由紅外發(fā)射管、編碼電路和鍵盤組成，紅外接收設(shè)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(tǒng)的抗干擾能力，發(fā)送端將基帶二進(jìn)制信號(hào)調(diào)制為脈沖信號(hào)。

2.5 溫度/光線調(diào)節(jié)模塊

溫度調(diào)節(jié)模塊[1?5]是通過(guò)DS18B20對(duì)外界溫度進(jìn)行采集的，當(dāng)溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)單片機(jī)對(duì)空調(diào)做出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。光線調(diào)節(jié)模塊分為光線采集和燈光自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊。利用光敏電阻對(duì)外界光線進(jìn)行采集，根據(jù)光強(qiáng)的實(shí)時(shí)變化輸出PWM波，利用L298驅(qū)動(dòng)高亮LED燈。

2.6 時(shí)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(shí)間數(shù)據(jù)。液晶顯示器與MSP430之間采用并口通信?？衫眉t外遙控器對(duì)時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，用于設(shè)置起床時(shí)間（精確到分）。

DS1302 是美國(guó)DALLAS 公司推出的一種高性能、低功耗的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，附加31 B靜態(tài)RAM，采用SPI 三線接口與CPU 進(jìn)行通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)和RAM 數(shù)據(jù)。實(shí)時(shí)時(shí)鐘可提供秒、分、時(shí)、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(shè)置備用電源充電方式，提供了對(duì)后備電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 語(yǔ)音識(shí)別及控制算法設(shè)計(jì)

語(yǔ)音識(shí)別軟件流程如圖2 所示。

算法流程首先將關(guān)鍵詞語(yǔ)寫入識(shí)別列表，識(shí)別列表即是預(yù)先存入語(yǔ)音芯片的語(yǔ)音指令，例如“開燈”，“關(guān)燈”等。如果語(yǔ)音芯片最后識(shí)別出的結(jié)果位于識(shí)別列表中，例如識(shí)別結(jié)果為“開燈”，那么語(yǔ)音模塊將會(huì)給出一個(gè)信號(hào)，單片機(jī)處理后發(fā)出控制命令到電燈驅(qū)動(dòng)板，從而使燈打開。識(shí)別列表的規(guī)則：每個(gè)識(shí)別條目對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的編號(hào)（1 B），不同的識(shí)別條目的編號(hào)可以相同，而且不用連續(xù)。本芯片最多支持50個(gè)識(shí)別條目，每個(gè)識(shí)別條目是標(biāo)準(zhǔn)普通話的漢語(yǔ)拼音（小寫），每2個(gè)字（漢語(yǔ)拼音）之間用一個(gè)空格間隔。

3.2 紅外控制模塊[1]

本系統(tǒng)除了語(yǔ)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(tǒng)初始化后，進(jìn)入紅外遙控菜單設(shè)置，設(shè)置完成后退出菜單設(shè)置，判斷主界面是否符合設(shè)置，如果符合，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步，能源的短缺，對(duì)產(chǎn)品的低功耗、低污染要求越來(lái)越高。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是低功耗設(shè)計(jì)、功能實(shí)用、操作方式靈活多樣（除傳統(tǒng)的手動(dòng)控制按鈕方式外，增加了語(yǔ)音控制、手機(jī)短信控制等）。該系統(tǒng)能夠通過(guò)手機(jī)短信監(jiān)測(cè)宿舍的各項(xiàng)狀況，及時(shí)對(duì)未關(guān)燈、門窗、空調(diào)等特殊情況進(jìn)行處理，確保宿舍安全；該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于宿舍等多人居住的情況，給人們帶來(lái)舒適、健康、安全的生活環(huán)境，具有較好的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張洪潤(rùn).張亞凡.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[2] 張希.王德銀，張晨.MSP430系列單片機(jī)使用C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[3] 饒志強(qiáng)，韓彩霞.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2013.

[4] 李瓊?cè)?國(guó)外最新應(yīng)用電路設(shè)計(jì)精選[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[5] 秦龍.MSP430單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[6] 趙海蘭，朱劍，趙祥偉.DS1302實(shí)時(shí)顯示時(shí)間的原理與應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2004（1）：43?46.

[7] 吳舒辭，張發(fā)生，劉金華.電路分析基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012.

[8] 劉涇.數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.

[9] 黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽技能訓(xùn)練[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[10] 潘瑋，楊祥，王惠紅.溫室智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（4）：82?84.

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 語(yǔ)音識(shí)別及控制算法設(shè)計(jì)

語(yǔ)音識(shí)別軟件流程如圖2 所示。

算法流程首先將關(guān)鍵詞語(yǔ)寫入識(shí)別列表，識(shí)別列表即是預(yù)先存入語(yǔ)音芯片的語(yǔ)音指令，例如“開燈”，“關(guān)燈”等。如果語(yǔ)音芯片最后識(shí)別出的結(jié)果位于識(shí)別列表中，例如識(shí)別結(jié)果為“開燈”，那么語(yǔ)音模塊將會(huì)給出一個(gè)信號(hào)，單片機(jī)處理后發(fā)出控制命令到電燈驅(qū)動(dòng)板，從而使燈打開。識(shí)別列表的規(guī)則：每個(gè)識(shí)別條目對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的編號(hào)（1 B），不同的識(shí)別條目的編號(hào)可以相同，而且不用連續(xù)。本芯片最多支持50個(gè)識(shí)別條目，每個(gè)識(shí)別條目是標(biāo)準(zhǔn)普通話的漢語(yǔ)拼音（小寫），每2個(gè)字（漢語(yǔ)拼音）之間用一個(gè)空格間隔。

