基于MSP430的无线家庭安防装置.docx

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基于MSP430的无线家庭安防装置

目录

中文摘要-1-

英文摘要-2-

1引言-3-

2概述-4-

2.1无线传感器网络（WSN）-4-

2.1.1无线传感器网络（WSN）的结构-4-

2.1.2无线传感器网络（WSN）的特点和功用-5-

2.2家庭安防系统-6-

2.2.1传统家庭安防的方法-6-

2.2.2基于无线传感器的家庭安防网络的优点-6-

3系统的总体设计-8-

3.1系统的组成结构-8-

3.2系统开发环境-9-

4系统硬件设计-10-

4.1基站模块设计-10-

4.1.1CC2430无线单片机-10-

4.1.2TS-ZigBee-CC2430无线模块-10-

4.2传感器节点的设计-13-

4.2.1MSP430单片机系统-13-

4.2.2红外线对射模块设计-15-

4.2.3室内检测传感器节点设计-16-

4.2.4温度传感器DS18B20-16-

4.2.5煤气传感器MQ-5-18-

4.2.6烟雾传感器MQA214-19-

4.3系统硬件PCB板设计相关问题-20-

5系统软件设计-21-

5.1红外线对射节点软件流程图-21-

5.2室内检测传感器节点软件流程图-22-

6电路调试与实验结果-24-

6.1硬件电路调试-24-

6.1.1焊接-24-

6.1.2调试-24-

6.1.3调试总结-24-

6.2软件测试-25-

6.2.1MSP430单片机的调试流程-25-

6.2.2调试-25-

6.2.3调试结果总结-26-

结论-27-

谢辞-27-

参考文献-28-

附录一：

硬件电路原理图-29-

附录二：

PCB图及实物图及上位机界面-32-

附录三：

程序源代码-36-

基于MSP430的无线家庭安防装置

摘要：

随着人们生活水平的提高，对于家庭安防的要求也越来越高，近年来智能化的家庭安防越来越引起人们的注意。

本文主要设计了一种基于无线传感器的家庭安防网络。

网络中的传感器节点用MSP430超低功耗单片机作为MCU，采用红外对射传感器检测入侵，环境检测传感器检测室温、烟雾和煤气等可燃气体，并通过ZigBee组建无线通信网络将检测信号发送到远端基站，基站接收传感器节点发来的数据通过串口通信发送给上位机，上位机软件对数据进行处理，实时显示监测值，并对异常情况（入侵、火灾、煤气泄漏等）进行报警。

本系统安全性好，无须布线，布设方便，功耗低，体积小，成本低，而且具有实时性和一定的智能性，可以有效提高家庭安防水平。

关键词：

家庭安防，无线传感器，MSP430，红外对射传感器，ZigBee

Abstract:

Withtheimprovementofpeoplelivingstandards,securityrequirementsofthefamilyhavebecomemoresophisticated,intelligenthomesecurityinrecentyearsbetakenmoreattention.Thispaperdesignedafamilysecuritynet-workbasedonwirelesssensor.Thesensornodesinthenetworkuseultra-lowpowersingle-chipMSP430asMCU,useinfraredsensorstodetectintrusionshot,useenvironmentaltestingsensoratroomtomonitortemperature,smokeandgasandothercombustiblegases,andZigBeewirelesscommunicationsnetworkwillbesetuptosenddetectionmessagetotheremotebasestation.Basestationsendsthereceivedatatothehostcomputerthroughserialcommunication,hostcomputersoftwareprocessesdataprocessing,real-timedisplaysthemonitorvalueoftheabnormal（intrusion,fire,gasleak,etc.）andtakesalarm.Becauseofgoodsecurityofthesystemwithoutcabling,laidconvenience,lowpowerconsumption,smallsize,lowcost,andwithacertaindegreeofintelligence,caneffectivelyincreasethesecuritylevelofthefamily.

Keywords:

