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1、摘 要本设计是基于MSP430和NRF905的家居安防系统，系统分为温湿度检测节点、烟雾毒气检测节点、热释电人体检测节点和汇聚节点四部分，检测节点分别将检测的信号通过无线通讯发送到汇聚节点，并由汇聚节点对所有信号进行处理。本文首先介绍了系统中使用传感器的选型和系统方案的设计与论证，对系统程序设计给出了详细的设计思路，并测试了系统的性能。最终实现设计的全部功能，符合设计要求。关键词：传感器;无线通讯; 智能家居AbstractThe home security systems based on the NRF905 and MSP430 is divided into four pats: te
2、mperature and humidity monitor node , smoke and toxic monitor node , human testing node .Then , the signal of those node is sended by wireless communication way to the gathering point, and the gathering point to dule with the signa .Firstly, this paper introduced the use of the sensors in the system
3、 and the selection of the solution of this system .Then , the detailed design ideas of the system programming design was gived, and tested the performance of the system. Finally realize all of the functions of design, comply with the design requirements.Keywords: Sensor ;Wireless communication;Intel
4、ligent household 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论31.1 课题背景、目的和意义31.2 国内外在该方向的研究现状及分析31.3 主要研究内容41.4 本文结构4第2章 系统整体方案的设计62.1系统整体的方案设计62.2检测节点的的方案论证72.2.1湿度测量的方案论证72.2.2烟雾毒气测量方案论证82.3 器件的选择92.3.1单片机92.3.2热释电传感器92.3.3温度传感器102.3.4湿度传感器102.3.5烟雾传感器102.3.6毒气传感器112.4几种无线传输芯片的比较112.3.1无线传输芯片NRF401112.3.2无线传输芯片NRF2401
5、122.3.3无线传输芯片NRF9E5122.3. 4无线传输芯片NRF905132.4本章小结13第3章 系统的硬件设计143.1 汇聚节点的硬件设计143.1.1 NRF905无线通讯模块143.1.2 SPI接口163.1.3 显示和报警硬件设计193.2温湿度检测节点的硬件设计193.2.1 DS18B20温度测量193.2.2 HM1500湿度测量203.2.3 无线通讯模块203.3烟雾毒气检测节点的硬件设计203.3.1 MS5100烟雾检测213.3.2 MS6100有毒气体检测213.3.3 无线通讯模块223.4 人体检测节点的硬件设计223.4.1 GH-718人体检测2
6、23.4.2 无线通讯模块233.5本章小结23第4章 系统的软件设计244.1汇聚节点的软件设计244.2温湿度节点的软件设计254.3烟雾毒气模块的软件设计274.4人体检测模块的软件设计284.5本章小结29第5章 系统的调试305.1系统调试305.1.1单个检测节点和汇聚节点间的调试305.1.2多个检测节点和汇聚节点间的调试315.2 系统测试31结 论33致 谢34参考文献35第1章 绪论 1.1 课题背景、目的和意义随着社会的发展和家庭生活水平的提高，人们对家居安全提出越来越高的要求。比如能更好的控制室内的温湿度，以保持舒适的生活环境；准确检测厨房燃料气体，特别是对人体健康安全
