基于手機(jī)和藍(lán)牙的監(jiān)控技術(shù)研究

魏銳斌+吳超益+毋茂盛

摘 要：隨著手機(jī)的普及和通信技術(shù)的發(fā)展，使用手機(jī)實(shí)現(xiàn)智能家居控制成為人們目前的研究熱點(diǎn)。文中開(kāi)發(fā)了一個(gè)手機(jī)App程序和對(duì)應(yīng)的硬件電路板，實(shí)現(xiàn)了家居溫濕度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、顯示以及電燈和門(mén)鎖的智能化控制。

關(guān)鍵詞：App；硬件電路板；藍(lán)牙；智能家居

中圖分類號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）12-00-03

0 引 言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，手機(jī)已成為人們生活中必不可少的工具，現(xiàn)在幾乎人手一部甚至幾部。藍(lán)牙是一種短距離的無(wú)線通信技術(shù)，采用藍(lán)牙方式傳輸數(shù)據(jù)，可以避免布線帶來(lái)的麻煩，并節(jié)約成本，由于手機(jī)都帶有藍(lán)牙接口，因此手機(jī)的普及大大拓寬了藍(lán)牙的應(yīng)用領(lǐng)域[1，2]。例如，將手機(jī)應(yīng)用到實(shí)時(shí)監(jiān)控領(lǐng)域，手機(jī)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送命令或接收傳感器數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)智能化控制。本文研究了通過(guò)手機(jī)控制家中電燈、門(mén)鎖開(kāi)關(guān)的技術(shù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與特點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由Android端、后臺(tái)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)以及硬件電路等組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)帶有看門(mén)狗電路，可靠性高。當(dāng)程序運(yùn)行出問(wèn)題時(shí)能自動(dòng)重啟，且上層App有斷開(kāi)重連的功能。系統(tǒng)還加入了環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊，可實(shí)時(shí)顯示家中環(huán)境的溫濕度，為生活提供方便。App采用MVP設(shè)計(jì)模式，分為界面控制、邏輯控制和控制器，以簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)。界面控制主要負(fù)責(zé)界面的更新；邏輯控制主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理；控制器主要控制系統(tǒng)如何操作。采用這種設(shè)計(jì)模式可以方便在未來(lái)對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行增加、修改和完善，不用對(duì)以前的代碼進(jìn)行過(guò)多的改動(dòng)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括STC15F2K60S2單片機(jī)，藍(lán)牙模塊，溫濕度傳感器，光敏模塊，紅外控制模塊，火焰報(bào)警模塊等。

2.1 控制器模塊

控制器選用STC15F2K60S2，該單片機(jī)具有兩個(gè)串行口，可以方便下載程序并通過(guò)藍(lán)牙串口通訊，簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)。STC15F2K60S2單片機(jī)自帶E2PROM，可以編程，具有10的AD轉(zhuǎn)換和8個(gè)轉(zhuǎn)換通道，機(jī)器周期為1個(gè)時(shí)鐘周期，執(zhí)行速度快，且內(nèi)置復(fù)位電路。該芯片具有使用方便，調(diào)用簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

2.2 傳感器模塊

傳感器模塊主要包括溫濕度傳感器DH11、光敏電阻5528、火焰?zhèn)鞲衅鞯?。溫濕度傳感器DH11通過(guò)單總線接口和單片機(jī)相連，單總線通過(guò)一條線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送[3]，與CPU連接接口簡(jiǎn)單。上層接收處理藍(lán)牙發(fā)送的數(shù)據(jù)，完成對(duì)周?chē)h(huán)境的監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)獲取。DH11是集溫濕度采集于一體的復(fù)合型傳感器，極大地提高了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的效率。5528光敏電阻在與同類型電阻的對(duì)比下?lián)碛休^好的參數(shù)，在考慮低成本、低功耗的情況下使用這款電阻具有一定的優(yōu)勢(shì)。

