游彬，張紫謙, 張小晨

(1.南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 南昌 330031；2.南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院)

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藍(lán)牙內(nèi)網(wǎng)與ARM網(wǎng)關(guān)的遠(yuǎn)程智能家居監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

游彬1，張紫謙2, 張小晨1

(1.南昌大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 南昌 330031；2.南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院)

提出一種基于藍(lán)牙技術(shù)組建內(nèi)網(wǎng)，采用STM32作為網(wǎng)關(guān)，并搭建WEB服務(wù)器，通過(guò)Internet將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到用戶端，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居環(huán)境監(jiān)測(cè)結(jié)果的查詢。同時(shí)采用Android studio軟件開發(fā)一款手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙模塊的實(shí)時(shí)通信來(lái)查看監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，方便不同情況下查看監(jiān)測(cè)結(jié)果。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)家居環(huán)境溫度、濕度、光照強(qiáng)度、燃?xì)鉄熿F等環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控及遠(yuǎn)程訪問(wèn)。該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，人機(jī)界面友好，易于操作，可擴(kuò)展性強(qiáng)，且測(cè)試成本低。

藍(lán)牙技術(shù)；STM32；WEB服務(wù)器；安卓APP

引 言

隨著計(jì)算機(jī)、通信和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展和生活水平的不斷提高，人們逐漸開始關(guān)注家居環(huán)境的舒適性和安全性，智能化和網(wǎng)絡(luò)化等相關(guān)技術(shù)開始引入家居環(huán)境中組成智能家居的概念[1-2]。智能家居監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就是其中一個(gè)重要的應(yīng)用。智能家居監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以劃分為家庭內(nèi)網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)、家庭外網(wǎng)三個(gè)部分，目前家居監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，家庭內(nèi)網(wǎng)的構(gòu)建多采用基于總線和電力線的有線連接方式 ,這些連接方式均具有布線復(fù)雜、線路易腐蝕、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)。另外，家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)多以單片機(jī)作為控制核心，系統(tǒng)軟硬件資源有限，調(diào)試和升級(jí)均比較困難[3]。

藍(lán)牙是一種近距離、低功耗、低復(fù)雜度的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，應(yīng)用十分廣泛[4]。鑒于這些優(yōu)點(diǎn)，采用藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)來(lái)搭建家庭內(nèi)網(wǎng)。用STM32來(lái)替代單片機(jī)作為控制器，相比于單片機(jī)，其具有豐富的外設(shè)接口，便于系統(tǒng)升級(jí)調(diào)試[5]。同時(shí)利用主控芯片STM32的以太網(wǎng)控制模塊，搭建嵌入式WEB服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)家居環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程查看[6]。最后采用Java語(yǔ)言開發(fā)出一款A(yù)ndroid系統(tǒng)APP，實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙模塊實(shí)時(shí)通信功能，豐富對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查看方式[7-8]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一種基于藍(lán)牙與WEB服務(wù)器的無(wú)線傳輸平臺(tái)，系統(tǒng)模塊有：控制器、BC4藍(lán)牙模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、WEB服務(wù)器、安卓手機(jī)APP。該系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)為：室內(nèi)溫濕度、室內(nèi)光照強(qiáng)度、室內(nèi)一氧化碳濃度。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

首先，傳感器采集室內(nèi)環(huán)境參量通過(guò)藍(lán)牙從模塊發(fā)送到藍(lán)牙主模塊，然后在STM32控制器集成電路中做信號(hào)調(diào)理(如信號(hào)放大、A/D轉(zhuǎn)換等)，最終的監(jiān)測(cè)結(jié)果既可以通過(guò)藍(lán)牙SPP協(xié)議傳輸?shù)绞謾C(jī)終端，通過(guò)安裝在手機(jī)上的智能家居APP來(lái)查詢家居環(huán)境參數(shù)，也可以通過(guò)Internet瀏覽器遠(yuǎn)程訪問(wèn)Web服務(wù)器中的監(jiān)測(cè)結(jié)果。用戶可以根據(jù)自身情況選擇這2種不同的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境參量的實(shí)時(shí)查詢。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 傳感器選型

