基于藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的家電控制系統(tǒng)

王航宇

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程學(xué)院，西安710089)

隨著電子技術(shù)與無線通信網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，數(shù)字化家電控制系統(tǒng)已成為未來家電裝飾發(fā)展的最新方向。目前日常家用電器，雖已經(jīng)集成一些定時(shí)操控，但功能有限，遙控關(guān)機(jī)狀態(tài)仍有功耗，無法有效切斷電源。階梯電價(jià)的實(shí)施，對(duì)普通用戶來說，家用電器的待機(jī)或關(guān)機(jī)狀態(tài)的耗電也是電費(fèi)來源之一。因此，需設(shè)計(jì)一套可隨時(shí)便捷控制家電工作狀態(tài)的控制系統(tǒng)，使能源與電費(fèi)開支得以有效節(jié)約。

1 短距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)選取

常見短距離無線通信有［1-2］:基于 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議(Zigbee)、射頻識(shí)別技術(shù) RFID(Radio Frequency Identification)、藍(lán)牙(Bluetooth)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)紅外通訊(Infrared Ray)、使用802.11標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的局域網(wǎng)(Wi-Fi)和無載波通信UWB(Ultra Wideband)等，這些技術(shù)各有千秋，之間又存在著相互競(jìng)爭(zhēng)，但在某些實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，它們又相互補(bǔ)充，其有效距離范圍與傳輸速率范圍如圖1所示。

圖1 常見短距離無線通信有效范圍與傳輸速率示意圖

智能手機(jī)的普及，使藍(lán)牙技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，現(xiàn)已普及到普通家庭，而且普通家庭的住房大小，正好在藍(lán)牙的有效傳輸距離內(nèi)，亦可使藍(lán)牙得到充分的利用，目前UWB標(biāo)準(zhǔn)化的工作還沒有完成，需進(jìn)一步發(fā)展，而ZigBee以及Wi-Fi更適用于別墅家庭局域網(wǎng)的組建。因此，本文設(shè)計(jì)將選取藍(lán)牙技術(shù)作為室內(nèi)短距離通訊。

2 家電控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h2>

本設(shè)計(jì)家電控制系統(tǒng)主要分為遠(yuǎn)程無線控制，室內(nèi)短距離無線控制，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 家電控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

遠(yuǎn)程無線控制的實(shí)現(xiàn)，主要依靠用戶手機(jī)通過無線移動(dòng)基站向家電主控制模塊發(fā)送命令消息，主控模塊通過室內(nèi)短距離無線藍(lán)牙對(duì)用戶命令進(jìn)行響應(yīng);當(dāng)用戶在戶外時(shí)，室內(nèi)短距離藍(lán)牙無線控制，主要響應(yīng)來自主控模塊操作命令，當(dāng)用戶在室內(nèi)時(shí)，將響應(yīng)來自用戶手機(jī)藍(lán)牙的指令。

3 家電控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

家電控制系統(tǒng)中的微處理器的選擇與設(shè)計(jì)有2種方案:方案1，GSM/GPRS通信模塊與藍(lán)牙模塊均以串行方式與微處理器進(jìn)行通信，故可選擇含有2個(gè)串口的微處理器，如STC12C5AXX系列的相關(guān)型號(hào);方案2，通信模塊與藍(lán)牙模塊同時(shí)共用微處理器的一個(gè)串口。本文設(shè)計(jì)，將采用方案2的共用方式，選取STC89C51RC單片機(jī)作為信息交互的處理器。

家電控制系統(tǒng)主要包括:遠(yuǎn)程GSM/GPRS通信模塊電路，藍(lán)牙模塊通信電路以及執(zhí)行電路。執(zhí)行電路主要由對(duì)繼電器的控制來完成，以下主要闡述通信模塊與藍(lán)牙模塊的應(yīng)用設(shè)計(jì)。

3.1 GSM/GPRS 通信模塊設(shè)計(jì)［3］

GSM/GPRS通信模塊選取SIMCOM公司的SIM900A［4］尺寸較小的雙頻無線通訊模塊。該通信模塊電源部分為3.8 V，非典型固定電壓，而且瞬間電流可以達(dá)到2 A。本設(shè)計(jì)選擇可調(diào)輸出電壓芯片LM2596，LM2596輸出電壓范圍為1.2 V～37 V，瞬間可以通過最大電流達(dá)到3 A，完全符合電路要求。其SIM900A的電源模塊如圖3所示。