傳感器模塊電路如圖2所示。

2.3 藍(lán)牙模塊

藍(lán)牙模塊采用HC-08低功耗模塊，該模塊具有尺寸小、成本低等特點(diǎn)，采用藍(lán)牙4.0協(xié)議與自適應(yīng)跳頻（AFH）技術(shù)，以確保低功耗藍(lán)牙在“嘈雜”射頻環(huán)境中穩(wěn)定地傳輸。與很多藍(lán)牙技術(shù)、無(wú)線LAN、IEE802.15.4等無(wú)線技術(shù)一樣使用無(wú)需認(rèn)證許可的2.4 GHz工業(yè)科學(xué)醫(yī)療（ISM）頻帶，通過(guò)與STC15F2K60S2的串口相連接，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙與單片機(jī)的通訊。由于STC15F2K60S2具有雙串口，不會(huì)與串口通訊互相干擾，因此，能夠保證在串口通訊的同時(shí)完成藍(lán)牙通訊。電路圖如圖3所示。

2.4 繼電器智能家居模塊

該模塊主要由繼電器、電插鎖、燈泡以及報(bào)警電路組成。STC15F2K60S2控制繼電器的開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居的控制，通過(guò)上層App發(fā)送命令給STC15F2K60S2單片機(jī)，STC15F2K60S2發(fā)出的控制信號(hào)經(jīng)ULN2003驅(qū)動(dòng)連接到繼電器實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制。ULN2003的輸出連接2個(gè)繼電器和1個(gè)報(bào)警蜂鳴器。

（1）火焰報(bào)警電路。當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到有火焰出現(xiàn)時(shí)，會(huì)向單片機(jī)申請(qǐng)中斷，在單片機(jī)執(zhí)行中斷服務(wù)程序時(shí)通過(guò)蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)通過(guò)藍(lán)牙向手機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)，手機(jī)發(fā)出報(bào)警信息。

（2）開(kāi)鎖電路。系統(tǒng)采用YGS-600-S5電插鎖，用繼電器控制12 V開(kāi)鎖電源實(shí)現(xiàn)開(kāi)鎖。

（3）電燈控制電路。用繼電器控制220 V電源，當(dāng)繼電器吸合時(shí)，接通電源，實(shí)現(xiàn)開(kāi)燈操作。電燈控制電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Android端主要通過(guò)藍(lán)牙模塊向硬件發(fā)送各路命令或采集數(shù)據(jù)到手機(jī)顯示，通過(guò)設(shè)置選項(xiàng)允許手機(jī)端把數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺(tái)，通過(guò)后臺(tái)生成統(tǒng)計(jì)表格。后臺(tái)數(shù)據(jù)主要使用javaEE，將Android手機(jī)端的數(shù)據(jù)上傳到后臺(tái)，存入數(shù)據(jù)庫(kù)，然后生成統(tǒng)計(jì)表；上層Android部分主要分為5個(gè)模塊，分別是注冊(cè)模塊、登錄模塊，藍(lán)牙掃描模塊，藍(lán)牙連接模塊和藍(lán)牙控制模塊，基本流程如圖5所示。

3.1 用戶登錄模塊

用戶登錄模塊主要通過(guò)登錄獲得遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)之前連接過(guò)的藍(lán)牙設(shè)備，減少藍(lán)牙掃描模塊的時(shí)間，提高效率。登錄后會(huì)獲得遠(yuǎn)程連接的數(shù)據(jù)庫(kù)中該用戶曾連接過(guò)的藍(lán)牙設(shè)備名稱和UUID，在進(jìn)入藍(lán)牙模塊后直接加載，減少藍(lán)牙設(shè)備掃描的時(shí)間，方便用戶直接連接已連接過(guò)的藍(lán)牙設(shè)備。登錄界面如圖6所示。

3.2 用戶注冊(cè)模塊

用戶注冊(cè)模塊主要負(fù)責(zé)新用戶，使用郵箱方式來(lái)完成注冊(cè)，通過(guò)HTTP協(xié)議與后臺(tái)連接，并寫(xiě)入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中。用戶注冊(cè)界面如圖7所示。

3.3 藍(lán)牙掃描模塊

藍(lán)牙掃描模塊用于掃描周?chē)牡凸乃{(lán)牙，通過(guò)邏輯去除普通的藍(lán)牙設(shè)備，減少非必要的藍(lán)牙設(shè)備加入列表。同時(shí)使用最新的API，通過(guò)回調(diào)函數(shù)掃描設(shè)備，加快掃描速度。使用RecyclerView控件，大大減少了列表加載所需的內(nèi)存并優(yōu)化顯示。核心代碼如下：endprint

