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        基于藍(lán)牙與智能手機(jī)的遠(yuǎn)程信息采集與控制系統(tǒng)

        2012-05-14 11:33:30李建高李樹明
        關(guān)鍵詞:藍(lán)牙單片機(jī)服務(wù)器

        李建高,李樹明

        (南京郵電大學(xué) 理學(xué)院,江蘇 南京 210003)

        我國智能家居行業(yè)在飛速發(fā)展,然而受高成本的限制,智能家居很難進(jìn)入普通家庭。傳統(tǒng)的智能家居都有專門的遙控器,而且不同的設(shè)備需要配備不同的遙控器,同時信息不能實時反饋給用戶。本文介紹的系統(tǒng)采用智能手機(jī)自帶的藍(lán)牙,解決了這些問題。藍(lán)牙技術(shù)的控制方法類似于現(xiàn)時紅外線遙控器與電器之間的指令關(guān)系,區(qū)別在于相應(yīng)產(chǎn)品需植入藍(lán)牙晶片,使用2.402~2.480 GHz免付費、免申請的無線電頻段。為避免此頻段電子裝置眾多的相互干擾,因而輔以每秒1 600次高難度跳頻以及加密、保密技術(shù),傳輸速率在432 Kb/s~721 Kb/s不等,未來的版本將達(dá)2 Mb/s。植入了藍(lán)牙芯片的手機(jī)、電腦等,在10m的范圍內(nèi),可作為無線話音及數(shù)據(jù)信息的傳送,配合專用的擴(kuò)大器,收發(fā)范圍可遠(yuǎn)達(dá)100m。結(jié)合了電路交換與分組交換的特點,可以進(jìn)行異步數(shù)據(jù)通信,可以支持多達(dá)3個同時進(jìn)行的同步話音信道,還可以使用一個信道同時傳送異步數(shù)據(jù)和同步話音。最主要的是幾乎所有手機(jī)都配備藍(lán)牙功能,帶寬完全可滿足實時監(jiān)控的需要,傳輸距離也足夠家居環(huán)境的使用。藍(lán)牙在局域型的信息采集與控制系統(tǒng)中有著良好的應(yīng)用前景。

        1 基于藍(lán)牙的無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)架

        1.1 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        藍(lán)牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范,它以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ),為固定與移動設(shè)備通信環(huán)境建立一個特別連接。藍(lán)牙工作在全球通用的2.4 GHz ISM頻段,數(shù)據(jù)傳輸速率為1 Mb/s,時分雙工方案被用來實現(xiàn)全雙工傳輸,使用IEEE802.15協(xié)議。

        每個藍(lán)牙設(shè)備被分配一個唯一48 bit的藍(lán)牙設(shè)備地址[1],它支持兩種操作模式:主設(shè)備和從設(shè)備。其中主設(shè)備負(fù)責(zé)提供時鐘同步信號和調(diào)頻序列,從設(shè)備接收主設(shè)備的同步控制和調(diào)頻控制。藍(lán)牙支持點對點、點對多點的通信,最基本的組網(wǎng)方式是微微網(wǎng)。如圖1所示,同一個微微網(wǎng)中的所有設(shè)備都跟隨主設(shè)備的調(diào)頻序列。在圖1中,(a)是點對點的連接;(b)是點對多點的連接。本文中使用的是圖1(b)的連接方式[2]。

        1.2 遠(yuǎn)程信息采集與控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

        基于藍(lán)牙與智能手機(jī)的遠(yuǎn)程信息采集與控制系統(tǒng)主要由各個房間的有相應(yīng)數(shù)據(jù)采集功能的藍(lán)牙無線傳感器節(jié)點、放置在家庭中心位置的具有數(shù)據(jù)處理能力的中心節(jié)點(具有藍(lán)牙功能的收發(fā)器)、一款智能手機(jī)以及一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器終端組成[2]。各無線傳感器通過藍(lán)牙將采集的數(shù)據(jù)傳送至中心節(jié)點,中心節(jié)點通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)發(fā)送至手機(jī)端,手機(jī)端安裝有專門的接收軟件,可以接收下位機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù),并進(jìn)行處理,將處理后數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。同時服務(wù)器對手機(jī)發(fā)送指令,手機(jī)可以對下位機(jī)發(fā)送指令,以實現(xiàn)實時監(jiān)測、實時控制。圖2反映了體系的完整結(jié)構(gòu)。

        圖1 點對點及點對多點的微微網(wǎng)

        圖2 遠(yuǎn)程信息采集與控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

        2 下位機(jī)的設(shè)計

        2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的布置

        不同的房間放置不同的傳感器,如廚房放置一氧化碳傳感器、溫度傳感器,臥室放置溫濕度傳感器、光強(qiáng)傳感器。這些傳感器節(jié)點離中心節(jié)點的的距離一般都不會超過10 m,這已經(jīng)足夠覆蓋一般家庭所有房間。

        2.2 下位機(jī)控制模塊的設(shè)計

        藍(lán)牙模塊處于等待連接狀態(tài),當(dāng)手機(jī)第一次發(fā)出連接請求時需要輸入藍(lán)牙內(nèi)置的密碼,以后再連接時則不需要輸入密碼,除非密碼改變。匹配成功后建立連接,藍(lán)牙模塊充當(dāng)手機(jī)和微控制器(單片機(jī))的通信信道,實現(xiàn)手機(jī)和微控制器的雙向連接。用戶通過手機(jī)經(jīng)藍(lán)牙向單片機(jī)發(fā)送命令,單片機(jī)接收到命令后,控制相應(yīng)的執(zhí)行模塊,實現(xiàn)控制功能。例如:制作以52單片機(jī)為主控制器的學(xué)習(xí)型遙控器,經(jīng)藍(lán)牙模塊與手機(jī)建立,用戶便可以實現(xiàn)電視換臺、控制音量等操作。同時微控制器還能將相關(guān)傳感器采集的數(shù)據(jù)實時發(fā)送給手機(jī),實現(xiàn)實時監(jiān)測功能。如:溫度傳感器和煙霧傳感器檢測到數(shù)據(jù)超標(biāo)后,將報警信號發(fā)送給單片機(jī),單片機(jī)將報警信號發(fā)送給手機(jī),通知用戶火警[3]。

