孔德超，楊海濤，張家坤

（北方民族大學 電氣信息工程學院，寧夏 銀川 750021）

0 引 言

伴隨著科技水平的迅速發(fā)展和生活水準的不斷提高，人們對生活的各個方面都提出了更高要求，智能家居慢慢進入到千家萬戶[1]。燈具控制系統(tǒng)是人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?，但是傳統(tǒng)的有線燈具控制系統(tǒng)需要提前在墻內(nèi)鋪設電力線，已經(jīng)無法滿足人們對追求高質(zhì)量生活的要求。針對此問題，目前市場上出現(xiàn)了許多無線燈具控制系統(tǒng)。經(jīng)過對目前無線燈具控制系統(tǒng)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，燈具控制主要運用了ZigBee、藍牙和WiFi三類無線通信技術。但是，這三種燈具控制方式存在以下缺點：ZigBee不能穿過墻體控制相鄰房間的燈具，限制了其使用范圍；藍牙燈具控制系統(tǒng)需要把藍牙集成到燈具中[2]，如若控制多個燈具需要增加藍牙個數(shù)，增加了控制系統(tǒng)的成本；WiFi燈具控制系統(tǒng)需要依賴WiFi網(wǎng)絡[3]，存在受限于網(wǎng)絡的弊端。因此，市場上現(xiàn)存的無線燈具控制系統(tǒng)從價格、使用條件及安裝的便利性方面來說，未能解決無線燈具控制系統(tǒng)的本質(zhì)問題。

針對目前市場現(xiàn)存的無線燈具控制系統(tǒng)的弊端，結合人們對無線燈具控制系統(tǒng)的需求和Android智能手機的普及，本文設計了一種基于Android的雙控智能無線燈具控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)通過手機APP與藍牙通信，藍牙通過串口向無線中繼系統(tǒng)發(fā)送控制信息，無線中繼主控芯片STC89C51接收藍牙數(shù)據(jù)進行解析，將解析得到的房間地址和燈具號通過編碼芯片2262和315 MHz無線模塊發(fā)送到燈具接收端實現(xiàn)燈具的控制。同時，可以通過低功耗觸摸按鍵發(fā)射系統(tǒng)實現(xiàn)燈具的控制。本設計系統(tǒng)不僅可以通過Android手機端通過無線中繼系統(tǒng)實現(xiàn)對燈具的控制，還可以通過低功耗無線觸摸按鍵發(fā)射系統(tǒng)實現(xiàn)對燈具的控制，實現(xiàn)了對燈具系統(tǒng)的雙控。

1 系統(tǒng)設計原理

本文設計的基于Android的智能雙控無線燈具控制系統(tǒng)，主要由手機APP通過中繼系統(tǒng)和低功耗無線觸摸按鍵發(fā)射系統(tǒng)實現(xiàn)對燈具的控制。第一種控制方式由手機APP人機交互端、無線中繼控制系統(tǒng)和燈具控制系統(tǒng)三部分組成。手機APP通過藍牙協(xié)議與HC-05藍牙進行通信，并把燈具的地址和被控燈具號通過藍牙傳送至無線中繼系統(tǒng)。無線中繼控制系統(tǒng)包括藍牙、STC89C51最小系統(tǒng)、2262編碼芯片及315 MHz無線發(fā)射模塊。藍牙負責將接收到的APP數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到STC89C51單片機；STC89C51單片機負責將得到的數(shù)據(jù)進行解析，從而得到被控燈具的地址和燈具號，并控制2262系列編碼芯片通過315 MHz無線模塊發(fā)射一次有效的數(shù)據(jù)信息。無線燈具接收端由解碼芯片2272、315 MHz無線接收模塊及燈具控制電路組成。315 MHz無線接收模塊將接收到的數(shù)據(jù)通過解碼芯片2272進行解碼，并判斷解碼后的地址與燈具控制端所設地址是否匹配。若匹配，則控制燈具亮滅；若不匹配，則無任何動作。第二種控制方式是通過低功耗觸摸按鍵芯片TTP223控制2262編碼芯片無線發(fā)射編碼信號實現(xiàn)對燈具的控制。本控制系統(tǒng)不僅可以通過手機實現(xiàn)對燈具的控制，還可以通過低功耗無線觸摸按鍵發(fā)射系統(tǒng)實現(xiàn)對燈具的控制?？傮w系統(tǒng)結構原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構原理

