基于MSP430的智能宿舍.docx
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基于MSP430的智能宿舍.docx
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基于MSP430的智能宿舍
德州仪器C2000及MCU创新设计大赛
项目报告
题目:
基于MSP430的智能宿舍
基于MSP430的智能宿舍
摘要:
本作品是利用MSP430单片机对大学生宿舍进行智能化改造,包括手机远程控制,语音识别控制,智能起床唤醒三大功能。
其中手机远程控制可以使用户通过手机就能控制宿舍内的灯光,窗帘以及热水器的开关并自由设置加热温度。
语音识别功能可以通过语音控制电灯和电动窗帘。
智能起床唤醒功能可以使灯光亮起,窗帘自动打开,MP3音乐自动播放。
也包括万年历和起床时间自由设定。
关键词:
智能家居,智能起床唤醒,远程控制,语音控制
Abstract:
Inthisproduction,weuseMSP430tointelligentizeundergraduatedormitories.Thethreekeyfunctionsareremotecontrolwithmobilephones,voicecontrolandintelligentwakening.Specifically,wecanuseourcellphonestocontrollight,curtainsandwaterheaterwhoseheatingtemperaturecanalsobesetwithacellphone.Also,withthehelpofvoicecontrolmodules,it’spossibleforustousehumanlanguagetocontrollightsandcurtains.Intelligentwakeningincludeselectroniccalendar,automaticlighteninganddrawingcurtainstoletinsunshinewithasynchronousbeautifulmelodyplayedbyMP3.Settingmanuallythetimetogetupisallowed.
Keywords:
Intelligenthome,intelligentwakening,remotecontrol,voicecontrol
1.引言
我们三人自身就是同济大学在读本科生,学校的宿舍对于大多数同学来说,是他们要长期生活的家。
然而我们观察到,几乎所有的大学宿舍都是千篇一律,只能满足学生最基本的需要:
睡觉,学习,洗漱,好一点的可能配备空调。
但是,这对于已经充分享受科技时代带来的诸多便利的我们来说,多少有些难以接受,诸如一些细微但却重要的需求被大学忽视了:
我们不喜欢早起去上课或者出操;我们在外面进行体育运动之后回到宿舍里却还要忍受漫长的洗澡水加热过程;冬夜,我们躺在高高的上铺舒舒服服的看着小说,想一合上书本就睡觉而不再想下床关灯拉窗帘。
正是基于以上的问题,我们设计了基于MSP430的智能化宿舍解决方案,这使得我们大学生可以在早上起床时不用再听烦人的闹铃,而转而去听优美的音乐,并且感受灯光自动亮起,窗帘自动打开的神奇过程。
我们也可以在打篮球中途休息时就用手机给宿舍里的热水器发消息,“告诉”它把热水加热到50度以便使得我们回去之后马上就能洗热水澡。
我们甚至可以使用普通的日常用语就能遥控灯光或者窗帘,设想在寒冷的冬天,室友一句“灯灭”,宿舍里便一片漆黑,大家再也不用挨冷受冻地爬下床只为熄灯睡觉了。
2.系统方案
我们整个系统的框图如图一所示
图一.系统框图
说明:
智能起床唤醒功能由日历模块,灯,电动窗帘,MP3模块共同实现。
日历模块是智能起床唤醒模块的“大脑”,它由12864液晶和键盘组成,通过键盘可以手动设定起床时间。
液晶上显示年月日,星期,季节,学期中/学期末,当前时间以及起床时间。
值得一提的是,液晶上显示的日期时间数据是从MAXIM公司出产的DS12C887(万年历芯片)读取,此款芯片内部具有电池,所以日历具有掉电保护功能,而且在长达99年的过程中,本日历都可以正确地显示日期以及时间。
当所设置的起床时间与当前时间一致时,日历就会给灯,窗帘以及MP3模块发送信号,使得这三个模块分别开始工作:
灯变亮,窗帘由电机拉开,MP3播放预先存储在SD卡之中的音乐,并且根据日历上显示的季节而播放不同的音乐。
手机远程控制功能是由手机,GSM模块,1602液晶,继电器,加热器,水,电子温度计,灯这几个模块共同实现。
用手机发送特定的短信给GSM模块,GSM模块接收到短信内容后经由RS232接口传送给MSP430,MSP430将短信内容提取、翻译后决定是点亮还是熄灭室内的灯光,亦或者是打开还是关闭热水器,而且打开热水器时,还可以设定水的加热温度。