3.2 紅外控制模塊[1]

本系統(tǒng)除了語(yǔ)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(tǒng)初始化后，進(jìn)入紅外遙控菜單設(shè)置，設(shè)置完成后退出菜單設(shè)置，判斷主界面是否符合設(shè)置，如果符合，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步，能源的短缺，對(duì)產(chǎn)品的低功耗、低污染要求越來(lái)越高。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是低功耗設(shè)計(jì)、功能實(shí)用、操作方式靈活多樣（除傳統(tǒng)的手動(dòng)控制按鈕方式外，增加了語(yǔ)音控制、手機(jī)短信控制等）。該系統(tǒng)能夠通過(guò)手機(jī)短信監(jiān)測(cè)宿舍的各項(xiàng)狀況，及時(shí)對(duì)未關(guān)燈、門窗、空調(diào)等特殊情況進(jìn)行處理，確保宿舍安全；該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于宿舍等多人居住的情況，給人們帶來(lái)舒適、健康、安全的生活環(huán)境，具有較好的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張洪潤(rùn).張亞凡.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[2] 張希.王德銀，張晨.MSP430系列單片機(jī)使用C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[3] 饒志強(qiáng)，韓彩霞.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2013.

[4] 李瓊?cè)?國(guó)外最新應(yīng)用電路設(shè)計(jì)精選[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[5] 秦龍.MSP430單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[6] 趙海蘭，朱劍，趙祥偉.DS1302實(shí)時(shí)顯示時(shí)間的原理與應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2004（1）：43?46.

[7] 吳舒辭，張發(fā)生，劉金華.電路分析基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012.

[8] 劉涇.數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.

[9] 黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽技能訓(xùn)練[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[10] 潘瑋，楊祥，王惠紅.溫室智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（4）：82?84.

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 語(yǔ)音識(shí)別及控制算法設(shè)計(jì)

語(yǔ)音識(shí)別軟件流程如圖2 所示。

算法流程首先將關(guān)鍵詞語(yǔ)寫入識(shí)別列表，識(shí)別列表即是預(yù)先存入語(yǔ)音芯片的語(yǔ)音指令，例如“開燈”，“關(guān)燈”等。如果語(yǔ)音芯片最后識(shí)別出的結(jié)果位于識(shí)別列表中，例如識(shí)別結(jié)果為“開燈”，那么語(yǔ)音模塊將會(huì)給出一個(gè)信號(hào)，單片機(jī)處理后發(fā)出控制命令到電燈驅(qū)動(dòng)板，從而使燈打開。識(shí)別列表的規(guī)則：每個(gè)識(shí)別條目對(duì)應(yīng)一個(gè)特定的編號(hào)（1 B），不同的識(shí)別條目的編號(hào)可以相同，而且不用連續(xù)。本芯片最多支持50個(gè)識(shí)別條目，每個(gè)識(shí)別條目是標(biāo)準(zhǔn)普通話的漢語(yǔ)拼音（小寫），每2個(gè)字（漢語(yǔ)拼音）之間用一個(gè)空格間隔。

3.2 紅外控制模塊[1]

本系統(tǒng)除了語(yǔ)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(tǒng)初始化后，進(jìn)入紅外遙控菜單設(shè)置，設(shè)置完成后退出菜單設(shè)置，判斷主界面是否符合設(shè)置，如果符合，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步，能源的短缺，對(duì)產(chǎn)品的低功耗、低污染要求越來(lái)越高。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是低功耗設(shè)計(jì)、功能實(shí)用、操作方式靈活多樣（除傳統(tǒng)的手動(dòng)控制按鈕方式外，增加了語(yǔ)音控制、手機(jī)短信控制等）。該系統(tǒng)能夠通過(guò)手機(jī)短信監(jiān)測(cè)宿舍的各項(xiàng)狀況，及時(shí)對(duì)未關(guān)燈、門窗、空調(diào)等特殊情況進(jìn)行處理，確保宿舍安全；該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于宿舍等多人居住的情況，給人們帶來(lái)舒適、健康、安全的生活環(huán)境，具有較好的實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 張洪潤(rùn).張亞凡.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999.

[2] 張希.王德銀，張晨.MSP430系列單片機(jī)使用C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[3] 饒志強(qiáng)，韓彩霞.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2013.

[4] 李瓊?cè)?國(guó)外最新應(yīng)用電路設(shè)計(jì)精選[M].北京：電子工業(yè)出版社，2000.

[5] 秦龍.MSP430單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[6] 趙海蘭，朱劍，趙祥偉.DS1302實(shí)時(shí)顯示時(shí)間的原理與應(yīng)用[J].電子技術(shù)，2004（1）：43?46.

[7] 吳舒辭，張發(fā)生，劉金華.電路分析基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2012.

[8] 劉涇.數(shù)字電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.

[9] 黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽技能訓(xùn)練[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[10] 潘瑋，楊祥，王惠紅.溫室智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011（4）：82?84.