溫濕度傳感器主要負(fù)責(zé)采集室內(nèi)實(shí)時(shí)變化的溫濕度物理數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由于傳感器的性能直接決定了監(jiān)控系統(tǒng)的精度、靈敏度和測(cè)量范圍，所以本系統(tǒng)采用SHT10數(shù)字溫濕度傳感器，其主要性能指標(biāo)如下：濕度測(cè)量范圍為0～100% RH;溫度測(cè)量范圍為-40～123.8 ℃；濕度測(cè)量精度為±4.5% RH;溫度測(cè)量精度為±0.5 ℃；低功耗為80 μW，滿足系統(tǒng)的監(jiān)控要求。

一氧化碳濃度檢測(cè)采用MQ-2氣體傳感器，其使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)。

光照強(qiáng)度檢測(cè)采用BH1750傳感器來(lái)測(cè)量，其內(nèi)部光強(qiáng)檢測(cè)模塊的光譜范圍與人眼相近，對(duì)光源依賴性不大，具有測(cè)量范圍寬(1～65 535 lx)和高分解的特點(diǎn)。內(nèi)部帶有1.8 V電壓的邏輯輸入接口、照度數(shù)字轉(zhuǎn)換器、I2C總線接口，無(wú)需任何外部器件即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的光照強(qiáng)度采樣。

2.2 數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)

主控芯片STM32F107是以ARM的Cortex-M3為內(nèi)核的處理器，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，內(nèi)置大容量高速存儲(chǔ)器?？刂破髦饕菍?duì)藍(lán)牙主模塊傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其數(shù)據(jù)傳輸鏈如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)傳輸鏈

STM32F107內(nèi)置模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，需要對(duì)其內(nèi)部寄存器進(jìn)行編程，用來(lái)采集傳感器的數(shù)值。開啟時(shí)鐘，獲取傳感器模擬輸入，然后做分頻，設(shè)置ADC工作模式及規(guī)則序列，開啟A/D轉(zhuǎn)換并校準(zhǔn)最后讀取ADC數(shù)值，其主要程序如下：

RCC_ADCCLKConfig(RCC_PCLK2_Div6);

PCLK2/6 = 12MHz;

ADC_Mode = ADC_Mode_Indepengdent;

ADC_ScanConvMode = DISABLE;

ADC_ContinousConvMode = ENABLE;

ADC_ExternalTrigConv = ADC_ExternalTrigConv_None;

…;

主控制模塊與藍(lán)牙模塊的通信主要是串口通信，當(dāng)STM32F107通過(guò)串口發(fā)送AT命令時(shí)，控制藍(lán)牙模塊進(jìn)行工作，如搜索連接、配對(duì)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)，當(dāng)數(shù)據(jù)流非AT命令時(shí)，作為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)流傳輸給主控器，然后做數(shù)據(jù)處理。本系統(tǒng)采用 USART復(fù)用I/O口PA9作為串口發(fā)送引腳，配置為推挽輸出，速度為 50 MHz；USART復(fù)用I/O口PA10作為串口接收引腳， 配置為浮空輸入。 串口工作方式和中斷配置， 波特率為115 200 Baud、8 位數(shù)據(jù)位、無(wú)校驗(yàn)位、1 位停止位。其初始化代碼如下：

GPIO＿Init Type Def GPIO＿Init Structure;

USART＿Init Type Def USART＿Init Structure;

RCC＿APB2Periph Clock Cmd(RCC＿APB2Periph＿USART, ENABLE);

RCC＿APB2Periph Clock Cmd(RCC＿APB2Periph＿GPIOA, ENABLE);

GPIO＿Init Structure．GPIO＿Pin = GPIO＿Pin＿9;

GPIO＿Init Structure．GPIO＿Speed = GPIO＿Speed＿50MHz;

GPIO＿Init Structure．GPIO＿M(jìn)ode = GPIO＿M(jìn)ode＿AF＿PP;

