李翔宇，馬夕然，葉奕風(fēng)

（1. 天津工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與軟件學(xué)院，天津 300387；2. 天津工業(yè)大學(xué) 電子信息與工程學(xué)院，天津 300387；3. 天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，天津 300387）

0 引言

近幾年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，多種新興科學(xué)技術(shù)也開(kāi)始得到了應(yīng)用。在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中，由于藍(lán)牙技術(shù)的不斷成熟，使其得到更多的應(yīng)用擁有更重要的作用。本部分主要介紹基于單片機(jī)的家長(zhǎng)端與孩子端藍(lán)牙互聯(lián)。本文基本用STC89C52RC這種型號(hào)的單片機(jī)作為主要控制端，在大概規(guī)定距離內(nèi)，因藍(lán)牙模塊的無(wú)線互聯(lián)使得設(shè)備的小燈閃耀，當(dāng)距離過(guò)遠(yuǎn)，通過(guò)蜂鳴器報(bào)警，兩個(gè)單片機(jī)通過(guò)內(nèi)部程序?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)連接和斷開(kāi)，從而完成家長(zhǎng)端和孩子端的互聯(lián)。

1 功能及總體方案

1.1 功能描述

首先，距離大約20米內(nèi)，HC-05主從機(jī)一體藍(lán)牙模塊互聯(lián)，信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳送到另一HC-05藍(lán)牙上，經(jīng)該單片機(jī)處理后紅色LED燈閃爍。超過(guò)大約20米距離，HC-05主從機(jī)一體藍(lán)牙模塊信號(hào)中斷，再經(jīng)該單片機(jī)處理，實(shí)現(xiàn)兩蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)紅色LED燈常亮。

1.2 系統(tǒng)組成及工作過(guò)程

當(dāng)藍(lán)牙模塊距離較近，互相接收到藍(lán)牙信號(hào)時(shí)，燈會(huì)一直閃爍，此時(shí)蜂鳴器不會(huì)報(bào)警。反而距離過(guò)遠(yuǎn)，使得信號(hào)中斷，會(huì)引起兩端的蜂鳴器同時(shí)進(jìn)行報(bào)警。為了取消報(bào)警，縮短兩設(shè)備的距離，這時(shí)候自動(dòng)恢復(fù)紅燈閃爍且不報(bào)警的狀態(tài)。

圖2 系統(tǒng)組成框圖Fig.2 System block diagram

1.3 工作流程圖

當(dāng)佩戴好設(shè)備的同時(shí)，可以自動(dòng)檢測(cè)到藍(lán)牙的連接情況，給出相應(yīng)的提示，因此可明顯看到互連情況。這樣在便捷的情況下，使得設(shè)備提示達(dá)到最佳效果。下圖為設(shè)備工作流程圖。

圖3 工作流程圖Fig.3 work flow chart

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路總體設(shè)計(jì)

硬件電路有最主要的單片機(jī)最小系統(tǒng)；外圍電路有 HC05藍(lán)牙模塊，蜂鳴器模塊以及電源。其中蜂鳴器和LED燈，分別起到報(bào)警和提示作用。如圖為總體電路圖。

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路

主要包括STC89C52RC芯片、復(fù)位模塊和晶振模塊。最小系統(tǒng)電路原理圖如圖5所示。

STC89C52RC是STC的低功耗，高性能CMOS 8位微控制器，具有 8K字節(jié)的系統(tǒng)可編程閃存。STC89C52在采用 MCS-51內(nèi)核的同時(shí)做出了很多方面的改進(jìn)，使得芯片具有傳統(tǒng)的51微控制器不具備的功能。在單芯片上，采用智能8位CPU和可編程閃存系統(tǒng)，使STC89C52可為許多嵌入式控制應(yīng)用提供高度靈活，超高效的解決方案。指令代碼完全兼容于傳統(tǒng)的8051微控制器，可以任選12個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期和6個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期。