7、有害的气体，以保障人身安全；及时发现非法入侵房间的盗贼等，以确保家庭财产的安全。本课题旨在开发出能够准确检测室内温湿度、有毒气体检测和人体检测的智能家居安防系统，以满足不断增长的社会需求。该课题的研究，符合社会的需求，与同类的智能家居系统相比具有使用简单方便、价格低廉等优点，具有广阔的市场前景。同时有利于更好的改善人们生活水平，对于保障家居人身和财产安全具有重要作用，是一项非常具有研究和开发意义的题目。1.2 国内外在该方向的研究现状及分析随着社会经济水平的发展，现在人们的生活追求个性化、自动化，追求快节奏，追求充满乐趣的生活方式，家装要求的档次越来越高，生活家居要求一种人性化、智能化。智能家
8、居在发达国家，特别是美国、日本、韩国这些电子产品先进的国家应用都比较普遍，并且非常受欢迎。在我国，起步比较晚，但是发展却非常快，生产厂家非常多，产品也是各种各样。遍布智能家居生产的各个环节，但是像海尔这样的龙头企业却比较少。在外观和产品质量上，总体与国外还有差距，但有些产品，比如家庭智能终端，中国的几个厂家的产品已经做得很好了，不但美观漂亮，而且功能很多，与国外的品牌比非常有竞争力。智能家居是未来居家生活的前进方向，虽然现在普及比较少，多是有钱人的专属，不过现在已经慢慢有廉价的产品出现，进入普通百姓家，比如家庭的情景灯光系统，这个比较实用，价格也不是太高，目前也比较容易让老百姓接受。 从整体上
9、看来，智能家居的发展仍然遭遇瓶颈。智能家居没有标准，宣传的功能五花八门，给人感觉比较乱和杂，产品稳定性没有得到考验。没有标杆厂家，消费者不知道如何选择。市场推广力度不够，也使很多人不知道智能家居给人们生活带来那些方便。虽然现在已经慢慢有廉价的产品出现，进入普通百姓家，但价格仍普遍昂贵，一般家庭仍难以承受，一定程度上也阻碍家居智能的发展1。1.3 主要研究内容在该家居安防系统的设计中，引入了无线射频技术，提出了一套基于MSP430和NRF905的系统设计方案，设计三个检测节点分别检测温湿度、烟雾毒气、人体情况，并通过无线通讯将检测信号发送到汇聚节点，在汇聚节点实现检测信号的显示和意外情况的报警。
10、具体研究内容包括一下几个方面：(1) 实现以MSP430单片机为核心的检测节点和汇聚节点的设计。(2) 采用NRF905的数据传输方式。(3) 设计室内温度湿度检测模块,分辨率为0.01。(4) 设计厨房有毒气体和烟雾检测模块，开关信号输出。(5) 基于热释电传感原理的GH718型人体感应检测电路，开关信号输出。1.4 本文结构本文将围绕设计一个完整的家居安防系统的过程展开。本文主要内容如下：第2章，系统整体方案的设计。 第3章，系统的硬件设计。第4章，系统的软件设计。第5章，系统的软硬件联合调试。最后对毕业设计工作进行了总结。第2章 系统整体方案的设计本系统主要包括温度湿度检测节点、烟雾有毒
11、气体检测节点、人体检测节点和汇聚节点四部分。本章主要分析该系统的整体和各节点的方案设计。2.1系统整体的方案设计 系统包含三个检测节点和一个汇聚节点，检测节点检测各种信号并和汇聚节点无线通讯传输信。本系统的整体设计框图如图2-1所示：图2-1 系统整体框图 温湿度检测节点：由温度传感器DS18B20检测温度输出数字信号，由湿度传感器HM1500检测湿度输出模拟信号，温度信号直接通过普通I/O口送给单片机，湿度信号输入单片机具有A/D采集功能的I/O口输入到单片机，通过进制转换将温度信号转换成十进制数值，通过A/D转换和公式计算测出湿度值，再通过无线传输模块分时将温湿度信号不停地发送给汇聚节点间
12、。 烟雾毒气检测节点：由烟雾传感器MS5100和有毒气体传感器MS6100分别检测烟雾和有毒气体情况，并将检测的信号输入到单片机，单片机处理输入的信号判断烟雾和有毒气体含量是否超标，当烟雾或有毒气体的含量超标时，通过无线传输模块向汇聚节点发送相应的报警信号。 人体检测节点：由热释电人体检测模块检测人体情况，将检测信号输入到单片机，没有人时简单发送没有人的信号，当检测到有人时单片机向汇聚节点发送有人报警信号。 汇聚节点：同时接收三个检测节点发送的无线信号，并将接收到的传感器检测结果显示在液晶LCD12864上，当需要报警时通过蜂鸣器和LED进行声光报警。2.2检测节点的的方案论证2.2.1湿度测
13、量的方案论证方案一、使用湿度传感器HM1500进行湿度测量，直流5V供电，输出模拟信号输入单片机具有A/D采集功能的I/O口输入到单片机，通过A/D转换和公式计算测出湿度值。图2-2 方案一原理图方案二、使用GYHR006电阻型湿度传感器进行湿度测量，按要求连接硬件电路，502000Hz的方波电压供电，输出方波信号，在输出信号为高电平时采集信号并转换成湿度。图2-3 方案二原理图经过实际使用测试发现，方案一电路结构更简单，输出信号更稳定和准确，方案二输出信号不稳定，检测结果准确度不高。所以采用第一种方案。2.2.2烟雾毒气测量方案论证烟毒和有毒气体浓度越高输出电压越高传感器的输出电阻越小，设计
