基于藍(lán)牙4.0智能控制系統(tǒng)的研究與實(shí)踐

北京聯(lián)合大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 王 磊北京聯(lián)合大學(xué) 電子信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)基地 張翠霞周道賢

基于藍(lán)牙4.0智能控制系統(tǒng)的研究與實(shí)踐

北京聯(lián)合大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院 王 磊
北京聯(lián)合大學(xué) 電子信息技術(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)基地 張翠霞
周道賢

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)無(wú)線控制系統(tǒng)的構(gòu)建,在該生態(tài)系統(tǒng)大家族中,藍(lán)牙扮演著重要角色。本文以藍(lán)牙智能控制系統(tǒng)為研究對(duì)象,對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)以及解決方案、軟件、硬件進(jìn)行了分析,并應(yīng)用于普通電源插座,使之成為實(shí)用的藍(lán)牙智能電源插座。

藍(lán)牙;智能控制器;物聯(lián)網(wǎng)

引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)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(cè)量、信號(hào)采集與處理、醫(yī)療行業(yè)等有很大應(yīng)用。為此,作為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的重要部分如集中器,節(jié)點(diǎn)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(luò)組建、智能處理等。在現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(diǎn)解決方案。基于目前的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題,我們?cè)囅胙芯恳环N新型的藍(lán)牙智能控制器。

藍(lán)牙智能控制器采用低功耗藍(lán)牙技術(shù),將自身傳感器數(shù)據(jù)信息發(fā)送到移動(dòng)設(shè)備,移動(dòng)設(shè)備將控制信息發(fā)送給藍(lán)牙控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)根據(jù)信息來(lái)執(zhí)行控制過(guò)程,通過(guò)外圍接口電路連接驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)應(yīng)用與控制,比如智能插座,智能燈帶,實(shí)現(xiàn)了弱點(diǎn)控制強(qiáng)電并分析了相關(guān)原理。

本項(xiàng)研究的特點(diǎn)及創(chuàng)新點(diǎn)在信息處理、自動(dòng)控制方面的低功耗設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),并應(yīng)用于常用的電源插座,使得電源插座提供時(shí)間管理、斷電存儲(chǔ)信息、網(wǎng)絡(luò)共享等功能,變成藍(lán)牙智能電源插座。

1.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由藍(lán)牙控制終端、手機(jī)APP、網(wǎng)絡(luò)組成,如圖1.1所示。

藍(lán)牙控制終端:由藍(lán)牙芯片和外圍電路組成,用來(lái)接收手機(jī)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(jī)app用于設(shè)置數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù),獲取設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)同步到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器用于用戶注冊(cè),數(shù)據(jù)管理。

該系統(tǒng)通過(guò)手機(jī)app設(shè)置時(shí)間,時(shí)長(zhǎng),通道數(shù)據(jù),并通過(guò)藍(lán)牙傳輸在藍(lán)牙控制終端,藍(lán)牙終端存儲(chǔ)信息并根據(jù)此信息控制被控制對(duì)象,以及采集終端相關(guān)數(shù)據(jù)反饋給手機(jī)APP,app將數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。終端與手機(jī)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(shè)計(jì)

選用低功耗Qn9020芯片,該芯片具備定時(shí)器,IIC接口,以及藍(lán)牙4.0協(xié)議棧,內(nèi)核還有一個(gè)時(shí)鐘芯片,并有官方提供的API函數(shù)支持,滿足研究需求,并預(yù)留接口到存儲(chǔ)器,屏幕以及外設(shè)控制接口。其應(yīng)用是以此作為系統(tǒng)控制核心,使用IO連接控制驅(qū)動(dòng),控制電磁繼電器實(shí)現(xiàn)插座的開(kāi)關(guān)。

信號(hào)采樣部分通過(guò)電阻橋線性比例處理信號(hào),映射信號(hào)到單片機(jī)處理范圍再進(jìn)行采樣,規(guī)范化。

2.2 外圍接口電路設(shè)計(jì)

外設(shè)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(shí)現(xiàn)。

為方便調(diào)試,采用串口實(shí)現(xiàn)與PC連接,實(shí)現(xiàn)開(kāi)發(fā)調(diào)試仿真信息的回調(diào)。

2.3 節(jié)點(diǎn)組成框圖

節(jié)點(diǎn)核心使用藍(lán)牙芯片,外接傳感器,驅(qū)動(dòng)電路,存儲(chǔ)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(hào),并最終使用軟件濾波,計(jì)算其值發(fā)送到APP。節(jié)點(diǎn)組成電路如圖2.1所示。

圖2.1 節(jié)點(diǎn)電路組成

3.軟件設(shè)計(jì)

3.1 編譯器設(shè)計(jì)

編譯器就是將"一種語(yǔ)言(通常為高級(jí)語(yǔ)言)"翻譯為"另一種語(yǔ)言(通常為低級(jí)語(yǔ)言)"的程序。

本項(xiàng)設(shè)計(jì)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(jìn)制碼,同時(shí)使用sourceinsight編輯代碼,會(huì)提升效率。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行藍(lán)牙api,結(jié)合外設(shè)控制模塊的驅(qū)動(dòng)實(shí)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(yīng)用層設(shè)計(jì)