圖4 總體電路圖Fig.4 Overall circuit diagram

該控制器主要特點(diǎn)如下，第一，采用增強(qiáng)型8051單片機(jī)；第二，可在6個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期和12個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器兩個(gè)周期中任意選擇，且指令代碼和傳統(tǒng)8051相同；第三，工作電壓為5.5V～3.3 V（5 V微控制器）/3.8 V～2.0 V（3 V微控制器）；第四，工作頻率范圍為 0～40 MHz，相當(dāng)于普通 8051 0～80MHz的一半，且實(shí)際工作頻率高達(dá)48MHz。用戶應(yīng)用程序空間為8 K字節(jié)，片內(nèi)集成512字節(jié)RAM。通用端口為I/O端口，復(fù)位后為P1/P2/P3/P4準(zhǔn)雙向拉出，端口0為漏極開(kāi)路輸出，作為總線擴(kuò)展，因?yàn)?I/O口需要上拉電阻，所以此處無(wú)需上拉電阻。ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應(yīng)用程序可編程）中，無(wú)需專業(yè)編程器和專用仿真器，通過(guò)串口（RxD/P3.0，TxD/P3.1）可直接下載用戶程序。具有看門狗功能的功能。也就是說(shuō)，定時(shí)器T0，T1，T2。此外，下拉模式可通過(guò)外部中斷觸發(fā)低電平中斷模式。工作溫度范圍為-40～+85℃（工業(yè)級(jí)）/0～75℃（商業(yè)級(jí)）。

圖5 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路Fig.5 Minimum system circuit of single chip microcomputer

系統(tǒng)的可靠性在一定程度上靠微控制器的復(fù)位電路來(lái)保證。復(fù)位的基本功能是在系統(tǒng)上實(shí)時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直到整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，信號(hào)允許被撤銷。51單片機(jī)采用地是高電平復(fù)位，復(fù)位電平必須大于復(fù)位有效時(shí)兩個(gè)機(jī)器周期的持續(xù)時(shí)間，其具體值可以通過(guò) RC電路時(shí)間常數(shù)計(jì)算。復(fù)位模式使用手動(dòng)復(fù)位：如果在運(yùn)行期間按下按鈕，電容器將放電，VCC通過(guò)復(fù)位引腳達(dá)到高電平狀態(tài)，然后通過(guò)電阻器對(duì)電容器進(jìn)行反向充電，保持一段時(shí)間的達(dá)到高電平的單片機(jī)復(fù)位，此段時(shí)間過(guò)后，復(fù)位引腳變?yōu)? V，微控制器進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

51微控制器包含反相放大器的高增益，并且外部XTAL1和XTAL2引腳跨越石英晶體和兩個(gè)微調(diào)電容器，構(gòu)成穩(wěn)定的自激振蕩器。其中，兩個(gè)電容器不僅可以穩(wěn)定頻率，還可以調(diào)節(jié)頻率的作用，通常在5～30 pF的范圍內(nèi)。要的，其作用是為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，為了保持系統(tǒng)的每個(gè)部分的同步將共享一個(gè)晶體，并且在晶體的有序執(zhí)行的所有順序基于建立在晶體時(shí)鐘頻率中提供。微控制器的速度取決于時(shí)鐘頻率的速度（見(jiàn)圖2）

2.3 藍(lán)牙模塊電路

該模塊所使用的單片機(jī)的輸入引腳與模塊的串行數(shù)據(jù)輸入端連接，輸出引腳與對(duì)應(yīng)輸出端連接。這樣達(dá)到了程序數(shù)據(jù)的傳輸，使得藍(lán)牙信號(hào)可以根據(jù)程序設(shè)定進(jìn)行互連或中斷。與此同時(shí)，藍(lán)牙模塊的其他兩個(gè)引腳state和en設(shè)置為懸空。

圖6 藍(lán)牙電路圖Fig.6 Bluetooth circuit diagram

2.4 提升與改進(jìn)

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備最小化，可以對(duì)原有基礎(chǔ)上的主控端進(jìn)行了改進(jìn)，為節(jié)省空間使用更小芯片。圖 7為STC89C52RC-LQFP44芯片原理圖。

圖7 單片機(jī)芯片原理圖Fig.7 The principle diagram of single chip

由于更改上一款的直插式芯片，將該芯片變成貼片式，從而可以實(shí)現(xiàn)模塊縮小，同時(shí)也便于操作和提高效率。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

下載程序之前，在電腦上安裝 USB轉(zhuǎn)串口CH340驅(qū)動(dòng)，然后安裝對(duì)應(yīng)單片機(jī)的燒錄工具，本次安裝的程序下載軟件是 stc-isp-15xx-v6.85H自動(dòng)下載，可以通過(guò)此軟件將寫好的程序下載到STC89C52RC芯片中。