Homeburglaralarmsystem;wirelesssensor;MSP430;infraredsensorsontheradio;ZigBee

1引言

无线传感器网络（wirelesssensornetworks,WSN）是由大量具有通信与计算能力的微小传感器节点密集布设而形成的“智能”自治监控网络系统。

该系统能在无人值守的监控区域，根据环境自主完成指定任务。

它是当前对人类生活方式产生重大影响的研究热点之一[1]。

无线传感器网络的应用已由军事领域扩展到其他领域，如环境保护，健康监测，目标跟踪等。

基于无线传感器的家庭安防网络，是将无线传感器网络技术应用到家庭安防中的产品。

家庭安防一直是人们关注的问题。

目前，多数的居民住宅防盗都采用铁栅栏防盗，这样做既不美观，在发生紧急事件如火灾的时候，居民不方便逃生，而且铁栅栏的费用很高。

一些高档小区的报警系统因价格昂贵不能被广大消费者所接受，这也限制了它的推广。

如：

将用户和公安部门联网，当用户家里出现警情会拨号到公安部门，并通过已经建立的数据库及时调出用户详细信息。

此类产品成本相对较高，一般用户难以接受。

而基于传感器技术的报警系统已成为主流，如采用温度传感器、门磁感应传感器和红外对射传感器的报警系统。

其中红外对射传感器的接收器不断接收发射器发射过来的红外信号，当有人从中间经过挡住了红外信号，就会发出报警。

由于红外对射距离非常远，抗干扰能力强，因此可以有效检测盗窃入室。

但由于目前国内外现有的数字家居安防系统的架构主要基于传统的有线网络技术，普遍存在着布线烦琐、施工周期长、后期维护困难、可扩展性差等问题，限制了它在数字家居系统中的应用。

针对以上情况，我们设计基于电池供电的低功耗无线传感器节点的安防报警系统，系统采用超低功耗单片机MSP430[2]作为MCU，嵌入ZigBee无线数据传输设备，使用红外对射传感器、室内检测模块全方位检测异常信号，然后将检测到的异常信号通过无线方式发送到远端基站，以启动报警设备进行报警。

系统嵌入CC2430的ZigBee模块，可以组建无线星状网络、网状网络和簇状网络。

Zigbee节点有几十米的覆盖范围，且可以增加路由节点，扩展覆盖范围。

传感器节点可自由灵活地加入和离开网络，具有低功耗和低成本的特点。

本文分为六章。

第一章介绍本次设计的背景知识；第二章简单介绍了无线传感器网络和家庭安防系统；第三章介绍总体设计和系统的开发环境；第四章详细介绍各个模块硬件设计；第五章描述软件的设计；第六章为硬件以及软件的调试。

2概述

2.1无线传感器网络（WSN）

无线传感器网络（WSN）即随机分布的集成有传感器、数据处理单元和通信单元的微小节点，通过自组织的方式构成的无线网络。

它是由大量传感器节点通过无线通信技术自组织构成的网络，它集成了传感器、微机电系统和网络三大技术，目的是感知、采集和处理网络覆盖围内感知对象的信息，并转发给观察者，是以数据处理为中心的系统。

2.1.1无线传感器网络（WSN）的结构

传感器网络是由大量体积小、成本低、具有无线通信、传感、数据处理功能的传感器节点（sensornode）组成的。

每一个传感器节点由数据采集模块（传感器、A/D转换器）、数据处理和控制模块（微处理器、存储器）、通信模块（无线收发器）和供电模块（电池、DC/DC能量转换器）等组成，如图2.1所示。

图2.1传感器网络节点模块

传感器网络的结构如图2.2所示。

每个节点的功能都是相同的，大量传感器节点被布置在整个被观测区域中，各个传感器节点将自己所探测到的有用信息通过初步的数据处理和信息融合之后传送给用户，数据传送的过程是通过相邻节点的接力传送的方式传送回基站，然后再通过基站以卫星信道或者有线网络连接的方式传送给最终用户。

图2.2传感器网络的结构

2.1.2无线传感器网络（WSN）的特点和功用

无线传感器网络的主要特点有：

（1）传感器网络的节点数量大、密度高。

由于传感器网络节点的微型化，每个节点的通信和传感半径很有限，一般为十几米范围之内，而且为了节能，传感器节点大部分时间处于睡眠状态，所以往往通过铺设大量的传感器节点来保证网络的质量。

（2）传感器网络的节点有一定的故障率。

由于传感器网络可能工作在恶劣的外界环境之中，网络中的节点可能会由于各种不可预料的原因而失效，为了保证网络的正常工作，要求传感器网络必须设计成具有一定的容错能力，允许传感器节点具有一定的故障率。

（3）传感器网络节点在电池能量、计算能力和存储容量等方面有限制。

由于传感器节点微型化，节点的电池能量有限，而且由于物理限制难以给节点更换电池，所以传感器节点的电池能量限制是整个传感器网络设计最关键的约束之一，它直接决定了网络的工作寿命。

另一方面，传感器节点的计算和存储能力有限，使得其不能进行复杂的计算，传统Internet网络上成熟的协议和算法对传感器网络而言开销太大，难以使用，必须重新设计简单有效的协议及算法。

（4）传感器网络的拓扑结构变化很快。

（5）以数据为中心（datacentric）。

在传感器网络中人们只关心某个区域的某个观测指标的值，而不会去关心具体某个节点的观测数据。

无线传感器网络的功能是借助于节点中内置的传感器测量周边环境中的热、红外、声纳、雷达和地震波信号,从而探测包括温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等物质现象。