GPIO＿Init(GPIOA, &GPIO＿Init Structure);

2.3 藍(lán)牙無(wú)線通信設(shè)計(jì)

藍(lán)牙模塊內(nèi)除了BC417143芯片外，還封裝了該芯片工作所需要的電源電路、振蕩器電路、Flash ROM、天線接口電路等。藍(lán)牙模塊還為BC417143的各種外圍接口提供了一個(gè)電路板級(jí)的插針，使用藍(lán)牙模塊時(shí)只要將藍(lán)牙模塊插在設(shè)計(jì)好接口外圍電路和插座的母板上即可。藍(lán)牙模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊結(jié)構(gòu)

藍(lán)牙軟件需要實(shí)現(xiàn)功能：spp任務(wù)的注冊(cè)、初始化、任務(wù)間的消息交換、任務(wù)同步、中斷處理、時(shí)間管理、內(nèi)存分配。CSR提供的SDK開發(fā)藍(lán)牙軟件，涉及任務(wù)、消息隊(duì)列和消息處理函數(shù)等API。主要是監(jiān)控spp任務(wù)主線，然后進(jìn)行內(nèi)存分配，判斷主從/分主從模式處理SPP數(shù)據(jù)流，其處理流程如圖4所示。然后通過(guò)內(nèi)部DSP做處理后通過(guò)Radio發(fā)射出去，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙主從模塊之間的數(shù)據(jù)通信以及主控制器與手機(jī)APP之間的數(shù)據(jù)通信功能。

圖4 藍(lán)牙軟件設(shè)計(jì)流程

藍(lán)牙SPP協(xié)議核心代碼如下：

PioState pio_state;

if (StreamUartSource())

memset(&theSppApp1, 0, sizeof(theSppApp1));

theSppApp1.task.handler = app_handler;

InitAppData(&theSppApp1);

if(theSppApp1.work_mode==SPP_MASTER)

read_far_addr(&theSppApp1.remote_bd_addr);

if(theSppApp1.work_mode == SPP_SLAVE)

PRINT(("Init SPP Slave Mode! "));

if(theSppApp1.connection_mode == 1)

read_far_addr(&theSppApp1.bind_bd_addr);

pioInit(&pio_state, &theSppApp1.task);

PanicNotNull(MessageSinkTask(StreamUartSink(), &theSppApp1.task));

ConnectionInit(&theSppApp1.task);

MessageLoop();

2.4 Web服務(wù)器的搭建與設(shè)計(jì)

通過(guò)在STM32上搭載μC/OS-II操作系統(tǒng)，并且移植LwIP協(xié)議棧到操作系統(tǒng)上，利用主控芯片STM32的以太網(wǎng)控制模塊，搭建嵌入式WEB服務(wù)器，通過(guò)LwIP的API接口實(shí)現(xiàn)HTTP應(yīng)用流程。主控制器上的以太網(wǎng)模塊靈活性強(qiáng)并擁有可配置的MAC 802.3物理接口，可以通過(guò)以太網(wǎng)接口收發(fā)數(shù)據(jù)。

μC/OS-II是基于優(yōu)先級(jí)的搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng),占用很少的內(nèi)存空間,可以提供多任務(wù)、實(shí)時(shí)同步等服務(wù)。搭建WEB服務(wù)器需要做任務(wù)處理和內(nèi)存分配等工作，所以需要移植μC/OS-II系統(tǒng)，主要移植μC/OS-II內(nèi)核代碼、板級(jí)配置文件、應(yīng)用程序、os_cpu.h、os_cpu_a.asm、os_cpu_c.c等文件。鑒于單純實(shí)時(shí)系統(tǒng)缺少網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，無(wú)法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)鏈接，從而需要移植LwIP協(xié)議到系統(tǒng)中。LwIP可以不需要操作系統(tǒng)的支持,也可以移植到操作系統(tǒng)上。但是LwIP在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的平臺(tái)上的網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度更快。在操作系統(tǒng)中,可以通過(guò)多任務(wù)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)應(yīng)用,該方式主要建立3個(gè)任務(wù):應(yīng)用程序HTTP任務(wù)、LwIP協(xié)議找處理任務(wù)、底層網(wǎng)絡(luò)接口任務(wù)。各任務(wù)之間使用信號(hào)量、消息郵箱通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)同步。

