藍(lán)牙防丟器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李怡　趙云鵬

【摘要】當(dāng)下社會(huì)，伴隨著科學(xué)技術(shù)的大力發(fā)展，人民顯著地提升了自我生活水平，生活節(jié)奏也變得越來越快，從而經(jīng)常在身邊發(fā)生丟失錢物的現(xiàn)象，甚至丟失兒童的事情也時(shí)有出現(xiàn)。為了應(yīng)對(duì)這種情況，防丟器的發(fā)明應(yīng)運(yùn)而生。本文闡述的藍(lán)牙防丟系統(tǒng)是采用STM32F103型單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)的。首先闡述了目前人們有時(shí)候會(huì)忘記一些物品或是兒童玩耍容易走出家長(zhǎng)視線的現(xiàn)象，開始進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)。主要功能包括：防丟器的藍(lán)牙模塊可以與手機(jī)藍(lán)牙模塊相連;手機(jī)操作界面可以讓裝置發(fā)出警報(bào);可以通過裝置令手機(jī)發(fā)出警報(bào)聲;藍(lán)牙斷開鏈接，手機(jī)與裝置同時(shí)報(bào)警。此設(shè)計(jì)的主要模塊包括：STM32F103C8T6最小系統(tǒng)，電源模塊，藍(lán)牙模塊，報(bào)警模塊等。在設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上給出了對(duì)于基本模塊的理解與實(shí)現(xiàn)，最后給出了在未來系統(tǒng)需要進(jìn)一步被完善的方向。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī);防丟裝置;藍(lán)牙;檢測(cè)報(bào)警

目前由于個(gè)人、家庭責(zé)任和社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)等諸多因素，人們往往把自己的大腦投入到應(yīng)對(duì)這種忙碌和緊張的情況，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看會(huì)導(dǎo)致記憶力下降，出現(xiàn)健忘的癥狀，往往不記得自己的包，自己的手機(jī)，鑰匙等放在何處。本課題設(shè)計(jì)的智能防丟器采用了藍(lán)牙技術(shù)，以單片機(jī)為主控，分別控制藍(lán)牙模塊與報(bào)警模塊，意圖在于在嘈雜的人群中發(fā)揮丟失報(bào)警的作用，有效的解決丟失物品的問題。

本設(shè)計(jì)分為軟硬件兩部分，以基于STM32的藍(lán)牙防丟器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，完成手機(jī)端APP與微控制器STM32F103之間的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

硬件部分設(shè)計(jì)思想基于STM32單片機(jī)、藍(lán)牙模塊HC-05、蜂鳴器、提示報(bào)警模塊、電源模塊搭建電路，利用藍(lán)牙的連接與斷開，控制硬件達(dá)到報(bào)警與否。

1. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 報(bào)警模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用的是有源蜂鳴器，只要通電蜂鳴器就可以發(fā)出聲音。無源蜂鳴器的優(yōu)點(diǎn)是：價(jià)格低廉、可以發(fā)出多種聲調(diào)，一些成品的例子里，控制端口可以重復(fù)使用。有源蜂鳴器優(yōu)點(diǎn)則是通過編程控制較為簡(jiǎn)單。

在本設(shè)計(jì)中，蜂鳴器引腳接單片機(jī)PC15，當(dāng)上位機(jī)尋找下位機(jī)或者二者連接已斷開時(shí)，MCU將一個(gè)低電壓發(fā)送到8050三極管的發(fā)射極，三級(jí)管導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警，二極管發(fā)光。

1.2 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)采用HC-05藍(lán)牙串口模塊，HC-05不僅實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙HCI層以下物理鏈路的建立，而且處理器只需RXD，TXD兩組信號(hào)，即可對(duì)其進(jìn)行控制與傳輸，大大降低了設(shè)計(jì)難度，減少了設(shè)計(jì)與開發(fā)的時(shí)間。