无线传感器网络是新兴网络，具有微型化、容错性、高灵活性、布网快速等优点，它的应用极为广泛，可以用于军事、环境、医疗保健、空间探索及各种商业应用。

在军事上，由于无线传感器网络具有自组织性、容错能力，特别适合恶劣的战场环境，能很好完成敌方信息的搜集和处理工作。

无线传感器网络大面积、低成本、随机分布的节点能方便地获取环境科学中需要的随机信息的监测与统计，例如监测海洋、大气、降雨量、土壤成分等。

通过置于病人身上的传感器，医生可监测病人的生理情况，更全面及时地了解病况，并能为远程医疗提供帮助。

在空间探索方面，可利用传感器节点对外部空间进行长时间探测，以获得更多数据。

无线传感网的自组织、微型化、高感知能力，使其具有极为广泛的商业运用，如服务业采用无线传感器网络负责商品流通、服务环境秩序、金融流通安全等。

在各种社会活动中，无线传感器网络的应用更是举不胜举。

2.2家庭安防系统

2.2.1传统家庭安防的方法

早期的家庭安防的方法很简单，如防盗锁，防盗门等，在一定程度上保证了家庭的安全，但如果是家庭内部发生了意外情况，比如煤气泄露，发生火灾等，都是无法及时处理的。

随着人们生活节奏的加快，现代人们多忙于工作学习，家中无人的情况比较多，入室行窃，煤气泄露，火灾等时有发生，外出时难免会为家庭的安全担心，像以前安装原始的“铁栅栏”，一方面非常不雅观，有碍市容；另一方面当有危险情况，极有可能将主人困在家中而无法逃生。

智能化的家庭安防系统越来越引起人们的注意，特别适合于家中无人的情况，通过安装多个传感器节点，主人可以轻松的掌握家里的各种情况，具有很好的扩展性，但由于其价格昂贵，还没有达到普及的状况，只有少数的小区安装了这样的智能安防网络。

在这样的背景下，人们希望有一个面向普通居民、价格低廉、运行可靠的自动报警系统，能够及时发现发生的异常情况，把损失降到最低。

2.2.2基于无线传感器的家庭安防网络的优点

传统的家庭安防系统类似大体可以分为四种：

防盗防火报警监控系统，门禁系统、环境检测系统，视频监视系统，各个系统的传感器都有线地连接在基站节点上，造成了布线复杂，成本增加，安全性降低，维护力度大等一系列的问题。

图2.3传统家庭安防系统结构图

如上图所示，由于基站的接口有限，就只能连接有限的传感器节点，减少了安防的多面性，如果想接连更多的传感器节点，就不得不增加基站的个数，布线也会越来越复杂，成本也就随着增加了。

一旦发生危险，可能造成节点与基站断开连接，造成无法通信信息。

综上所述可以很容易的得出基于无线传感器的家庭安防网络的优点，省却了布线的繁杂，同时也保证了网络的安全性，降低了成本。

可以方便地根据实际情况增加或减少传感器节点的数量，具有很强的灵活性，无论从智能化程度，还是从安装使用便利程度上看都是绝对的优势。

针对这一现状本课题将设计基于无线传感器的家庭安防网络装置，增加了网络的可靠性和安全性。

3系统的总体设计

3.1系统的组成结构

系统由一个基站和多个监测传感器节点组成，它们之间采用基于ZigBee技术的无线通信。

图3.1是总体结构简图。

图3.1系统结构框图

基站由ZigBee无线通信模块实时接收传感器节点发送来的数据，通过RS-232串口发送给上位机，上位机软件对数据进行处理，实时显示监测值，并对异常情况进行报警。

每个监测节点由一个或多个室内检测传感器节点和一个窗上红外线对射节点组成。

室内节点装有烟雾、煤气、温度传感器，监测室内环境，但检测到室内异常险情时，将险情类型传送给窗上节点，再由窗上节点将险情类型传送给基站。

室内节点在需要使用时打开，打开即可连入网络，不需要使用时可以关闭。

红外线对射节点监测从窗户入侵到室内的险情，检测到险情后将入侵险情传送给基站，或者接收到从室内节点传送来的数据时，将此数据传送给基站，让基站进行报警。

传感器节点采用MSP430超低功耗单片机作为MCU，红外线对射节点功耗低，可以采用电池供电，3V锂电池供电可以用半年至1年，这样为安装传感器节点提供了方便。

3.2系统开发环境

MSP430和CC2430无线单片机的开发环境都是IAREmbeddedWorkbench集成开发环境，IAREmbeddedWorkbench是支持众多知名半导体公司的微处理器的C编译器，是全球领先的嵌入式系统开发工具和服务的供应商IARSystems的产品。