應(yīng)用層的核心是數(shù)據(jù)打包加密解密并映射在四個(gè)通道上傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn),應(yīng)用層流程:通過(guò)藍(lán)牙狀態(tài)管理器接收處理指令,根據(jù)指令解析對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)包,并行線程運(yùn)行時(shí)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(lán)牙終端程序開(kāi)始初始化時(shí)鐘,外設(shè),加載協(xié)議棧,初始化外設(shè)驅(qū)動(dòng)以及IO端口,申請(qǐng)內(nèi)存并運(yùn)行嵌入式系統(tǒng),之后運(yùn)行智能控制管理任務(wù)。任務(wù)由以下進(jìn)程組成:藍(lán)牙數(shù)據(jù)管理器,串口打印模塊,電源管理,控制模塊四個(gè)進(jìn)程。藍(lán)牙管理器負(fù)責(zé)監(jiān)管設(shè)置藍(lán)牙參數(shù),profile以及廣播數(shù)據(jù),廣播回應(yīng)數(shù)據(jù),掃描回應(yīng)數(shù)據(jù)等,并且負(fù)責(zé)連接,設(shè)置廣播間隔等參數(shù)。當(dāng)建立數(shù)據(jù)通信時(shí),管理狀態(tài)機(jī)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(gè)程序周期根據(jù)指令調(diào)用相應(yīng)代碼進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖3.1 keil開(kāi)發(fā)IDE

實(shí)現(xiàn)本研究需要一系列指令協(xié)調(diào),先下達(dá)時(shí)間,同步標(biāo)志,檢查存儲(chǔ)器,提醒器等,然后每個(gè)數(shù)據(jù)的處理都有回調(diào)監(jiān)管。

控制模塊會(huì)根據(jù)當(dāng)前時(shí)間每分鐘更新處理的指令,以及控制信息,時(shí)間到則會(huì)進(jìn)入控制隊(duì)列,讀取當(dāng)前控制隊(duì)列的控制時(shí)長(zhǎng),獲取此刻時(shí)間,根據(jù)此事件來(lái)控制該通道的狀態(tài)。

3.4 手機(jī)APP設(shè)計(jì)

APP設(shè)計(jì)主要為了實(shí)現(xiàn)跟藍(lán)牙終端通信耦合。手機(jī)APP程序流程如圖3.4所示。通信遵循藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)終端協(xié)議,對(duì)正確協(xié)議規(guī)范數(shù)據(jù)解析,打開(kāi)APP需要點(diǎn)擊連接設(shè)備,同時(shí)藍(lán)牙終端快速?gòu)V播,對(duì)廣播數(shù)據(jù)為特定的字符串的進(jìn)行連接,調(diào)用藍(lán)牙4.0安卓API接口實(shí)現(xiàn)。連接APP后,APP依據(jù)一個(gè)流程進(jìn)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(jī)APP程序流程圖

藍(lán)牙是通過(guò)Profile傳輸數(shù)據(jù),每個(gè)Profile包含了一些Service,每個(gè)Service代表一些能力。Service是一種服務(wù),一個(gè)從機(jī)會(huì)包含電量信息、按鍵、搖桿、傳感器等服務(wù)。具體特征值才是通信的主體。因此在編程時(shí)需要將每個(gè)特征值分配為具體服務(wù)內(nèi)容。 UUID,統(tǒng)一識(shí)別碼,service和Char特征值需要唯一的UUID來(lái)標(biāo)識(shí),在BLE協(xié)議棧UUID為16位,在標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙中是128位,可以相互轉(zhuǎn)換,一個(gè)Profile有多個(gè)Service,每個(gè)service可以有多個(gè)Characteristic組成,是主機(jī)與從機(jī)通信的實(shí)現(xiàn)方式。

4.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)論

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

使用串口調(diào)試工具將藍(lán)牙終端運(yùn)行的每一個(gè)狀態(tài)打印下來(lái),以下是下載數(shù)據(jù)的全過(guò)程,該過(guò)程是按照程序設(shè)計(jì)的流程走指令,進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,各個(gè)指令結(jié)合從而實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙控制系統(tǒng)的功能。

4.2 結(jié)論

按照程序流程實(shí)現(xiàn)后,并成功雙向數(shù)據(jù)傳遞,設(shè)備能夠下載時(shí)間,能夠反饋?zhàn)约旱臓顟B(tài)如時(shí)間,電量等信息。

5.硬件調(diào)試結(jié)果

制作藍(lán)牙控制系統(tǒng)的硬件樣機(jī)如圖5.1所示。長(zhǎng)按鍵后藍(lán)牙圖標(biāo)閃爍,設(shè)備變成可配對(duì)模式,此時(shí)需要在手機(jī)APP上點(diǎn)擊配對(duì),幾秒后設(shè)備配對(duì),并按照流程繼續(xù),逐一檢查各項(xiàng)參數(shù),和同步時(shí)間,下載設(shè)置的數(shù)據(jù),使得設(shè)備進(jìn)入工作模式。

圖5.1 硬件樣機(jī)

圖6.1 基于藍(lán)牙控制系統(tǒng)的智能插座

6.應(yīng)用:基于藍(lán)牙控制器的智能插座

藍(lán)牙4.0智能控制系統(tǒng)應(yīng)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(guān)。本項(xiàng)目就是以藍(lán)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(gè)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(gè)通道都有一個(gè)獨(dú)立的時(shí)間管理器,能實(shí)現(xiàn):2WH_ When(何時(shí)),Where(哪路通道), How(多長(zhǎng)時(shí)間)的控制,并且能夠用手機(jī)APP設(shè)置。

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

[1]王惠,朱寶中忠,基于藍(lán)牙低功耗技術(shù)的觸控顏色書(shū)寫(xiě)筆自動(dòng)識(shí)別研究與應(yīng)用[J]。電子科學(xué)技術(shù),2016,3(3)。

[2]張建軍,陳曉,趙意。一種無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)采樣策略[J]。電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2016,30(2)。

[3]高紹斌,喬學(xué)工,王華倩。一種點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)紅外通信協(xié)議設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]。電視技術(shù),2013,37(21)。

張翠霞。