14、分压电路，使烟毒和有毒气体传感器均输出模拟的电压信号，并且浓度越高输出的电压越高。图2-4 烟雾毒气测量原理方案一、对烟毒和有毒气体传感器输出的电压信号进行A/D采集，转换后再和设定的临界值进行比较，进行判断后输出开关信号表示浓度安全或浓度报警。方案二、将烟毒和有毒气体传感器输出的电压信号直接输入普通I/O口，设定合适的分压电阻值，利用输入I/O口对高低电平的识别判断浓度安全或浓度报警。 经过实际使用测试发现，方案二可以节省单片机资源，并且利用普通I/O口对高低电平识别的滞回特性，保证报警后烟雾或有毒气体浓度抵御安全界限以下一定值后再消除报警，更好的保证家居安全。2.3 器件的选择根据系统的设
15、计方案和系统功能要求，对分别单片机、热释电传感器、温度传感器、湿度传感器、烟雾传感器和毒气传感器进行比较选型。2.3.1单片机MSP430单片机一种16位超低功耗单片机，主要开发语言是c，丰富的片内外设和方便灵活的开发手段，同等价格下功能强大很多，多用于消费类电子产品。开发环境有iar集成开发环境具有极低的功耗、已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。 与51系列单片机相比，它具有功耗低、指令精简、内置A/D转换和SPI功能，很适合本系统的开发。另外MSP430单片机引进了 Flash 型程序存储器和 JTAG 技术，不仅使开发工具变得简便，而且价格也相对低廉，并且还可以实现在线编程。22.3.
16、2热释电传感器热释电传感器的工作原理，热释电红外传感器的窗口接收光线，滤波片对自然界中的白光信号具有抑制作用，因此只有特定波长的红外信号才能透过滤波片照射在热释电元件上。3热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。它目标正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。除了在我们熟知的楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机。电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构。开启监视器或自动门铃上的应用。2.3.
17、3温度传感器温度计传感器DS18B20体积小、采用“单线（1-Wire）总线”技术，通过串行通信接口（I/O）直接输出被测温度值（9位二进制数据，含符号位）。4供电电压为3.05.5V，可以直接通过MSP430单片机I/O口供电。温度分辨力可进行912位的编程，对应的温度分辨力依次为0.5、0.25、0.125、0.0625。具有电源反接保护电路。与热敏电阻比较，它可以直接输出二进制数的数字信号，读取温度更便捷，电路结构更简单。2.3.4湿度传感器HM1500/HM1500湿度测量范围：0100%RH；工作温度范围：-3060精度:3%RH（1095%RH）；工作电压：5V ；DC恒压供电输出
18、信号：14V。放大线性电压输出详细说明：采用HUMIREL专利电容HS1101LF设计制造，温度依赖性比较低,带防护棒式封装,抗静电,防灰尘,有效抵抗各种腐蚀性气体物质;5VDC恒压供电,1-4VDC放大线性电压输出,便于客户使用;应用领域:本产品广泛用于:温湿度仪表,粮情监控,动力环境监控等行业.2.3.5烟雾传感器烟雾传感器MS5100是一种半导体气体烟雾传感器具有高灵敏度、响应时间快、长期稳定性好，检测烟雾、HC气体和挥发性有机气体，电路设计简单，价格便宜，可应用于各种家用烟雾报警器，该传感器可以探测02000ppm范围的烟气，也可以探测HC、有机挥发气体等成分。5 62.3.6毒气传感
19、器有毒气体传感器MS6100具有高灵敏度、选择性强、长期稳定性好，采用塑料外壳，测量范围宽，抗酒精干扰，具有非常好的抗中毒特性，7检测甲烷等可燃气体，最大检测浓度在13000ppm以上，可替换多种同种原理的传感器，电路调整非常容易，价格便宜，可应用于各种家用可燃气体报警器等产品。2.4几种无线传输芯片的比较无线通讯作为一种交叉学科，新型的高技术，广泛的应用在环境监测、灾后重建、军事、医疗、工业控制和其他领域。8在家居安防系统中使用无线通讯可是避免室内布线的麻烦，节约资源并保持室内的美观。检测节点检测到的信号通过无线方式传输到汇聚节点，信号的无线传输需要通过无线传输模块实现，目前较常见的无线传输
20、芯片主要是A7105、CWF86B、NRF905、NRF9E5、NRF401、NRF2401、MAX163BCWG等。比较几种常见的无线传输芯片各自的特点，选择最适合于家安防系统的芯片类型：2.3.1无线传输芯片NRF401NRF4019是一个为433MHz ISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片，它采用FSK调制解调技术。NRF401最高工作速率可达20K，发射功率可以调整，最大发射功率为+10dBm。天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线，NRF401还具有待机模式，这样可以更省电和高效，其工作电压范围可以从2.7-5V。NRF401满足欧洲电信工业标准（ETSI）EN3