水的温度由ds18b20(温感芯片)实时监测,并通过SPI接口反映给MSP430,经由1602液晶显示出来温度,当水温到达设定温度时,单片机就会发送信号让继电器关闭,从而使加热器停止加热。
语音识别系统是以LD3320芯片为核心,通过话筒接收到人发出的声音信号,输入到芯片内部进行处理,芯片识别出不同的语音指令后将会执行不同的动作,从而控制灯光的亮灭,窗帘的开闭。
值得一提的是,我们使用的这款芯片具有非特定语音识别技术,也即,本芯片支持对不同的人进行语音识别操作而不必担心芯片会因为声带频率的差别而出现识别错误。
3.系统硬件设计
3.1智能起床唤醒
由图二中所示,智能起床唤醒模块包括MSP430单片机,12864液晶,日历芯片,键盘,MP3,SD卡以及扬声器共同组成。
图二.智能唤醒功能框图
3.1.1日历芯片
日历芯片使用的是MAXIM公司出产的DS12C887,采用并行方式与MSP430的I/O进行数据交换。
选择DS12C887原因:
这款日历芯片内部具有锂电池,所以即使外部断电了,芯片内部依然能够自行计时,于是再次接上外部电源后芯片仍能输出当前的时间。
此外,芯片内部解决了星期与日期对应,平年闰年之别,各个月份天数参差不齐等日历算法上的难题,我们需要做的工作只是读取芯片内部的数据,这就降低了开发的成本和周期。
3.1.2液晶与键盘
液晶采用12864液晶,显示出由日历芯片读取出的日期,时间数据。
液晶与MSP430之间采用并口通信。
键盘有四个键子,用于设置起床时间(精确到分),起床时间也将显示在液晶屏幕上。
利用外部中断检测键子的按下。
3.1.3电灯
电灯用小电珠来模拟,并采用PNP三极管作为电灯的驱动电路,工作原理如下:
三极管的基极连接一个MSP430的I/O口,源极通过上拉电阻接3.3V.漏极接电灯。
当三极管基极为低电平时,源极电流将注入电灯,使灯发光。
反之,灯光熄灭。
3.1.4电动窗帘
电动窗帘由一部减速直流电机驱动,通过机械设计,使得电机正转窗帘拉开,反转窗帘关闭。
我们使用L298N芯片制作了电机驱动板使得经由MSP430I/O口输出的PWM信号能够驱动电机并且实现调速。
PWM信号是由定时器A工作在增计数模式时模拟出来的,电机驱动板实物图如图三所示。
图三.电机驱动板
3.1.5MP3模块
MP3系统围绕MSP430作为主控制器和用VS1003作音频解码器来进行搭建。
整体系统框图如图四所示,系统在硬件上主要可以分为MSP430、VS1003音频解码模块、SD卡读写模块。
由系统框图可以看出项目硬件部分相对比较简单,主要难点在于程序的设计。
图四.MP3硬件模块构成
3.2手机远程控制模块
手机远程控制模块的整体框图如图五所示:
图五.手机远程控制模块
3.2.1GSM模块
GSM模块是整个手机远程控制的“中枢”,GSM模块通过RS232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出产的TC35模块辅以外围电路和SIM卡构成。
GSM模块照片图六所示:
图六.GSM模块实物图
1.TC35模块
2.电源接口
3.RS232接口
4.启动按键
5.MAX232芯片(用于电平转换)
3.2.2电子温度计:
电子温度计由单芯片DS18B20组成,它与MSP430通过SPI方式通信。
二者的硬件连接方式如图七所示。
图七.DS18B20的硬件原理图
3.2.3继电器与加热器
图八.继电器控制加热器的原理图
如图八所示,加热器就是一块加热电阻,一段接电源,另一端通过继电器接地。
由MSP430的I/O引脚控制继电器的公共端1是与2端还是与3端连接,当1与2连接时,加热器回路导通,可以对水进行加热;反之,加热器断电停止工作。
加热器的工作与否是由当前的水温决定的,水温在到达目标温度前,加热器会一直加热;水温到达目标温度后,加热器停止工作,但当水温因冷却而降低时,加热器又将继续工作以保证水温。
3.2.41602液晶
它负责显示水的实时温度以及目标加热温度。
1602液晶与单片机进行并口通信,原理比较简单,恕不详述。
3.3语音模块
语音模块的核心芯片为ICROUTE公司出品的LD3320,LD3320提供的语音识别技术,是基于"关键词语列表"的识别技术:
ASR(Autospeechrecognition)技术。
语音识别芯片完成的工作就是:
把通过MIC输入的声音进行频谱分析->提取语音特征->和关键词语列表中的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。
芯片的外围电路设计从原理上并不复杂,首先芯片内部已经设有AD通道。
我们自行设计时就按照芯片的说明手册按部就班地把模块搭建起来,历经三次失败,最后成功,成品如下:
图九.语音模块成品图
4.系统软件设计
4.1智能起床唤醒功能的实现
4.1.1算法流程图
这一功能从难度上来说是整个系统中最简单的,我们先给出算法流程图如图十所示。
图十.起床唤醒功能的算法流程图
4.1.2MP3的软件设计
先初始化个硬件模块。
