北京聯(lián)合大學自動化學院 王 磊北京聯(lián)合大學 電子信息技術(shù)實驗實訓基地 張翠霞周道賢

基于藍牙4.0智能控制系統(tǒng)的研究與實踐

北京聯(lián)合大學自動化學院 王 磊
北京聯(lián)合大學 電子信息技術(shù)實驗實訓基地 張翠霞
周道賢

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展離不開無線控制系統(tǒng)的構(gòu)建,在該生態(tài)系統(tǒng)大家族中,藍牙扮演著重要角色。本文以藍牙智能控制系統(tǒng)為研究對象,對系統(tǒng)架構(gòu)與功能設計、關鍵技術(shù)以及解決方案、軟件、硬件進行了分析,并應用于普通電源插座,使之成為實用的藍牙智能電源插座。

藍牙;智能控制器;物聯(lián)網(wǎng)

引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應用使得人們生活和生存質(zhì)量變得更好,它在環(huán)境污染監(jiān)控、工業(yè)農(nóng)業(yè)測量、信號采集與處理、醫(yī)療行業(yè)等有很大應用。為此,作為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡中的重要部分如集中器,節(jié)點器等都需要有完善的功能和能力,如:信息采集、控制執(zhí)行、網(wǎng)絡組建、智能處理等。在現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡實施方案中還缺少一些更加節(jié)能、更加智能、更加靈活的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點解決方案。基于目前的現(xiàn)狀和存在的問題,我們試想研究一種新型的藍牙智能控制器。

藍牙智能控制器采用低功耗藍牙技術(shù),將自身傳感器數(shù)據(jù)信息發(fā)送到移動設備,移動設備將控制信息發(fā)送給藍牙控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)根據(jù)信息來執(zhí)行控制過程,通過外圍接口電路連接驅(qū)動電路實現(xiàn)應用與控制,比如智能插座,智能燈帶,實現(xiàn)了弱點控制強電并分析了相關原理。

本項研究的特點及創(chuàng)新點在信息處理、自動控制方面的低功耗設計與實現(xiàn),并應用于常用的電源插座,使得電源插座提供時間管理、斷電存儲信息、網(wǎng)絡共享等功能,變成藍牙智能電源插座。

1.系統(tǒng)架構(gòu)設計

該系統(tǒng)由藍牙控制終端、手機APP、網(wǎng)絡組成,如圖1.1所示。

藍牙控制終端:由藍牙芯片和外圍電路組成,用來接收手機app數(shù)據(jù),并反饋系統(tǒng)狀態(tài)給app,是系統(tǒng)的核心組成部分。

手機app用于設置數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù),獲取設備狀態(tài)數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)同步到網(wǎng)絡服務器。

網(wǎng)絡服務器用于用戶注冊,數(shù)據(jù)管理。

該系統(tǒng)通過手機app設置時間,時長,通道數(shù)據(jù),并通過藍牙傳輸在藍牙控制終端,藍牙終端存儲信息并根據(jù)此信息控制被控制對象,以及采集終端相關數(shù)據(jù)反饋給手機APP,app將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡服務器。終端與手機app之間數(shù)據(jù)傳輸采用自定義協(xié)議加密解密。

圖1 。1 系統(tǒng)架構(gòu)框圖

2.硬件電路方案

2.1 最小系統(tǒng)設計

選用低功耗Qn9020芯片,該芯片具備定時器,IIC接口,以及藍牙4.0協(xié)議棧,內(nèi)核還有一個時鐘芯片,并有官方提供的API函數(shù)支持,滿足研究需求,并預留接口到存儲器,屏幕以及外設控制接口。其應用是以此作為系統(tǒng)控制核心,使用IO連接控制驅(qū)動,控制電磁繼電器實現(xiàn)插座的開關。

信號采樣部分通過電阻橋線性比例處理信號,映射信號到單片機處理范圍再進行采樣,規(guī)范化。

2.2 外圍接口電路設計

外設控制部分采用光電控制器控制插座以及燈帶功率放大三極管實現(xiàn)。

為方便調(diào)試,采用串口實現(xiàn)與PC連接,實現(xiàn)開發(fā)調(diào)試仿真信息的回調(diào)。

2.3 節(jié)點組成框圖

節(jié)點核心使用藍牙芯片,外接傳感器,驅(qū)動電路,存儲器,以及顯示器。傳感器采用模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口采樣電平信號,并最終使用軟件濾波,計算其值發(fā)送到APP。節(jié)點組成電路如圖2.1所示。

圖2.1 節(jié)點電路組成

3.軟件設計

3.1 編譯器設計

編譯器就是將"一種語言(通常為高級語言)"翻譯為"另一種語言(通常為低級語言)"的程序。

本項設計的編譯器如圖3.1所示,使用keil IDE編譯代碼,界面如下,keil根據(jù)cpu芯片指令集編譯代碼為二進制碼,同時使用sourceinsight編輯代碼,會提升效率。

3.2 系統(tǒng)軟件設計

通過嵌入式系統(tǒng)運行藍牙api,結(jié)合外設控制模塊的驅(qū)動實現(xiàn)該功能,軟件結(jié)構(gòu)如圖3.2所示。

圖3 。2 終端軟件架構(gòu)

圖3 。3 終端程序流程

3.3 應用層設計

應用層的核心是數(shù)據(jù)打包加密解密并映射在四個通道上傳輸?shù)膶崿F(xiàn),應用層流程:通過藍牙狀態(tài)管理器接收處理指令,根據(jù)指令解析對應數(shù)據(jù)包,并行線程運行時間管理器,處理終端事件和數(shù)據(jù)采集。終端程序流程如圖3.3所示。

