基于MSP430低功耗智能宿舍系统

张凡　陈维多　华伟峰　井科星　骆红霞

摘 要： 智能宿舍系统以MSP430处理器为核心，通过温度和光强传感器，实现宿舍室温和灯光强度的自动调节；利用非特定语音识别技术实现宿舍电动设备的语音控制功能。采用GSM短信技术实现手机远程监测（室温、灯光、门窗）和控制（风扇、空调、音乐播放器、闹钟、电动窗帘、加热器）功能。该系统采用低功耗设计、功能实用、操作方式灵活多样（手动、红外遥控、短信控制、语音控制），可应用于集体宿舍等多人居住的场所。

关键词： 智能宿舍； MSP430； GSM； ASR

中图分类号： TN911?34；TN912.3?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）06?0041?03

0 引 言

随着科学技术的日新月异，智能化系统已普及到世界的各个角落，智能家居的应用也早已问世。对大学生宿舍进行人性化、智能化的改造是目前面临的一个主要问题。

随室内环境变化而变化的光线，有助于保护室内人员的视力，减少不良影响；利用非特定语音识别技术，能更好的实现用语音对室内各种用电器的控制。本文设计的低功耗智能宿舍系统可以实现多种功能，包括光线、温度自动调节，智能起床唤醒，语音控制，手机短信控制以及安全监测等功能。在智能化、信息化的当今社会，设计这样的智能系统既能给大学生带来无限的帮助和快乐，又能使他们的生活更加丰富和安全。

1 系统总体方案设计

智能宿舍系统总体框图如图1所示。该系统以MSP430处理器为核心，配合外围的非特定语音识别模块（ASR）、手机通信模块（GSM）、传感器模块和红外遥控模块组成信息采集部分。通过ZigBee无线通信，配合外围的门锁控制、风扇/空调控制、显示模块（12864）组成执行机构，实现系统的智能控制功能。ASR、GSM、光敏电阻和温度传感器将采集到信息，发送给MSP430处理器，MSP430处理完后，将控制命令发送给门锁控制、风扇/空调控制和显示控制等设备，实现对外围设备的控制。此外还可以通过红外遥控和键盘对风扇/空调、门锁和闹钟实施控制。

2 硬件设计

2.1 ZigBee无线传输模块

本设计采用CEL公司自主研发的ZICM2410P0模块（2.4 GHz/IEEE 802.15.4），此模块为无线网络提供一个高性能低成本的组网方案，CELs ZIC2410芯片上集成了ZigBee无线收发器和一个单指令内嵌FLASH空间的51CPU核，同时还有GPIO、UART、音频解码器。ZigBee数据收发的速率最高可达1 Mb/s。ZICM2410P0模块内嵌音频处理单元，特别适合语音传输，外部音频处理芯片通过I2C/SPI/UART接口输入音频信息到ZICM2410，经过音频接口（PCM/μ?a?law/ADPCM可选），再传输到MAC层的FIFO中，经由PHY层发送至空中，收方按照反流程进行接收播放。另外，ZigBee模块在8～48 Kb/s的采样率下，凭借ZICM2410 500 Kb/s～1 Mb/s的ZigBee传输速率，可满足音频数据的双向传输。因此本设计采用ZigBee对语音进行无线传输。

2.2 语音控制模块

语音控制模块的核心芯片为LD3320，是一款“语音识别”专用芯片，由ICRoute公司设计生产。该芯片集成了语音识别处理器和一些外部电路，包括A/D、D/A转换器、麦克风接口、声音输出接口等。该芯片在设计上注重节能与高效，不需要外接任何的辅助芯片如FLASH、RAM等，直接集成在现有的产品中即可以实现语音识别/声控/人机对话等功能。并且识别的关键词语列表是可以任意动态编辑的。语音识别芯片完成的主要工作是：把通过MIC输入的声音进行频谱分析→提取语音特征→与关键词语列表中关键词语进行对比匹配→找出得分最高的关键词语作为识别结果输出。

2.3 手机短信与GSM模块

用手机短信控制整个系统是本设计的一个关键点。以手机短信的形式将用户的需求发送给GSM模块，GSM将用户信息发送给单片机，单片机处理后发出控制命令，执行机构完成相应的控制功能。GSM模块是整个手机远程控制的“中枢”，它通过RS 232接口与MSP430单片机相连，二者可以进行数据交换。GSM模块采用西门子公司生产的TC35模块辅以外围电路和SIM卡构成。同时提供电话、短信提醒等功能，以确保宿舍的安全。

2.4 红外遥控模块

红外遥控模块[1]由红外发射装置和红外接收设备两大部分组成，红外发射装置由红外发射管、编码电路和键盘组成，红外接收设备由红外接收电路、红外解码芯片和电源组成。为了提高红外系统的抗干扰能力，发送端将基带二进制信号调制为脉冲信号。

2.5 温度/光线调节模块

温度调节模块[1?5]是通过DS18B20对外界温度进行采集的，当温度过高或过低时单片机对空调做出相应的调节。光线调节模块分为光线采集和灯光自动调节模块。利用光敏电阻对外界光线进行采集，根据光强的实时变化输出PWM波，利用L298驱动高亮LED灯。

2.6 时钟显示模块[6]

采用12864液晶块显示由日历芯片（DS1302）读取的日期、时间数据。液晶显示器与MSP430之间采用并口通信。可利用红外遥控器对时间进行设定，用于设置起床时间（精确到分）。

DS1302 是美国DALLAS 公司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，附加31 B静态RAM，采用SPI 三线接口与CPU 进行通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM 数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年。工作电压范围2.5～5.5 V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式，提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。