2 手機APP控制端

本系統(tǒng)使用的移動終端設備是Android智能手機，APP開發(fā)使用AndroidStudio開發(fā)平臺，通過建立良好的人機交互界面給用戶帶來更好的體驗[4]。首次登陸APP需要根據(jù)用戶自身的需求增加房間，單擊進入增加的房間為每個房間增加燈具。由于一個地址（房間）可以控制4個燈具，所以每個地址可以控制4個燈具。每個房間可以自己手動設定地址，設定的地址通過Android提供的SharedPreferences進行持久化保存，且房間地址根據(jù)需求可以進行更改。APP界面設計如圖2所示。

圖2 APP設計界面

進入房間設定好參數(shù)后，執(zhí)行打開藍牙、搜索藍牙及連接藍牙等操作。成功連接藍牙后，可以與無限中繼系統(tǒng)進行通信，并對燈具進行控制。APP工作流程如圖3所示。

圖3 APP工作流程

若軟件正常運行，需要在Android的配置文件下添加藍牙使用權限聲明，否則無法正常使用藍牙。添加藍牙權限如下：

＜uses-permission android∶name=”android.permission.BLUETOOTH”/＞

＜uses-permission android∶name=”android.permission.BLUETOOTH_ADMIN”/＞

在Android開發(fā)中，只需調(diào)用Android本身提供的藍牙API函數(shù)，即可和藍牙建立無線數(shù)據(jù)通信[5-6]。一般Android系統(tǒng)與藍牙建立通信流程，如圖4所示。

圖4 藍牙建立通信流程

3 無線中繼系統(tǒng)

無線中繼系統(tǒng)由三部分組成：藍牙模塊、STC89C51單片機控制模塊和無線發(fā)射系統(tǒng)。藍牙模塊用于接收手機APP發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給STC89C51單片機；STC89C51單片機將接收的數(shù)據(jù)解析出房間地址和房間燈具號控制無線發(fā)射系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)發(fā)送；無線編碼芯片及315 MHz無線發(fā)射模塊用于將單片機解析后的數(shù)據(jù)發(fā)送到對應地址的燈具接收端。無線中繼系統(tǒng)原理如圖5所示。

圖5 無線中繼系統(tǒng)

3.1 藍牙及單片機系統(tǒng)

本無線中繼系統(tǒng)使用HC-05藍牙串口通信模塊，通過單片機串口或者使用PC機上位機串口軟件，用AT指令設置其藍牙名稱、密碼、波特率及工作方式等。本系統(tǒng)使用藍牙的波特率為9 600 b/s，工作模式為從機模式。STC89C51單片機負責解析藍牙接收的數(shù)據(jù)。由于本無線中繼系統(tǒng)能夠控制256個地址，且每個地址可以控制4個燈具，因此可控制1 024組燈具。通過手機APP發(fā)送的數(shù)據(jù)共有4位數(shù)字，其中前3位是燈具地址，最后1位代表被控燈具號。因此，前3位數(shù)據(jù)取出作為燈具的地址送入單片機的P0口，用于控制無線發(fā)射的地址；將數(shù)據(jù)的最后1位取出送入單片機的P2口的低4位，用于選擇控制指定的燈具號。原理如圖6所示。

3.2 無線發(fā)射系統(tǒng)

無線發(fā)射系統(tǒng)包含編碼芯片2262和315 MHz無線發(fā)射模塊。2262系列編碼芯片是一款CMOS工藝的低價位、低功耗的通用無線編碼芯片[7-8]，被廣泛應用于低成本無線通信控制領域。本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送模塊采用的是工作頻率為315 MHz的調(diào)幅方式，通過增加天線可以增加整個發(fā)射系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送的距離范圍。為了整個無線發(fā)射系統(tǒng)設計的緊湊性和美觀性，本設計通過在PCB板上通過鋪設銅線代替天線。無線發(fā)射系統(tǒng)原理如圖7所示。