在STM32F107上移植好實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II和嵌入式TCP/IP協(xié)議棧LwIP以后,在多任務(wù)操作系統(tǒng)中添加http_task任務(wù)(即網(wǎng)絡(luò)通信中的最上層應(yīng)用層程序)來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式Web服務(wù)器的功能。實(shí)現(xiàn)方式如圖5所示，其中CGI(通用網(wǎng)關(guān)接口)是運(yùn)行在服務(wù)器上的一段程序代碼,用于處理來(lái)自客戶端(本文中釆用瀏覽器)的請(qǐng)求信息,根據(jù)來(lái)自HTML頁(yè)面的不同請(qǐng)求作出相應(yīng)的響應(yīng)。

圖5 Web的實(shí)現(xiàn)

WEB服務(wù)器的功能主要是由添加的http_task完成的，主要是http的初始化和http的應(yīng)答兩個(gè)方面的編程設(shè)計(jì)，主要由LwIP的API來(lái)實(shí)現(xiàn)。新建數(shù)據(jù)，然后綁定IP地址，再監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，然后建立網(wǎng)絡(luò)連接，接著讀取數(shù)據(jù)塊地址，最后將包頭數(shù)據(jù)和網(wǎng)頁(yè)數(shù)據(jù)發(fā)送到終端。其設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 LwIP實(shí)現(xiàn)

試驗(yàn)應(yīng)用：首先將測(cè)試硬件放置在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，然后將STM32開發(fā)板上電并接入以太網(wǎng)，將嵌入式WEB服務(wù)器的IP地址設(shè)為192.168.1.101，子網(wǎng)掩碼為255.255.255.1，其網(wǎng)關(guān)為192.168.1.1，試驗(yàn)所用監(jiān)測(cè)PC機(jī)IP地址為192.168.1.34。在監(jiān)測(cè)PC機(jī)上打開瀏覽器，在瀏覽器網(wǎng)絡(luò)地址欄中鍵入網(wǎng)址：http//192.168.1.101,此時(shí)瀏覽器進(jìn)入監(jiān)測(cè)界面，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查詢監(jiān)測(cè)結(jié)果的功能，其監(jiān)測(cè)頁(yè)面如圖7所示。

圖7 瀏覽器監(jiān)測(cè)結(jié)果界面

由監(jiān)測(cè)界面可以看出，廚房監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度為16.4 ℃，舒適等級(jí)；濕度為69%，略微潮濕；co濃度為16 ppa，屬于正常等級(jí)；光照強(qiáng)度為56 lx，光照較弱?？蛷d監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度為20.1 ℃，舒適等級(jí)；濕度為54%，正常等級(jí)；co濃度為9 ppa，屬于正常等級(jí)；光照強(qiáng)度為56 lx，光照舒適。

2.5 安卓APP設(shè)計(jì)

為了方便用戶查詢室內(nèi)的環(huán)境狀況，在實(shí)現(xiàn)Web顯示的同時(shí)可以利用Android系統(tǒng)開發(fā)APP應(yīng)用，使用戶能夠在手機(jī)上實(shí)時(shí)顯示參數(shù)情況。把控制器作為服務(wù)端監(jiān)聽客戶端的請(qǐng)求，手機(jī)APP應(yīng)用作為客戶端發(fā)送請(qǐng)求，并接收來(lái)自服務(wù)端通過(guò)藍(lán)牙模塊傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。