3 软件设计

3.1 语音识别及控制算法设计

语音识别软件流程如图2 所示。

算法流程首先将关键词语写入识别列表，识别列表即是预先存入语音芯片的语音指令，例如“开灯”，“关灯”等。如果语音芯片最后识别出的结果位于识别列表中，例如识别结果为“开灯”，那么语音模块将会给出一个信号，单片机处理后发出控制命令到电灯驱动板，从而使灯打开。识别列表的规则：每个识别条目对应一个特定的编号（1 B），不同的识别条目的编号可以相同，而且不用连续。本芯片最多支持50个识别条目，每个识别条目是标准普通话的汉语拼音（小写），每2个字（汉语拼音）之间用一个空格间隔。

3.2 红外控制模块[1]

本系统除了语音控制外，还有红外遥控装置，红外控制软件流程如图3所示。红外系统初始化后，进入红外遥控菜单设置，设置完成后退出菜单设置，判断主界面是否符合设置，如果符合，执行相应的动作。

4 结 语

随着科技的进步，能源的短缺，对产品的低功耗、低污染要求越来越高。该系统的特点是低功耗设计、功能实用、操作方式灵活多样（除传统的手动控制按钮方式外，增加了语音控制、手机短信控制等）。该系统能够通过手机短信监测宿舍的各项状况，及时对未关灯、门窗、空调等特殊情况进行处理，确保宿舍安全；该系统可广泛应用于宿舍等多人居住的情况，给人们带来舒适、健康、安全的生活环境，具有较好的实用性。

参考文献

[1] 张洪润.张亚凡.单片机原理及应用[M].北京：清华大学出版社，1999.

[2] 张希.王德银，张晨.MSP430系列单片机使用C语言程序设计[M].北京：人民邮电出版社，2005.

[3] 饶志强，韩彩霞.单片机原理及应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2013.

[4] 李琼瑞.国外最新应用电路设计精选[M].北京：电子工业出版社，2000.

[5] 秦龙.MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2007.

[6] 赵海兰，朱剑，赵祥伟.DS1302实时显示时间的原理与应用[J].电子技术，2004（1）：43?46.

[7] 吴舒辞，张发生，刘金华.电路分析基础[M].北京：北京大学出版社，2012.

[8] 刘泾.数字电子技术实验指导[M].成都：西南交通大学出版社，2011.

[9] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛技能训练[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[10] 潘玮，杨祥，王惠红.温室智能控制系统设计与开发[J].山东理工大学学报：自然科学版，2011（4）：82?84.

3 软件设计

3.1 语音识别及控制算法设计

语音识别软件流程如图2 所示。

算法流程首先将关键词语写入识别列表，识别列表即是预先存入语音芯片的语音指令，例如“开灯”，“关灯”等。如果语音芯片最后识别出的结果位于识别列表中，例如识别结果为“开灯”，那么语音模块将会给出一个信号，单片机处理后发出控制命令到电灯驱动板，从而使灯打开。识别列表的规则：每个识别条目对应一个特定的编号（1 B），不同的识别条目的编号可以相同，而且不用连续。本芯片最多支持50个识别条目，每个识别条目是标准普通话的汉语拼音（小写），每2个字（汉语拼音）之间用一个空格间隔。

3.2 红外控制模块[1]

本系统除了语音控制外，还有红外遥控装置，红外控制软件流程如图3所示。红外系统初始化后，进入红外遥控菜单设置，设置完成后退出菜单设置，判断主界面是否符合设置，如果符合，执行相应的动作。

4 结 语

随着科技的进步，能源的短缺，对产品的低功耗、低污染要求越来越高。该系统的特点是低功耗设计、功能实用、操作方式灵活多样（除传统的手动控制按钮方式外，增加了语音控制、手机短信控制等）。该系统能够通过手机短信监测宿舍的各项状况，及时对未关灯、门窗、空调等特殊情况进行处理，确保宿舍安全；该系统可广泛应用于宿舍等多人居住的情况，给人们带来舒适、健康、安全的生活环境，具有较好的实用性。

参考文献

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[10] 潘玮，杨祥，王惠红.温室智能控制系统设计与开发[J].山东理工大学学报：自然科学版，2011（4）：82?84.

3 软件设计

3.1 语音识别及控制算法设计

语音识别软件流程如图2 所示。

算法流程首先将关键词语写入识别列表，识别列表即是预先存入语音芯片的语音指令，例如“开灯”，“关灯”等。如果语音芯片最后识别出的结果位于识别列表中，例如识别结果为“开灯”，那么语音模块将会给出一个信号，单片机处理后发出控制命令到电灯驱动板，从而使灯打开。识别列表的规则：每个识别条目对应一个特定的编号（1 B），不同的识别条目的编号可以相同，而且不用连续。本芯片最多支持50个识别条目，每个识别条目是标准普通话的汉语拼音（小写），每2个字（汉语拼音）之间用一个空格间隔。

3.2 红外控制模块[1]

本系统除了语音控制外，还有红外遥控装置，红外控制软件流程如图3所示。红外系统初始化后，进入红外遥控菜单设置，设置完成后退出菜单设置，判断主界面是否符合设置，如果符合，执行相应的动作。

4 结 语

随着科技的进步，能源的短缺，对产品的低功耗、低污染要求越来越高。该系统的特点是低功耗设计、功能实用、操作方式灵活多样（除传统的手动控制按钮方式外，增加了语音控制、手机短信控制等）。该系统能够通过手机短信监测宿舍的各项状况，及时对未关灯、门窗、空调等特殊情况进行处理，确保宿舍安全；该系统可广泛应用于宿舍等多人居住的情况，给人们带来舒适、健康、安全的生活环境，具有较好的实用性。

参考文献

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