處理器和藍(lán)牙之間建立無線傳輸只需要藍(lán)牙訊號(hào)，因此只需要在HCI層以下實(shí)現(xiàn)協(xié)議棧即可。在藍(lán)牙的整體系統(tǒng)中，HCI是位于作為L(zhǎng)2CAP（邏輯鏈路控制和適配協(xié)議）層和LMP（鏈路管理協(xié)議）層之間的協(xié)議層，是藍(lán)牙2.0技術(shù)的一個(gè)工作層。2.0藍(lán)牙技術(shù)對(duì)比1.2版本，一些BUG得到了修復(fù)，部分功能得到了增加，傳輸速率也提升到2M/s左右，增加了對(duì)于全雙工模式的支持。但是，舊版本藍(lán)牙技術(shù)中，配置操作復(fù)雜以及耗電量大的特性仍舊沒有得到緩解。本藍(lán)牙模塊主要使用RXD與TXD兩個(gè)引腳來實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)與手機(jī)的收發(fā)信號(hào)功能。

1.3 電源模塊設(shè)計(jì)

此設(shè)備電源模塊的來源可以通過計(jì)算機(jī)的USB口供給，也可以由5V-1A的手機(jī)充電頭進(jìn)行提供。電路中添加了電源指示LED小燈L2，方便用戶檢測(cè)設(shè)備的供電狀態(tài)。圖中R9為L(zhǎng)ED的限流電阻，阻值為1K歐姆，SW1為電源開關(guān)。

2. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 開發(fā)環(huán)境

本設(shè)計(jì)采用Keil Software公司出品的集成環(huán)境進(jìn)行編程，Keil是德國Keil Software公司出品的51/32系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，其版本為Keil μVision5。Keil μVision5是2013年10月發(fā)布的最新版本，是針對(duì)Windows桌面平臺(tái)所研發(fā)的一套完整的集成開發(fā)環(huán)境，具有可視化、靈活的Windows窗口管理。與匯編等語言相比較，C語言在節(jié)省編寫閱讀時(shí)間、易于維護(hù)和可以完成的功能方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，易于學(xué)習(xí)和用戶使用。

2.2 主要程序設(shè)計(jì)

2.2.1 主程序設(shè)計(jì)

軟件的部分設(shè)計(jì)一共有兩部分，一是對(duì)STM32單片機(jī)的初始化、中斷程序的設(shè)計(jì)，對(duì)蜂鳴器的調(diào)用程序、對(duì)LED燈的調(diào)用程序、第二部分是軟件代碼的設(shè)計(jì)，主要用到的語言是C語言。

本系統(tǒng)使用STM32F103C8T6型單片機(jī)最小系統(tǒng)作為控制的單片機(jī)芯片，軟件設(shè)計(jì)部分主要分為：系統(tǒng)初始化、藍(lán)牙模塊、報(bào)警模塊等部分，每個(gè)功能模塊對(duì)整體設(shè)計(jì)都非常重要。通過軟件程序控制的STM32F103C8T6可以很好地獲得收集的外部信息、進(jìn)行分析和處理。本設(shè)計(jì)的主程序的流程圖，如圖2.1所示。

2.2.2 報(bào)警模塊子程序設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)采用蜂鳴器報(bào)警。蜂鳴器俗稱喇叭，是廣泛運(yùn)用于各種電子產(chǎn)品的一種元器件，它用于提示、報(bào)警、音樂等諸多運(yùn)用場(chǎng)合。

本系統(tǒng)使用上下位機(jī)均可報(bào)警的設(shè)計(jì)完成報(bào)警電路，上下位機(jī)斷開連接時(shí)，二者同時(shí)報(bào)警。在設(shè)計(jì)中，下位機(jī)尋找上位機(jī)時(shí)，按下按鈕驅(qū)動(dòng)上位機(jī)自帶的報(bào)警聲音，上位機(jī)尋找下位機(jī)時(shí)，按下按鈕，下位機(jī)蜂鳴器發(fā)出提示音，LED小燈閃爍。

2.2.3藍(lán)牙驅(qū)動(dòng)子程序設(shè)計(jì)