由于Android系統(tǒng)是基于Linux內(nèi)核開發(fā)的，而Linux內(nèi)核提供了所需的藍(lán)牙模塊驅(qū)動(dòng)，并且提供了相應(yīng)的藍(lán)牙API接口讓用戶調(diào)用如BluetoothServerSocket類用于藍(lán)牙服務(wù)端，而BluetoothSocket類則用于藍(lán)牙客戶端。首先將服務(wù)端和客戶端連接起來(lái)，客戶端通過(guò)startDiscovery()方法搜索周圍的藍(lán)牙設(shè)備，當(dāng)搜索到服務(wù)端時(shí)，調(diào)用ListenUsingRfcommWithServiceRecord(String, UUID)方法獲取BluetoothSocket，其中UUID是唯一的，如果客戶端與服務(wù)器端的UUID一致時(shí),則兩者就可以建立連接。然后，服務(wù)端調(diào)用accept()方法監(jiān)聽連接請(qǐng)求，而此時(shí)客戶端調(diào)用connect() 方法請(qǐng)求連接，當(dāng)服務(wù)端響應(yīng)請(qǐng)求后，兩者就建立連接了。最后，當(dāng)兩者連接后都會(huì)擁有自己的BluetoothSocket類，應(yīng)用APP通過(guò)調(diào)用BluetoothSocket類的getInputStream()方法接收藍(lán)牙服務(wù)端發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。由于accept()和connect()方法都會(huì)阻塞線程，所以需要在新線程中實(shí)現(xiàn)這兩種方法。其客戶端核心代碼如下：

//新線程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收

Public ConnectThread(BluetoothSocket socket){

Try{

Instraem = socket.getInputStream()′;

//讀取數(shù)據(jù)輸入流

}catch(IOException e){//拋出異常

}

}

//將接收的數(shù)據(jù)顯示

Public void run(){

Byte buff[] = new byte[512];

Int res;

While(1){

Try{

res = Instream.read(buff);

//將得到的數(shù)據(jù)送至顯示控件顯示

message mes=handler.obtainMessage(BluetoothChat.MESSAGE_READ,res,-1,buff);

mes.sendToTarget();

}catch(IOExceptin e)

{break;}

}

}

在實(shí)現(xiàn)APP與主控制器數(shù)據(jù)通信的功能的同時(shí)開發(fā)用戶交互界面，在APP的界面開發(fā)中采用了線性布局和相對(duì)布局相結(jié)合的方式。為了節(jié)省開發(fā)周期和成本，采用XML語(yǔ)言對(duì)界面進(jìn)行開發(fā)，不僅簡(jiǎn)單直觀，還降低了應(yīng)用的耦合性，APP的界面程序在文件的/res/layout/activity_main.xml中，最后得到測(cè)試結(jié)果界面如圖8所示。

圖8 安卓手機(jī)APP監(jiān)測(cè)結(jié)果界面

最后需要打開系統(tǒng)的藍(lán)牙權(quán)限，即在APP應(yīng)用工程中的AndroidManifest.xml文件中添加以下兩句[9]：

結(jié) 語(yǔ)

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楊靜(碩士)，主要從事高級(jí)編程語(yǔ)言、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用；楊觀賜(博士)，主要從事計(jì)算智能應(yīng)用。

(責(zé)任編輯：薛士然 收稿日期：2016-06-27)

Remote Monitoring System of Smart Home Based on Bluetooth Network and ARM Gateway

You Bin1,Zhang Ziqian2,Zhang Xiaochen1

(1.College of Mechanic and Electronic Engineering,Nanchang University,Nanchang 330031,China;2.College of Information Engineering,Nanchang University)

In the paper,a network based on Bluetooth technology is proposed,which uses STM32 as the gateway,and builds the WEB server.It sents the monitor data through the internet to the user side,and the system can check the results of the smart home environment monitoring.At the same time,the system uses the studio Android software to develop an APP,it achieves the real-time communication with the Bluetooth module to view the monitoring data for home environment temperature,humidity,light intensity,gas fumes and other environmental parameters.The system has reliable operation,friendly man-machine interface,easy to operate,strong expansibility,and lower test cost.

Bluetooth technology;STM32;WEB server;Android APP

TP393

A

?迪娜

2016-06-29)