21、00 200-1V1.2.1。NRF401非常少的外围设备， 无需进行初始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码，有2个工作频道。主要应用在报警和安全系统、自动测试系统、家庭自动化控制、遥控装置、车辆安全系统、工业控制、无线通信和电信终端。2.3.2无线传输芯片NRF2401NRF240110工作在2.4GHz频段，有125个频道，高速率1Mbps，需要极少的外围元件(一个晶振和一个电阻)，发射功率、工作频率通过软件设置完成，1.93.6V供电，低功耗，内置CRC纠检错，DuoCeiver同时接收两个nRF2401的数据。应用：手持终端PDA、无线耳机、数字音频、无线鼠标、无线键盘、玩具、无线
22、游戏机控制器和PC外设、互动教育装备、运动休闲、建筑智能及其他短距离高速无线应用。2.3.3无线传输芯片NRF9E5nRF9E511是Nordic VLSI公司于2004年2月5日推出的系统级RF芯片，其内置nRF905 433/868/915MHz收发器、8051 兼容微控制器和 4 输入10 位80ksps A/D 转换器，是真正的系统级芯片。nRF9E5符合美国通信委员会和欧洲电信标准学会的相关标准。内置nRF905 收发器与 nRF905芯片的收发器一样，可以工作于 ShockBurst(自动处理前缀、地址和 CRC)方式。利用射频无线片上系统 nRF9E5，容易实现小尺寸、高稳定性的
23、无线数据传输系统，433/868/915MHz三个工作频段可根据使用需要进行选择。nRF9E5 片内的UART 方便于实现与 PC 机间的串行通信，其片内的A/D 转换器方便于进行数据采集。nRF9E5 的ShockBurst 技术和电源监管技术，使得无线数据传输系统的功耗更低，设计中为节约用电而编写的程序代码也更少。 内置电压调整模块，最大限度地抑制噪音，为系统提供 1.93.6V 的工作电压，QFN55mm 封装，载波检测。 通信协议是通信双方为实现信息交换而制定的规则。本系统采用时分多路访问通信技术（TDMA），将点对多点的通信方式转化为点对点的通信，因此必然涉及信源与信宿之间建立通信连
24、接时的地址匹配问题。由于主接收器与数据终端之间的通信可能会受到其它数据终端或外界环境的干扰而发生错误，因此，需要通信协议来保证数据传输的可靠性。 nRF9E5 只有一种协议格式，其中的前缀也就是数据，设备地址包括本机的地址和主接收器的地址，CRC校验可进行选 8 位或16位。 2.3. 4无线传输芯片NRF905nRF90512是挪威 Nordic VLSI 公司推出的单片射频收发器，工作电压为 1.93.6V， 32 引脚 QFN 封装(55mm)，工作于 433/868/915MHz 三个 ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于 650us。nRF905 由频率合成器、接收
25、解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器，ShockBurstTM 工作模式，自动处理字头和 CRC(循环冗余码校验)，使用 SPI 接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以- 10dBm 的输出功率发射时电流只有 11mA，工作于接收模式时的电流为 12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。nRF905适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。通过对各无线通讯芯片功耗、最大发射功率、传输距离、频道转换时间、工作频段及价格等的比较，NRF905具有低功耗，传输距离远，频道之间的转换时间小于 650us
26、，工作于 433/868/915MHz 三个 ISM(工业、科学和医学)频道，抗干扰能力强，内置A/D采集和SPI等优点，而且价格便宜。故本系统使用NRF905的无线通讯模块2.4本章小结 本章对各节点传感器的选择和传感器的性能特点进行了介绍，分析比较了湿度测量的两种方案和烟雾毒气测量的两种方案，并确定了合适的测量方案。同时介绍了系统整体的设计方案。第3章 系统的硬件设计系统的硬件设计按照节点的划分进行设计，即汇聚节点、温湿度检测节点、烟雾毒气检测节点和人体检测节点四部分。3.1 汇聚节点的硬件设计汇聚节点接收各检测节点的无线信号，并对接收到的信号作出显示和报警处理。主要包括MSP430单片机