IAREmbeddedWorkbench可以对MSP430和CC2430单片机C语言进行编译、在线JTAG仿真和下载。

对于硬件，我们使用的开发环境是Protel99SE。

Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层。

4系统硬件设计

4.1基站模块设计

基站最大的特点在于它能与传感器节点进行无线通信，不需要有线的连接，这种体系结构具有很好的扩展性，可以方便地根据实际情况增加或减少传感器节点的数量，具有很强的灵活性。

基站模块还带有RS232串行接口，能与上位机之间进行串行通信，将接收到的数据送给上位机软件进行处理、显示等操作。

4.1.1CC2430无线单片机

CC2430是一颗真正的系统芯片（SoC）CMOS解决方案。

这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用对低成本，低功耗的要求。

它结合一个高性能2.4GHzDSSS（直接序列扩频）射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。

　　CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。

它使用1个8位MCU（8051），具有128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（Watchdogtimer）、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（PowerOnReset）、掉电检测电路（Brownoutdetec-tion），以及21个可编程I/O引脚。

CC2430芯片采用0.18μmCMOS工艺生产；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。

CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

4.1.2TS-ZigBee-CC2430无线模块

CC2430是无线SOC设计，其内部集成了一个高性能2.4GHzDSSS射频射频收发器核心和一个增强型8051控制器核心以及大量必要的电路，因此采用较少的外围电路即可实现信号的收发功能。

本课题使用旭昂公司推出一个符合ZigBee的SOC的单体芯片CC2430和协议栈实现方案TS-ZigBee-CC2430无线模块，如图4.1所示。

图4.1TS-ZigBee-CC2430无线模块

TS-ZigBee-CC2430无线模块是加强型的ZigBee模块，集成了符合ZigBee协议标准的射频收发器和微处理器，它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性；可实现一点对多点及多点对多点之间的设备间数据的透明传输；可组星型和MESH型的网状网络结构。

CC2430无线模块的电路如图4.2所示。

图4.2CC2430无线模块的电路图

通过编写相应的ZigBee协议，TS-ZigBee-CC2430模块可以直接与上位机之间通过串口通信。

串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议（不要与通用串行总线UniversalSerialBus或者USB混淆）。

大多数计算机包含两个基于RS232的串口。

串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。

串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。

尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据。

它很简单并且能够实现远距离通信。

比如IEEE488定义并行通行状态时，规定设备线总长不得超过20米，并且任意两个设备间的长度不得超过2米；而对于串口而言，长度可达1200米。

典型地，串口用于ASCII码字符的传输。

通信使用3根线完成：

（1）地线，

（2）发送，（3）接收。

由于串口通信是异步的，端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。

其他线用于握手，但是不是必须的。

串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。

CC2430单片机的P0.3和P0.2口用作串行通信的收发端口，由于单片机引脚信号为3VTTL电平信号，需要通过MAX3232芯片转换成RS232信号与PC串口相连。

单片机的串行接口电路如图4.3所示。

图4.3MAX3232串行通信接口电路

MAX3232芯片含有两路发送器和接收器，T1IN、T2IN、R1OUT、R2OUT为接TTL电平的引脚，T1OUT、T2OUT、R1IN、R2IN为接RS232C电平的引脚。

图中给出了其中的一路串行通信接口电路。

4.2传感器节点的设计

网络中的传感器节点用MSP430超低功耗单片机作为MCU，采用红外对射传感器检测入侵，环境检测传感器检测室温、烟雾和煤气等可燃气体，并通过ZigBee组建无线通信网络将检测信号发送到远端基站。

4.2.1MSP430单片机系统

MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器（MixedSignalProcessor）。

称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。

　　超低功耗MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。

　　首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.8~3.6V电压。

因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200~400uA左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA。

　　其次，独特的时钟系统设计。

在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统：

基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。

有的使用一个晶体振荡器（32768Hz）,有的使用两个晶体振荡器。

由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。

并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。

　　由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。

在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。

在等待方式下，耗电为0.7uA，在节电方式下，最低可达0.1uA。

　　MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。

它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A（Timer_A）、定时器B（Timer_B）、串口0、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、16位Sigma-DeltaAD、直接寻址模块（DMA）、端口O（P0）、端口1~6（P1~P6）、基本定时器（BasicTimer）等的一些外围模块的不同组合。

其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，最多达6*8条I/O口线；P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12/14位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件IIC串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（DMA）模块。

MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

目前MSP430系列有OPT型、FLASH型和ROM型三种类型的器件，这些器