圖3 SIM900A電源模塊

微處理器與GSM/GPRS通信模塊示意圖如圖4所示。

圖4 SIM900A通信模塊應(yīng)用電路圖

GSM/GPRS通信模塊為靜電敏感器件，故電路中需加入靜電防護(hù)措施。設(shè)計(jì)中采用STM公司專為靜電敏感器件設(shè)計(jì)的ESDA6V1W5芯片，該器件可承受瞬間靜電25 kV，漏電流小于1 μA。

由于所使用的微處理器為5 V接口電壓，而SIM900A接口電壓為2.8 V左右，因此需要在兩者之間加一電平轉(zhuǎn)換芯片，如圖4所示，本系統(tǒng)采用NL27WZ07芯片，實(shí)現(xiàn) SIM900A與微處理器STC89C51RC之間的電平轉(zhuǎn)換。

3.2 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)［5］

藍(lán)牙模塊采用南京國春電氣設(shè)備有限公司出品的GC-02藍(lán)牙模塊，該CLASS2藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)采用了CSR公司的AUDIO-FLASH藍(lán)牙芯片，外圍主要元器件選型采用工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，貼片式設(shè)計(jì)，自帶高效板載天線，可完全滿足普通家庭基本電器控制的要求。

藍(lán)牙模塊接收用戶命令(該命令可由主控藍(lán)牙發(fā)出也可由用戶智能手機(jī)的藍(lán)牙發(fā)出)，并響應(yīng)指令對(duì)電器操控。其接線示意圖如圖5所示。

圖5 藍(lán)牙模塊應(yīng)用電路圖

4 家電控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 GSM/GPRS通信模塊

通過單片機(jī)串口向SIM900模塊的串口發(fā)送AT命令［4］，實(shí)現(xiàn)短消息服務(wù)，分組數(shù)據(jù)等應(yīng)用。AT指令主要有測(cè)試、讀、寫、執(zhí)行命令4個(gè)種類，每句AT指令以“AT”開始，以“回車”結(jié)束。不區(qū)分大小寫。命令發(fā)送成功后設(shè)備回復(fù)響應(yīng)信號(hào)。

SIM900A模塊上電啟動(dòng)后，自動(dòng)輸出“RDY”后，才能夠通過AT指令正常通信。

短消息(SMS)格式主要有3種:BLOCK、TEXT和PDU 3種格式，BLOCK現(xiàn)在幾乎被淘汰;TEXT模式是基于ASCⅡ碼字符的一種結(jié)構(gòu)模式，每條命令容易讀懂，實(shí)現(xiàn)容易，但不能收發(fā)中文短消息。PDU(protocol description unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元)模式被所有手機(jī)支持，這也是默認(rèn)的手機(jī)編碼方式。

AT指令多達(dá)上百個(gè)，涉及到傳真、語音、短消息、分組數(shù)據(jù)等等，因此只介紹和本系統(tǒng)相關(guān)的短消息中常用到的AT控制命令如表1所示。

系統(tǒng)在收到來自用戶的短信指令，并在執(zhí)行完命令后會(huì)回復(fù)一條確認(rèn)信息。PDU字符串的發(fā)送和接收，在結(jié)構(gòu)有很大的區(qū)別，發(fā)送短消息數(shù)據(jù)格式為:SMSC-PDU-MODE-MR-DA-PID-DCS-VPUDL-UD;接收短消息數(shù)據(jù)格式為:SMSC-PDUMODE-OA-PID-DCS-SCTS-UDL-UD。

表1 SMS相關(guān)控制命令

其中，SMSC，短消息業(yè)務(wù)中心地址;OA，短消息原發(fā)手機(jī)地址;DA，短消息的目的地址;PID，遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行協(xié)同工作的標(biāo)示，需要服務(wù)商支持;DCS，表示數(shù)據(jù)編碼的方法和消息的類別;UDL，用戶數(shù)據(jù)長(zhǎng)度;UD，用戶數(shù)據(jù);VP，短消息在接收到短消息后，在沒有發(fā)到目的手機(jī)前可以保證短消息存在的時(shí)間;MR，1個(gè)字節(jié)，表示移動(dòng)臺(tái)向短消息服務(wù)中心提交的短消息序號(hào)，一般從0到255;SCTS，服務(wù)中心時(shí)間戳，告訴目的用戶短消息到達(dá)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。

4.2 藍(lán)牙通信模塊［6-8］

主控制部分，在藍(lán)牙模塊處于待機(jī)狀態(tài)的時(shí)候，當(dāng)從串口UART接收到了單片機(jī)發(fā)送過來的“文件發(fā)送指令SN”之后，藍(lán)牙模塊將向子系統(tǒng)，當(dāng)子系統(tǒng)允許接收后，將文件內(nèi)容發(fā)到子系統(tǒng)中，發(fā)送結(jié)束后，返回待機(jī)模式，子系統(tǒng)經(jīng)判斷后對(duì)相應(yīng)的電器進(jìn)行操作。