        下位機(jī)模塊原理如圖3所示,模塊分別為控制開關(guān)、藍(lán)牙模塊、紅外發(fā)射模塊和紅外接收模塊。開關(guān)可以控制各種家電的開關(guān),藍(lán)牙模塊用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù),紅外發(fā)射器負(fù)責(zé)控制紅外遙控的家電,紅外接收模塊可以復(fù)制遙控器的發(fā)送紅外的頻率,以實系統(tǒng)現(xiàn)通用性。

        圖3 下位機(jī)模塊原理圖

        3 手機(jī)端軟件的設(shè)計

        3.1 手機(jī)和藍(lán)牙設(shè)備的通信

        采用Java語言開發(fā)Adroid2.2版本以上的手機(jī)應(yīng)用程序,該版本支持藍(lán)牙通信。首先通過SDK提供的BluetoothAdapter類的startDiscovery( )方法,掃描出附近與傳感器相連的藍(lán)牙設(shè)備并返回其物理地址,以列表形式展現(xiàn);然后通過ListView的點擊事件確定與哪臺藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行連接,當(dāng)選中一個物理地址之后,便會調(diào)用BluetoothSocket類的connect方法,使手機(jī)和該藍(lán)牙設(shè)備建立基于TCP/IP協(xié)議的SOCKET連接。重點代碼[4]如下:

        其中,dvcAddr為所要連接的藍(lán)牙設(shè)備的物理地址,mBTDevice利用通用唯一識別碼(dvcUUID)來創(chuàng)建一個BluetoothSocket對象,該對象利用connect方法與藍(lán)牙設(shè)備建立連接。

        建立連接之后,利用OutputStream對象的write方法可以向藍(lán)牙設(shè)備發(fā)送信息,實現(xiàn)控制。并通過操作輸入輸出流進(jìn)行交互(包括手機(jī)對藍(lán)牙設(shè)備信息的采集以及對其操作指令的傳達(dá))。重點代碼如下:

        上述代碼以控制燈泡的開關(guān)為例,當(dāng)字符為非0時(代碼中為2),打開開關(guān);當(dāng)字符為0時,關(guān)閉開關(guān)。

        3.2 手機(jī)和服務(wù)器交互

        在手機(jī)端以提供一個上傳界面的方式,顯示從藍(lán)牙設(shè)備接收的數(shù)據(jù),通過點擊事件,與上傳服務(wù)器建立SOCKET連接,并發(fā)送之前從藍(lán)牙設(shè)備接收到的數(shù)據(jù)。服務(wù)器在接收到數(shù)據(jù)之后會發(fā)送相應(yīng)的反饋信息給手機(jī)端,再通過手機(jī)和藍(lán)牙設(shè)備的交互通道,給予藍(lán)牙設(shè)備相應(yīng)的操作指令。重點代碼如下:

        其中,192.168.0.101是所要連接的服務(wù)器的IP地址,54322是端口號。通過輸出流對象out的 println方法,向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù),并通過BufferReader對象br讀取從服務(wù)器發(fā)來的數(shù)據(jù)。

        手機(jī)端軟件設(shè)計框圖如圖4所示。

        圖4 手機(jī)端軟件框架圖

        4 服務(wù)器端軟件的設(shè)計

        服務(wù)器端是一個基于Java的圖形用戶界面(GUI),主要是實現(xiàn)顯示接收到的數(shù)據(jù)以及與手機(jī)進(jìn)行通信,可以接收手機(jī)上傳簡單的數(shù)字信息、圖片、視頻文件等,同時服務(wù)器可以控制手機(jī),當(dāng)終端管理員需要遠(yuǎn)程采取相關(guān)操作時,可直接通過控制手機(jī)來控制家里的一切。

        本文提出了基于藍(lán)牙與智能手機(jī)的遠(yuǎn)程信息采集與控制系統(tǒng),分析研究了藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),采用藍(lán)牙節(jié)點模塊實現(xiàn)了無線終端的設(shè)計,以及傳感器終端的接口電路設(shè)計,給出了手機(jī)軟件模塊設(shè)計的流程圖,最后簡單介紹了服務(wù)器端的功能。憑借藍(lán)牙的低功耗及傳輸穩(wěn)定、3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍極廣且傳輸速度快等特點,該系統(tǒng)具有很好的靈活性和可擴(kuò)展性,可以廣泛應(yīng)用于野外勘探、醫(yī)療器械和智能家居等多個領(lǐng)域,具有廣闊的市場發(fā)展前景。

        [1]CHATSCHIK B.An overview of the Bluetooth wireless technology[J].IEEE Communications Magazine, 2001,39(12):86-94.

        [2]王寧,黃樟欽.智能手機(jī)遠(yuǎn)程家居監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)應(yīng)用,2005,25(9):2212-2213.

        [3]徐鳳榮.ROK101007藍(lán)牙模塊及其在無線火災(zāi)自動報警系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].國外電子元器件,2006(11):54-57.

        [4]李寧.Android開發(fā)權(quán)威指南 [M].北京:人民郵電出版社,2011.

        [5]金純,許光辰,孫睿.藍(lán)牙技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.

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        [7]呂鑫,王忠.ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[J].安徽師范大學(xué)學(xué)報,2010,33(4):332-335.

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