由MCU通过FAT32文件系统接口读取SD卡的一些基本信息,如容量、扇区大小、FAT表及根目录所在的启始扇区等。
通过获得这些信息后,就可以找出SD卡是否有我们可以播放的音乐文件。
若有音乐文件,微处理器将通过SPI总线方式读出音频信息,并将歌曲的码流信息送入到VS1003芯片中,通过VS1003芯片解码以及其内含的高质的立体声DAC和耳机驱动电路,实现MP3歌曲的播放功能。
其播放MP3音乐文件的流程图如图十一所示。
图十一.MP3算法流程图
4.2手机远程控制功能的实现
4.2.1AT指令
我们使用AT指令来控制GSM模块,AT指令就是GSM模块能听得懂的语言,编写特定的AT指令就能指挥GSM完成相应的功能,如接收短信,发送短信,接打电话都是由AT指令实现的。
现在介绍本设计中用到的所有AT指令并标注其相关功能如下:
AT//测试指令,向GSM模块输入AT,若返回OK,则说明GSM模块工作正常。
AT+CNMI=1,1,2//设置读取短信息方式为从SIM卡读取,有短信时候会提醒用户。
AT+CMGF=0//选择信息格式为PDU格式。
AT+CMGR=N//读取GSM模块接收到的第N条短信。
4.2.2短信命令
短信命令是预先设定好的,这样GSM拿到短信后,单片机就知道该执行怎样的动作了。
短信命令如下:
Lighton:
开灯
Lampoff:
关灯
Curtainon:
开窗帘
Curtainoff:
关窗帘
OFF:
关闭热水器
10-99中的任何一个数字:
开启热水器并且数字代表的是预期加热温度
4.2.3PDU格式码
我们平时接收到的短信实际上是以一定的编码规则传输的,有文本格式和PDU格式两种格式的编码。
本设计中使用的是PDU格式读取获得的短信。
从PDU格式码中,根据PDU的编码规则,我们可以很容易地找出发送者的手机号,发送者所在地的中心号码,以及发送的短信内容(短信内容是ASCII码格式)。
4.2.4算法框图
算法框图如图十二所示。
注意:
图中的“发送”是指单片机通过RS232接口向GSM模块发送指令,“返回”是指GSM模块通过RS232接口向单片机发送的内容,经过我们的设计,可以从1602液晶上观察到所有GSM模块发送给单片机的内容。
图十二.手机远程控制算法流程图
4.3语音识别功能的软件实现
4.3.1算法总体流程
语音模块的算法总流程图如图十三所示。
图十三.语音模块的算法流程图
4.3.2详说写入识别列表
算法流程中有一步是写入识别列表,识别列表就是我们预先存入语音芯片的语音指令,例如“开灯”,“关灯”。
如果语音芯片最后识别出的结果位于识别列表中,比如说识别结果为“开灯”,那么语音模块就会给单片机一个信号,随后单片机就会指挥电灯驱动板使灯打开。
识别列表的规则是,每个识别条目对应一个特定的编号(1个字节),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。
下面是一个简单的例子:
编号
字符串
1
beijing
1
shoudu
3
shanghai
7
tianjin
8
chongqing
编号可以相同,可以不连续,但是数值要小于256(00H~FFH)。
例子中的“北京”和“首都”对应同一编号,说这两个词会有相同的结果返回。
4.3.3响应中断
如果话筒采集到声音,不管是否识别出正常结果,都会产生一个中断信号。
而中断程序要根据寄存器的值分析结果。
读取BA寄存器的值,可以知道有几个候选答案,而C5寄存器里的答案是得分最高、最可能正确的答案。
例如发音为“上海”并被成功识别(无其他候选),那么BA寄存器里的数值是1,而C5寄存器里的值是对应的编码3。
下面的图十四为中断响应的具体流程图:
图十四.语音模块的中断响应流程图
5.系统创新
我们的作品创新度客观来说是很高的。
宿舍的智能化改造瞄准大学生的日常生活,从实际出发,大胆设想,并且把想法付诸实践。
整个作品实际上是三个作品的组合,工作量还是很大的。
智能唤醒改变了以往我们使用闹铃这种令人烦躁的唤醒方式,转而把起床变成聆听音乐,感受阳光的过程。
手机远程控制可谓神奇,人在千里之外,却可以通过手机遥控宿舍内的各种电器,甚至是设定加热器的加热温度。
语音识别,更是把家电控制变成彻底的人机对话,让没有生命的电器能够听懂人类的语言。
所有的这一切,曾经是我们头脑中幻想的场景,感谢这次竞赛,让我们终于下定决心,把幻想变成触手可及的现实!
6.评测与结论
本作品的所有功能罗列如下,经测验,所有功能均已实现。
我们的测验过程拍成了视频,供评委参考。
1.智能唤醒功能:
日历显示,起床时间自由手动设定,日历掉电保护,到达起床时间时灯光自动亮起,窗帘打开,MP3自动响起优美的音乐。
2.手机远程控制:
可以控制宿舍内的灯光以及窗帘的开启与关闭,可以开关热水器,开启热水器时可以设定热水器的加热温度。
3.语音识别:
可以通过人类的语言控制灯光以及窗帘的开启与关闭。
7.智能宿舍全貌
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