A1～A8為無線編碼芯片的地址控制端已連接單片機的P0口，OSC1和OSC2用于連接振蕩電阻本設計系統(tǒng)選用的電阻為1.2 MΩ。D0～D3為編碼芯片的數(shù)據(jù)口連接至單片機P2口的低4位，用于控制燈具號。通過控制TE引腳的低電平時間，控制無線編碼芯片有效發(fā)射編碼信號的次數(shù)。本無線控制系統(tǒng)要求每次接收到數(shù)據(jù)時只發(fā)射一次有效數(shù)據(jù)，故需要精確控制TE引腳的低電平時間，以避免產(chǎn)生誤操作。經(jīng)過實際測試，TE管腳低電平時間控制在15 ms，可以控制無線發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射一次有效信號。

圖6 藍牙及單片機原理

圖7 無線發(fā)射系統(tǒng)原理

4 低功耗無線觸摸按鍵發(fā)射系統(tǒng)

本系統(tǒng)由低功耗觸摸按鍵芯片TTP223、2262編碼芯片和315 MHz發(fā)射模塊組成。編碼芯片2262和315 MHz模塊組成發(fā)射系統(tǒng)，實現(xiàn)對編碼信號的發(fā)送。本系統(tǒng)由2塊CR2032紐扣電池供電。當沒有檢測到觸摸動作時，本系統(tǒng)只有低功耗觸摸鍵芯片TTP223耗電，耗電電流極低，僅有12.6 μA。當檢測到觸摸動作時，TTP223輸出端口輸出高電平驅(qū)動整個無線發(fā)射系統(tǒng)工作，并發(fā)射一次有效編碼信號控制燈具的亮滅。工作時，整個系統(tǒng)耗電電流為257.5 μA。經(jīng)計算，2塊CR2032紐扣電池完全滿足一年的使用要求。低功耗無線發(fā)射系統(tǒng)原理如圖8所示。

圖8 低功耗無線觸摸按鍵發(fā)射系統(tǒng)原理

5 無線燈具接收系統(tǒng)

本無線接收系統(tǒng)用于接收來自無線中繼系統(tǒng)發(fā)射的編碼信號，將接收到的編碼信號通過2272系列解碼芯片進行解碼[9-10]。將解碼得到的地址與本接收端地址進行匹配，如若兩者地址一致，則控制燈具進行亮滅，否則無任何動作。燈具接收系統(tǒng)電路如圖9所示。

圖9 燈具接收系統(tǒng)原理

無線燈具接收端通過簡單的限流、整流及穩(wěn)壓電路為無線接收系統(tǒng)供電，降低了使用變壓器降壓的成本。無線接收端地址可以根據(jù)用戶需求通過撥碼開關S1設置。同一地址下，可以通過撥碼開關S2選擇D0～D3任意一個數(shù)據(jù)口控制燈具的亮滅。無線燈具接收端設定的地址與APP客戶端和低功耗無線觸摸按鍵發(fā)射系統(tǒng)設定的地址相同，才能實現(xiàn)對燈具的雙控。

6 結 語

本文針對目前市場上存在的無線開關用戶體驗差、成本高及安裝不便的弊端，提出了一種基于Android的雙控智能無線開關控制系統(tǒng)。本控制系統(tǒng)不僅可以通過手機APP端實現(xiàn)對燈具的控制，還可以通過低功耗無線觸摸按鍵發(fā)射端實現(xiàn)對燈具的控制。本無線燈具控制系統(tǒng)相比市場上現(xiàn)存的其他無線燈具控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：本系統(tǒng)采用藍牙與手機通信解決了WiFi網(wǎng)絡的限制；手機APP端和無線燈具接收端可以由用戶自由設置被控燈具的地址極大地方便了用戶的使用；本系統(tǒng)的無線中繼系統(tǒng)可以控制燈具的數(shù)目多達1 024組，因此用戶可以通過手機APP和一個無線中繼系統(tǒng)輕松控制1 024組燈具，極大地降低了使用成本；本無線中繼系統(tǒng)采用315 MHz與燈具控制系統(tǒng)通信，解決了ZigBee不能穿墻控制燈具的弊端。