軟件設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是：判斷藍(lán)牙是否接收到數(shù)據(jù)，接收到信號(hào)控制LED燈閃爍，距離過(guò)遠(yuǎn)接收不到信號(hào)，蜂鳴器響LED燈常亮。首先對(duì)串口進(jìn)行初始化，定時(shí)器初始化，串口發(fā)送字符串，接著等待中斷，當(dāng)產(chǎn)生中斷時(shí)進(jìn)入串口中斷服務(wù)程序，然后對(duì)蜂鳴器和LED進(jìn)行控制。

3.2 主程序設(shè)計(jì)

在這一階段，要首先完成微控制器的初始化，該階段包括每個(gè)端口的定義、功能聲明、變量定義和宏定義，然后要進(jìn)行單片機(jī)的串口初始化，包括定時(shí)器工作模式選擇、串口工作模式選擇、波特率設(shè)置、開(kāi)放串行中斷等。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生中斷時(shí)，進(jìn)入串行中斷服務(wù)程序，中斷程序包含例如控制功能等諸多功能。最后在各種功能的實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上控制LED燈顯示和蜂鳴器。

系統(tǒng)主程序工作流程如圖8所示。

圖8 主程序流程圖Fig.8 Main program flow chart

4 測(cè)試與結(jié)果

通過(guò)對(duì)模塊的多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)可知，手環(huán)發(fā)出警報(bào)距離主要分布在20米-30米左右，結(jié)束警報(bào)距離主要分布在10米-20米左右，結(jié)束警報(bào)距離遠(yuǎn)小于發(fā)出警報(bào)距離，使孩子只有在離家長(zhǎng)更近的位置，即基本能觀測(cè)到孩子的地方時(shí)，才結(jié)束蜂鳴，符合家長(zhǎng)心理預(yù)期。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)配合商場(chǎng)互聯(lián)網(wǎng)報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行工作的家長(zhǎng)端和孩子端手環(huán)的藍(lán)牙部分進(jìn)行了從總體方案到硬件、軟件等幾方面的設(shè)計(jì)。除此之外，也對(duì)該模塊的各種測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了簡(jiǎn)單說(shuō)明。從最后的各項(xiàng)測(cè)試結(jié)果上顯示，該手環(huán)藍(lán)牙模塊的設(shè)計(jì)從總體上基本達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

圖9 警報(bào)距離統(tǒng)計(jì)圖Fig.9 Alarm distance statistics chart

實(shí)驗(yàn)的30個(gè)數(shù)據(jù)如下：如今的藍(lán)牙技術(shù)尚且處于發(fā)展階段，各項(xiàng)技術(shù)水平還有相當(dāng)大的改善空間。該智能手環(huán)藍(lán)牙模塊的設(shè)計(jì)僅是在當(dāng)前所有的特定條件下。相信在未來(lái)隨著藍(lán)牙技術(shù)的提升，本部分的開(kāi)發(fā)環(huán)境也將會(huì)得到顯著改善，而在大幅優(yōu)化開(kāi)發(fā)環(huán)境后的成果也終將可以更好地實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的初衷。

表1 警報(bào)具體統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Alarm distance statistics table 單位：米

[1] 譚振興. 基于BLE技術(shù)的智能防丟器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 山東:山東大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院, 2015.

[2] 李立鵬, 田園, 董志祥, 周楠, 吳林麗. 基于MCU的物流狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的研究與設(shè)計(jì)[J]. 天津科技, 2017(2): 62-63.

[3] 鄒春宇, 張仁永, 陳敬穆. 基于STM32L152V8的預(yù)警手環(huán)設(shè)計(jì)[J]. 電子世界, 2017(9): 82-83.

[4] 楊婷, 黃韜, 謝亮. 基于STM32微控制器的智能手環(huán)的設(shè)計(jì)[J]. 科技廣場(chǎng), 2016(8): 190-192.

[5] 張群, 楊絮, 張正言, 陸起涌. 藍(lán)牙模塊串口通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 實(shí)驗(yàn)室研究與探索, 2012, 31(03): 79-82.

[6] 楊悅, 劉超, 陳永泰. 藍(lán)牙技術(shù)及其原理[J]. 電信快報(bào),2002(02): 17-20.

[7] 黎卓芳. 藍(lán)牙技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J]. 現(xiàn)代電信科技, 2012, 42(12): 61-66.

[8] 盧少軍. 基于可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的獨(dú)居老人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 華中師范大學(xué), 2016.

[9] 焦凱. 基于藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線局域網(wǎng)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京理工大學(xué), 2005.

[10] 蕭暐, 楊濤. 藍(lán)牙核心技術(shù)[J]. 電信科學(xué), 2001(01):18-22.