27、、无线通讯模块、液晶显示和声光报警四部分。MSP430单片机与无线通讯模块之间的接口为SPI接口。3.1.1 NRF905无线通讯模块图3-1 NRF905无线通讯模块管脚图表3-1无线通讯模块管脚和单片机管脚的连接VCC TRX_CE TX_EN PWR_UP CD AM电源 P2.0 P2.1 P2.2 P2.4 P2.5 DR MISO MOSI SCK CSN GNDP2.5 P3.2 P3.1 P3.3 P3.0 接地表3-2 nRF905 工作模式的设定PWR_UP TRX_CE TX_EN 工作模式 0 X X 掉电和SPI 编程 1 0 X Standby 和SPI 编程 1
28、1 0 ShockBurst RX（发送） 1 1 1 ShockBurst TX（接收） ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。ShockBurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。在ShockBurstTM收发模式下， RF905自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时，自动把字头和CRC校
29、验码移去。在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码，当发送过程完成后，DR引脚通知微处理器数据发射完毕。典型的RF905发送流程： A. 当微控制器有数据要发送时，通过SPI接口，按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给RF905，SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定； B. 微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激发RF905的ShockBurstTM发送模式； C. RF905的ShockBurstTM发送： (1) 射频寄存器自动开启；(2) 数据打包(加字头和CRC校验码)； (3) 发送数据包；(4) 当数据发送完成，数据准备好引脚被置高； D. AUTO_RETRAN被置高，
30、RF905不断重发，直到TRX_CE被置低； E. 当TRX_CE被置低，RF905发送过程完成，自动进入空闲模式。 注意：ShockBurstTM工作模式保证，一旦发送数据的过程开始，无TRX_EN和TX_EN引脚是高或低，发送过程都会被处理完。只有在前一个数据包被发送完毕，RF905才能接受下一个发送数据包。典型的RF905接收流程：A. 当TRX_CE为高、TX_EN为低时，RF905进入ShockBurstTM接收模式； B. 650us后，RF905不断监测，等待接收数据； C. 当RF905检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高； D. 当接收到一个相匹配的地址，AM引脚被置高
31、； E. 当一个正确的数据包接收完毕， RF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把DR引脚置高 F. 微控制器把TRX_CE置低，nRF905进入空闲模式； G. 微控制器通过SPI口，以一定的速率把数据移到微控制器内； H. 当所有的数据接收完毕，nRF905把DR引脚和AM引脚置低； I. nRF905此时可以进入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM发送模式或关机模式。当正在接收一个数据包时，TRX_CE或TX_EN引脚的状态发生改变，RF905立即把其工作模式改变，数据包则丢失。当微处理器接到AM引脚的信号之后， 其就知道RF905正在接收数据包，其可以决定
32、是让RF905继续接收该数据包还是进入另一个工作模式。 3.1.2 SPI接口SPI(Serial Peripheral Interface-串行外设接口)总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。SPI有三个寄存器分别为：控制寄存器SPCR，状态寄存器SPSR，数据寄存器SPDR。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：串行时钟线（SCLK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的