普通藍(lán)牙手機(jī)一般只支持對(duì)象交換協(xié)議OPP，沒有支持串口通信SPP的應(yīng)用程序，所以當(dāng)用戶處于室內(nèi)時(shí)，藍(lán)牙模塊與藍(lán)牙手機(jī)之間將發(fā)起基于OPP協(xié)議的呼叫。

藍(lán)牙模塊GC-02的無線通訊的流程圖如圖6所示。

圖6 藍(lán)牙無線通訊流程圖

當(dāng)主控部分藍(lán)牙模塊向子系統(tǒng)藍(lán)牙模塊發(fā)送信息時(shí)，需由主控單片機(jī)做進(jìn)一步判斷——判斷待發(fā)的內(nèi)容長(zhǎng)度究竟是大于251 byte、還是小于等于251 byte，因?yàn)椴煌拈L(zhǎng)度需要以不同的指令格式發(fā)送。

假設(shè)單片機(jī)判斷出待發(fā)送內(nèi)容大于251 byte，那么就先將從最高位開始的251 byte進(jìn)行一次打包發(fā)送，打包發(fā)送的目的是為了減少在傳輸過程中的出錯(cuò)幾率。

數(shù)據(jù)包的發(fā)送指令格式是:

SD＜數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度251(0xFB)＞＜251 byte數(shù)據(jù)的內(nèi)容＞＜結(jié)束符(XOR NOT)(單字節(jié))＞

各部分含義具體如下:

SD:數(shù)據(jù)包發(fā)送指令特指標(biāo)識(shí)符

數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度:由于發(fā)送的是大于251 byte的內(nèi)容，所以直接發(fā)送251的十六進(jìn)制0xFB

結(jié)束符:文件發(fā)送指令結(jié)束符，具體是由整個(gè)指令的每一個(gè)字節(jié)(結(jié)束符自己除外)的相互異或之后，再將異或后的結(jié)果取反作為結(jié)束符。

當(dāng)藍(lán)牙手機(jī)成功的收到數(shù)據(jù)包之后，會(huì)返回給藍(lán)牙模塊“nextpc”，則藍(lán)牙模塊也同時(shí)將“nextpc”返回給單片機(jī)，表明第一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送成功，然后單片機(jī)就會(huì)繼續(xù)發(fā)送剩下的內(nèi)容。如果藍(lán)牙模塊沒有正確收到數(shù)據(jù)包，則返回給藍(lán)牙模塊“redata”進(jìn)行重發(fā)操作，藍(lán)牙模塊同時(shí)將“redata”返回給單片機(jī)，此時(shí)單片機(jī)就會(huì)將剛才發(fā)送的數(shù)據(jù)包重新發(fā)送一次，此過程將一直重復(fù)直到藍(lán)牙收集正確收到單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)包為止。

上述文件發(fā)送過程只有一種情況將會(huì)自行終止，就是當(dāng)藍(lán)牙手機(jī)移出了藍(lán)牙模塊的有效通訊范圍之外的時(shí)候(一般以10 m為限)。當(dāng)此情況發(fā)生的時(shí)候，將由藍(lán)牙模塊返回給單片機(jī)“discon”，此時(shí)單片機(jī)收到了“discon”則同藍(lán)牙模塊一起終止數(shù)據(jù)傳輸操作，并一同返回待機(jī)狀態(tài)。

如果單片機(jī)判斷出待發(fā)的內(nèi)容長(zhǎng)度小于等于251 byte，則進(jìn)行最后數(shù)據(jù)包的發(fā)送。最后數(shù)據(jù)包的發(fā)送指令格式是:

SL＜數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度(單字節(jié))＞＜數(shù)據(jù)的內(nèi)容(雙字節(jié))＞＜結(jié)束符(XOR NOT)(單字節(jié))＞

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的家電控制系統(tǒng)，成功結(jié)合了STC89C51RC微處理器的強(qiáng)大功能、GSM/GPRS網(wǎng)優(yōu)質(zhì)的傳輸性能，具有低成本、低功耗、技術(shù)成熟、擴(kuò)展方便等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程與室內(nèi)控制的簡(jiǎn)便切換，為普通用戶家電管理，提供了有效途徑，同時(shí)對(duì)家庭智能化家居控制系統(tǒng)的研究以及日用智能電器遙控統(tǒng)一問題的研究，具有一定的指導(dǎo)意義。

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