藍(lán)牙系統(tǒng)有三種主要狀態(tài)：待機(jī)狀態(tài)，連接狀態(tài)和省電狀態(tài)。在從待機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到連接狀態(tài)期間，有7個(gè)子狀態(tài)：尋呼、尋呼掃描、查詢、查詢掃描、主響應(yīng)、從響應(yīng)、查詢響應(yīng)。物理信道是藍(lán)牙系統(tǒng)的最低層結(jié)構(gòu)，其特征在于偽隨機(jī)跳頻序列，特定傳輸時(shí)隙定時(shí)，接入碼和幀頭編碼。本程序主要使用藍(lán)牙作為連接載具，起到為單片機(jī)以及APP端收發(fā)數(shù)據(jù)的作用。

3. 系統(tǒng)的組裝與測(cè)試

系統(tǒng)的組裝與測(cè)試分為硬件焊接組裝測(cè)試與軟件測(cè)試，是對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的完成度、穩(wěn)定性的測(cè)試，意圖在于發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，或者是不完善的某些部分，從而修改設(shè)計(jì)理念，保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.1 硬件的組裝與測(cè)試

要做好元器件的組裝焊接工作，首先需要準(zhǔn)備好需要的元件，焊接工具。準(zhǔn)備好所需的元器件和工具以后，需要根據(jù)電路原理圖安裝好元器件，安裝的時(shí)候要注意，元件要平整安裝。安裝元器件后，焊接時(shí)要注意焊接前要處理焊盤上的氧化層。焊接要遵循先焊接小元件，再焊接大元件，先處理不容易焊接的元器件，這個(gè)和連接元器件的原則是一樣的。

將元器件都進(jìn)行正確的安裝固定后，進(jìn)行組裝電路最后一個(gè)步驟，也是最關(guān)鍵的一個(gè)步驟，那就是焊接。電烙鐵要用220V交流電源，使用時(shí)要特別注意安全。

焊接完成后，在通電調(diào)試之前，必須認(rèn)真檢查電路連線是否有錯(cuò)誤。

3.2 軟件的測(cè)試

該系統(tǒng)使用主要在KEIL5平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的C語言編程。當(dāng)手機(jī)app啟動(dòng)時(shí)，主板上的應(yīng)用程序微控制器啟動(dòng)并成功初始化，微控制器啟動(dòng)對(duì)藍(lán)牙連接狀態(tài)的檢測(cè)。如果連接，程序的內(nèi)部功能將保留在當(dāng)前指令上，如果斷開連接，則會(huì)打開蜂鳴器和LED的閃爍警報(bào)提醒。

主控制應(yīng)用是為Android 4.0及更高版本的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，所使用的開發(fā)工具是一個(gè)廣泛的跨平臺(tái)集成開發(fā)環(huán)境Eclipse。藍(lán)牙主機(jī)系統(tǒng)APK安裝在智能手機(jī)上，點(diǎn)擊藍(lán)牙防丟器程序，應(yīng)用程序?qū)棾鰡?dòng)藍(lán)牙請(qǐng)求接口，點(diǎn)擊允許進(jìn)行藍(lán)牙連接。連接防丟設(shè)備后，STM32F103C8T6單片機(jī)會(huì)將自動(dòng)重置并開始運(yùn)行該程序。對(duì)于接收藍(lán)牙數(shù)據(jù)的手機(jī)，如果藍(lán)牙模塊未接收到數(shù)據(jù)，在手機(jī)上使自帶的報(bào)警聲響起。

當(dāng)手機(jī)和藍(lán)牙主板超過一定距離，手機(jī)藍(lán)牙和藍(lán)牙主板鏈路斷開，即認(rèn)定超過安全距離，手機(jī)發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)藍(lán)牙主板上的有源蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，LED指示燈閃爍。

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作者簡(jiǎn)介：李怡（1997-），女，盤錦市，學(xué)歷：本科，學(xué)生。通訊作者：趙云鵬（1983.2-），遼寧朝陽。教師，職稱：講師，研究方向：信息系統(tǒng)。