33、从机选择线SS(有的 SPI接口芯片带有中断信号线INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI)。13 表3-3 SPI串行接口指令设置 指令名称 指令格式 操作 W_CONFIG (WC) 0000AAAA 写配置寄存器AAAA，指出写的开始字节,字节数量取决于AAAA 指出的开始地址R_CONFIG (RC) 0001AAAA 读配置寄存器AAAA 指出读操作的开始字节,字节数量取决于AAAA 指出的开始地址W_TX_PAYLOA D 00100000 写TX 有效数据1-32 字节写操(WTP) 作全部从字节0 开始R_TX_PAYLOA D 00100001 读TX
34、有效数据1-32 字节读操(RTP) 作全部从字节0 开始 W_TX_ADDRES S 00100010 写TX 地址1-4 字节写操作全(WTA) 部从字节0开始R_TX_ADDRES S 00100011 读TX 地址1-4 字节读操作全部(RTA) 从字节0开始R_RX_PAYLOA D 00100100 读RX 有效数据1-32 字节读操 (RRP) 作全部从字节0开始SPI14接口的全称是Serial Peripheral Interface,意为串行外围接口,是Motorola首先在其MC68HCXX系列处理器上定义的。SPI接口主要应用在EEPROM,FLASH,实时时钟,AD转
35、换器,还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。 SPI接口是在CPU和外围低速器件之间进行同步串行数据传输,在主器件的移位脉冲下,数据按位传输,高位在前,低位在后,为全双工通信,数据传输速度总体来说比I2C总线要快,速度可达到几Mbps。 SPI接口是以主从方式工作的,这种模式通常有一个主器件和一个或多个从器件。 图3-2 SPI读操作时序图图3-3 SPI写操作时序图3.1.3 显示和报警硬件设计汇聚节点接收各个检测节点发送的信号后，执行相应的显示指令，将信号的内容显示在LCD12864液晶上，需要报警时，打开蜂鸣器并亮相对应的LED报警指示灯。3.2温湿度检测节点的硬件设计温湿度检测节点包
36、括MSP430单片机、温湿度传感器和无线通讯模块三部分。分别使用温度传感器DS18B20和湿度传感器HM1500，检测信号后通过无线通讯模块发送信号。本节主要对DS18B20和HM1500的应用硬件电路和无线通讯进行介绍。3.2.1 DS18B20温度测量使用DS18B20温度测量，在Vcc端供5V直流电源，GND端接地，温度测量范围从55+125，10+85时测量精度为0.5。选择4.7K阻值的电阻连接在电源和信号输出线上，引出信号输出线DQ输入到MSP430单片机的P1.6口。图3-4 温度测量原理图 DS18B20为单线接口，只有一根信号线与CPU连接，而且可以多个DS18B20并联在一
37、起使用，通过不同的内置的序列号读读取各自的温度信号，一般最多并联传感器数量不超过8个。传感器信号输出线连接到单片机输入端时，信号导线不宜过长，如果导线长很容易影响温度读取的准确度。3.2.2 HM1500湿度测量 图3-5 湿度测量原理图使用HM1500湿度测量，在Vcc端供5V直流电源，GND端接地，信号输出端的为模拟的电压值，输出信号范围为1-4V，输出信号和空气的湿度成线性关系，对应0100%RHDE 空气湿度，由于MSP430单片机管脚最高输入电压为3.3V ，所以接入两个电阻（R=10K欧姆）对输出信号二分压后在输入到单片机的P6.1口进行A/D采集。通过A/D采集后软件计算比较得出
38、空气的湿度值。3.2.3 无线通讯模块单片机采集到温度传感器DS18B20和湿度传感器HM1500的信号后，经单片机处理，单片机通过SPI接口将信号和发送指令传输到NRF905无线通讯模块，发送信号。3.3烟雾毒气检测节点的硬件设计烟雾毒气检测节点包括MSP430单片机、烟雾毒气传感器和无线通讯模块三部分。分别使用烟雾传感器MS5100和有毒气体传感器MS6100，检测信号后通过无线通讯模块发送信号。本节主要对MS5100和MS6100的应用硬件电路和无线通讯进行介绍。3.3.1 MS5100烟雾检测 图3-6 烟雾测量原理图使用MS5100烟雾测量，在Vcc端供5V直流电源，GND端接地，R