藍牙終端程序開始初始化時鐘,外設,加載協(xié)議棧,初始化外設驅(qū)動以及IO端口,申請內(nèi)存并運行嵌入式系統(tǒng),之后運行智能控制管理任務。任務由以下進程組成:藍牙數(shù)據(jù)管理器,串口打印模塊,電源管理,控制模塊四個進程。藍牙管理器負責監(jiān)管設置藍牙參數(shù),profile以及廣播數(shù)據(jù),廣播回應數(shù)據(jù),掃描回應數(shù)據(jù)等,并且負責連接,設置廣播間隔等參數(shù)。當建立數(shù)據(jù)通信時,管理狀態(tài)機先將收到的數(shù)據(jù)拆分出指令,包頭,數(shù)據(jù)包存入緩沖區(qū),在下一個程序周期根據(jù)指令調(diào)用相應代碼進行數(shù)據(jù)處理。

圖3.1 keil開發(fā)IDE

實現(xiàn)本研究需要一系列指令協(xié)調(diào),先下達時間,同步標志,檢查存儲器,提醒器等,然后每個數(shù)據(jù)的處理都有回調(diào)監(jiān)管。

控制模塊會根據(jù)當前時間每分鐘更新處理的指令,以及控制信息,時間到則會進入控制隊列,讀取當前控制隊列的控制時長,獲取此刻時間,根據(jù)此事件來控制該通道的狀態(tài)。

3.4 手機APP設計

APP設計主要為了實現(xiàn)跟藍牙終端通信耦合。手機APP程序流程如圖3.4所示。通信遵循藍牙節(jié)點終端協(xié)議,對正確協(xié)議規(guī)范數(shù)據(jù)解析,打開APP需要點擊連接設備,同時藍牙終端快速廣播,對廣播數(shù)據(jù)為特定的字符串的進行連接,調(diào)用藍牙4.0安卓API接口實現(xiàn)。連接APP后,APP依據(jù)一個流程進行指令和數(shù)據(jù)的下發(fā)。具體流程部分如圖3.4所示:

3.5 數(shù)據(jù)傳輸分析

圖3.4 手機APP程序流程圖

藍牙是通過Profile傳輸數(shù)據(jù),每個Profile包含了一些Service,每個Service代表一些能力。Service是一種服務,一個從機會包含電量信息、按鍵、搖桿、傳感器等服務。具體特征值才是通信的主體。因此在編程時需要將每個特征值分配為具體服務內(nèi)容。 UUID,統(tǒng)一識別碼,service和Char特征值需要唯一的UUID來標識,在BLE協(xié)議棧UUID為16位,在標準藍牙中是128位,可以相互轉(zhuǎn)換,一個Profile有多個Service,每個service可以有多個Characteristic組成,是主機與從機通信的實現(xiàn)方式。

4.實驗數(shù)據(jù)與結(jié)論

4.1 實驗數(shù)據(jù)

使用串口調(diào)試工具將藍牙終端運行的每一個狀態(tài)打印下來,以下是下載數(shù)據(jù)的全過程,該過程是按照程序設計的流程走指令,進行數(shù)據(jù)傳輸,各個指令結(jié)合從而實現(xiàn)藍牙控制系統(tǒng)的功能。

4.2 結(jié)論

按照程序流程實現(xiàn)后,并成功雙向數(shù)據(jù)傳遞,設備能夠下載時間,能夠反饋自己的狀態(tài)如時間,電量等信息。

5.硬件調(diào)試結(jié)果

制作藍牙控制系統(tǒng)的硬件樣機如圖5.1所示。長按鍵后藍牙圖標閃爍,設備變成可配對模式,此時需要在手機APP上點擊配對,幾秒后設備配對,并按照流程繼續(xù),逐一檢查各項參數(shù),和同步時間,下載設置的數(shù)據(jù),使得設備進入工作模式。

圖5.1 硬件樣機

圖6.1 基于藍牙控制系統(tǒng)的智能插座

6.應用:基于藍牙控制器的智能插座

藍牙4.0智能控制系統(tǒng)應用廣泛,特別是在物聯(lián)網(wǎng)方面,與人們的日常工作和生活息息相關。本項目就是以藍牙4.0智能控制系統(tǒng)為核心,與普通的電源接線板結(jié)合,做出了一個智能插座,如圖6.1所示,其與眾不同之處和創(chuàng)新的地方在于每個通道都有一個獨立的時間管理器,能實現(xiàn):2WH_ When(何時),Where(哪路通道), How(多長時間)的控制,并且能夠用手機APP設置。

鳴謝:該項目的研究得到2015Google支持教育部高教司國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃聯(lián)合基金項目的大力支持,為完成項目研究提供資金保證。

[1]王惠,朱寶中忠,基于藍牙低功耗技術(shù)的觸控顏色書寫筆自動識別研究與應用[J]。電子科學技術(shù),2016,3(3)。

[2]張建軍,陳曉,趙意。一種無線傳感器節(jié)點動態(tài)采樣策略[J]。電子測量與儀器學報,2016,30(2)。

[3]高紹斌,喬學工,王華倩。一種點對多點紅外通信協(xié)議設計與實現(xiàn)[J]。電視技術(shù),2013,37(21)。

張翠霞。