ScanCallback mcallback = new ScanCallback（） {

@Override

public void onScanResult（int callbackType，ScanResult result） {

super.onScanResult（callbackType， result）；

for （int i = 0；

i

if（result.getDevice（）.getAddress（）.equals

（ScanBean.getScanBean（）.getBlelist（）.get（i）.

getDevice（）.getAddress（））） {return；

}

}

iscanModel.setResult（result）；

//掃描得到的藍(lán)牙設(shè)備加入列表

refresh（）；/更新列表

}}

掃描模塊運(yùn)行界面如圖8所示。

3.4 藍(lán)牙連接模塊

藍(lán)牙連接模塊主要通過(guò)Android Service后臺(tái)進(jìn)行連接，不會(huì)干擾前臺(tái)的運(yùn)行。使用谷歌提供的專為低功耗藍(lán)牙連接與通訊設(shè)計(jì)的API，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Socker通信。通過(guò)回調(diào)函數(shù)連接低功耗藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行通訊，減少了建立Socker的時(shí)間。核心代碼如下：

BluetoothGattCallback Callback = new BluetoothGattCallback （） {

//藍(lán)牙連接狀態(tài)回調(diào)函數(shù)

@Override

public void onConnectionStateChange（BluetoothGatt gatt， int status， int newState） {

super.onConnectionStateChange（gatt， status， newState）；

if （newState == 2） {

gatt.discoverServices（）；}

}

//藍(lán)牙服務(wù)發(fā)現(xiàn)函數(shù)

@Override

public void onServicesDiscovered（final BluetoothGatt gatt， int status） {

super.onServicesDiscovered（gatt， status）；

if （BluetoothGatt.GATT_SUCCESS == status） {

for （int i = 0； i < bluetoothGattServiceList.size（）； i++） {

if（bluetoothGattServiceList.get（i）.getUuid（）.toString（）.equals（BLE_SERVICE_UUID）） {

bluetoothGattCharacteristics = bluetoothGattServiceList.get（i）.getCharacteristics（）；

for （int j=0； j< bluetoothGattCharacteristics.size（）； j++） {

if（bluetoothGattCharacteristics.get （j）.getUuid （）.toString（）.equals（BLE_CONNECT_UUID）） {

bluetoothGattCharacteristic = bluetoothGattCharacteristics.get（j）；

Gatt.setCharacteristicNotification（bluetoothGattCharacteristic， true）；}

}

}

}

}

}

//藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收回調(diào)函數(shù)

@Override

public void onCharacteristicChanged（BluetoothGatt gatt， BluetoothGattCharacteristic characteristic） {

super.onCharacteristicChanged（gatt， characteristic）；

if （ble_callBack ！= null） {

ble_callBack.GetData（characteristic.getStringValue（0））

}

}

}

3.5 藍(lán)牙控制模塊

藍(lán)牙控制模塊主要負(fù)責(zé)藍(lán)牙設(shè)備的通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀、寫(xiě)操作，同時(shí)對(duì)下層發(fā)來(lái)的警告進(jìn)行反饋。該模塊由兩個(gè)界面組成，分別為環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居控制界面。環(huán)境監(jiān)測(cè)頁(yè)面主要完收集溫濕度以及光敏數(shù)據(jù)，設(shè)置溫濕度上下限等操作。智能家居控制相對(duì)簡(jiǎn)單，主要負(fù)責(zé)燈泡的開(kāi)關(guān)和鎖的開(kāi)啟。主要通訊通過(guò)服務(wù)完成?？刂平缑嫒鐖D9所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于Android系統(tǒng)的App程序以及相關(guān)硬件控制單元模塊，分別實(shí)現(xiàn)了家中溫、濕度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集以及對(duì)家中燈泡和鎖的智能化控制。當(dāng)檢測(cè)到有火焰時(shí)，將報(bào)警信息上傳給手機(jī)進(jìn)行聲音和手機(jī)雙重報(bào)警。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)手機(jī)開(kāi)關(guān)燈的功能，為生活提供了很大的方便。回家時(shí)通過(guò)手機(jī)也可打開(kāi)家門(mén)，而且門(mén)鎖安裝在室內(nèi)，起到了防盜作用。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)試運(yùn)行，效果良好，應(yīng)用前景廣闊。

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