39、L接470K阻值的可变电阻，但烟雾浓度变化时Rs的阻值会相应的变化，变化为非线性，当烟雾浓度升高时Rs的值变小，导致输出的电压信号变大。设定RL的阻值使电路在正常空气烟雾浓度时的输出电压为1.5V，输出端接到单片机的P1.1口，输入烟雾信号。当烟雾浓度大于安全临界值时，输出的电压信号也会大于某临界值，通过软件比较判断烟雾是否浓度报警。3.3.2 MS6100有毒气体检测 图3-7有毒气体测量原理图使用M65100有毒气体测量，在Vcc端供5V直流电源，GND端接地，RL接470K阻值的可变电阻，但可燃气体浓度变化时Rs的阻值会相应的变化，变化为非线性，当烟雾浓度升高时Rs的值变小，导致输出的电
40、压信号变大。设定RL的阻值使电路在正常空气可燃气体浓度时的输出电压为1.5V，输出端接到单片机的P1.2口，输入可燃气体信号。当可燃气体浓度大于安全临界值时，输出的电压信号也会大于某临界值，通过软件比较判断可燃气体是否浓度报警。3.3.3 无线通讯模块单片机采集到烟雾传感器MS5100和有毒气体传感器MS6100的信号后，经单片机处理，单片机通过SPI接口将信号和发送指令传输到NRF905无线通讯模块，发送信号。3.4 人体检测节点的硬件设计3.4.1 GH-718人体检测人体检测节点包括MSP430单片机、热释电人体传感器和无线通讯模块三部分。使用热释电人体传感器GH-718检测信号后通过无
41、线通讯模块发送信号。本节主要对GH-718的应用硬件电路和无线通讯进行介绍。 图3-8热释电人体测量原理使用GH-71热释电人体测量，在Vcc端供5V直流电源，GND端接地。 GH-71热释电人体检测的空间范围为5-7米，空间角为110。在检测有人时，输出端输出3V的高电平，当检测范围内没有人时，输出端输出低电平0V，输出端连接到单片机P1.0口。图3-9热释电报警区域图3.4.2 无线通讯模块单片机采集到热释电人体传感器GH-718的信号后，经单片机处理，单片机通过SPI接口将信号和发送指令传输到NRF905无线通讯模块，发送信号。3.5本章小结本章介绍了系统各个模块的硬件设计方案和原理，介
42、绍了无线传输模块的管脚图、连接方式和发送接收的步骤。明确了系统硬件部分的设计。第4章 系统的软件设计系统的软件设计按照节点的划分进行设计，即汇聚节点、温湿度检测节点、烟雾毒气检测节点和人体检测节点四部分。4.1汇聚节点的软件设计 图4-4 汇聚节点程序流程图汇聚节点初始化后，关闭LED发光二极管和蜂鸣器,LCD1286415液晶显示初始状态，共显示四行汉字，如图4-5所示： 温度： 湿度：空气：正常人员入侵：无 图4-5 初始化液晶显示汇聚节点分时接收温湿度检测节点、烟雾毒气检测节点和热释电人体检测节点无线发送的数据，并对三个检测节点发送的数据进行处理，做出相应的显示和报警。当接都到温湿度信号
43、时，在液晶屏上显示温度和湿度的具体数值，当接收到烟雾报警信号时，亮LED1，打开蜂鸣器，并将LCD显示第三行改写为“空气：烟雾报警”；当接收到有毒气体报警信号时，亮LED2，打开蜂鸣器，并将LCD显示第三行改写为“空气：毒气报警”；当接收到烟雾和有毒气体报警信号时，亮LED1、LED2，打开蜂鸣器，并将LCD显示第三行改写为“空气：烟毒均报警”；当接收人体检测报警信号时，亮LED3，打开蜂鸣器，并将LCD显示第四行改写为“人员入侵：有”。例如，当同事接收到温湿度值、烟雾报警和人体检测报警时显示如图4-6所示：温度：28.56 湿度：65%RH空气：烟毒均报警人员入侵：有图4-6 接收信号后液晶
44、显示4.2温湿度节点的软件设计单片机通过P1.6口读取温度传感器输出的温度信号，并由软件处理。设定温度传感器DS18B20寄存器，使输出信号为十二位的二进制数据，按照读取DS18B20信号的时序读取数字信号，并进行软件处理，将二进制转换成十进制数值，保留小数点后两位。将温度数值的四位数（小数点前后各两位）分别以字符的形式赋值给发送数据TX_BUF的四位。例如温度值为23.45时，赋值TX_BUF3=2；TX_BUF2=3；TX_BUF1=4；TX_BUF0=5。 图 4-1 温湿度节点程序流程图因为室内的温度一般在2040之间，即温度值得最高位一般为2或3，将发送数据的最高位2或3设定为温度信
45、号标志位TX_BUF3，即当汇聚节点接收到数据RX_BUF3的最高位为字符2或3时，表示接收到的信号为温度信号。具体温度值用无线发送的温度信号的四个字符表示，高位在前，低位在后。湿敏电阻输出的信号二分压后输入到单片机P6.1口进行A/D采集2；连续采集32次，取平均值再进行软件处理模拟信号，转换成十进制的电压数值。然后通过公式计算得出具体的湿度值。计算出的湿度值为两位十进制数。发送湿度信号时，将发送数据的最高位设定为0X43，后两位分别赋值湿度信号的两位数，然后打包发送。例如湿度值为56%RH，赋值为：TX_BUF3=0X43；TX_BUF1=5；TX_BUF0=6；数据发送地址设定为char TxAddress4=0xcc,0x
