基于手機(jī)藍(lán)牙的低功耗防丟器

曹江 曹靖

摘? 要：該設(shè)計(jì)采用新藍(lán)牙技術(shù)4.0（BLE），該技術(shù)是三個(gè)技術(shù)的集合，分別是傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)、低功耗藍(lán)牙技術(shù)、高速藍(lán)牙技術(shù)，綜合應(yīng)用了藍(lán)牙模塊HC-08、蜂鳴器、YX-117AM調(diào)速芯片和0820扁平振動(dòng)馬達(dá)組成的振動(dòng)模塊、液晶顯示屏LCD12864、ISD1820語(yǔ)音播報(bào)模塊，以及鋰電池自動(dòng)充電。就低功耗藍(lán)牙防丟器而言，它不僅要具有報(bào)警功能，更要具有便于攜帶和低功耗等特點(diǎn)。文章綜述了低功耗藍(lán)牙防丟器的設(shè)計(jì)過(guò)程，并且基于Android進(jìn)行手機(jī)APP開(kāi)發(fā)。

關(guān)鍵詞：防丟器；藍(lán)牙技術(shù)4.0；STM單片機(jī)；低功耗

中圖分類號(hào)：TN929.5? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）08-0178-04

Abstract： This design adopts the new Bluetooth Low Energy technology 4.0 （BLE）， which is a collection of three technologies， namely， traditional Bluetooth technology， Bluetooth Low Energy technology and high-speed Bluetooth technology. It synthetically applies the Bluetooth module HC-08， buzzer， YX-117AM speed control chip and vibration module which is composed of 0820 flat vibration motor， LCD12864， ISD1820 voice broadcast module， and automatic charging lithium batteries. As far as Bluetooth anti-loss device with low power consumption is concerned， it should not only have the alarm function， but also have the characteristics of portability and low power consumption. This paper summarizes the design process of Bluetooth anti-loss device with low power consumption， and develops mobile phone APP based on Android.

Keywords： anti-loss device; Bluetooth technology 4.0; STM MCU; low power consumption

0? 引? 言

為防止物品丟失和家里的兒童、老人走失導(dǎo)致財(cái)產(chǎn)損失，防丟器就此誕生。就低功耗藍(lán)牙防丟器而言，它不僅要具有報(bào)警功能，更要具有便于攜帶和低功耗等特點(diǎn)。此防丟器以手機(jī)作為主設(shè)備與藍(lán)牙通信，假如手機(jī)和藍(lán)牙連接在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)就不報(bào)警，假如設(shè)備與主設(shè)備的距離超過(guò)規(guī)定距離（比如超過(guò)8 m），此時(shí)手機(jī)和藍(lán)牙防丟失報(bào)警器就都會(huì)同時(shí)發(fā)出報(bào)警聲，提示主人將注意力轉(zhuǎn)到物品或人上。本文綜述了低功耗藍(lán)牙防丟器的設(shè)計(jì)過(guò)程，并且基于Android進(jìn)行手機(jī)APP開(kāi)發(fā)。重點(diǎn)討論了從設(shè)計(jì)過(guò)程，硬件選型到軟件設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程。

1? 研究背景和目的

1.1? 研究背景

藍(lán)牙技術(shù)于1994年誕生，開(kāi)創(chuàng)者是愛(ài)立信，他決定用低成本，低功耗的藍(lán)牙來(lái)與手機(jī)及其他設(shè)備建立通信，并且得到的業(yè)界的大力支持。1998年，成立了藍(lán)牙特別興趣組，以此來(lái)對(duì)藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行推廣和發(fā)展。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展進(jìn)步，智能手機(jī)已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚耐ㄐ殴ぞ?，利用藍(lán)牙與手機(jī)進(jìn)行連接是最佳的選擇。

藍(lán)牙協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)版本是802.15.1，它的開(kāi)發(fā)基于藍(lán)牙1.1，由SIG開(kāi)發(fā)，與此同時(shí)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。于2005年，藍(lán)牙2.0就此誕生了，藍(lán)牙2.0可達(dá)至10 Mb/s之高的數(shù)據(jù)傳輸速率EDR（Enhanced Data Rate），傳輸距離可達(dá)100米，與此同時(shí)可以同時(shí)處理多項(xiàng)任務(wù)連接多個(gè)設(shè)備。在2009年，新的藍(lán)牙3.0符合人們的期望，此版本的藍(lán)牙將數(shù)據(jù)傳輸速率大大提高到24 MB/s，可以看出藍(lán)牙3.0的傳輸速率是藍(lán)牙2.0的8倍。于2010年，藍(lán)牙4.0正式發(fā)布，4.0不僅集結(jié)了高速藍(lán)牙技術(shù)和傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)，而且還在其基礎(chǔ)上增添了低功耗技術(shù)，和以往的版本相比更加節(jié)能，續(xù)航時(shí)間更加持久。自從藍(lán)牙技術(shù)誕生以來(lái)，發(fā)展迅速，然而人們對(duì)于成本，信息安全，抗干擾能力，傳輸距離等仍然存在些許問(wèn)題，對(duì)此藍(lán)牙已經(jīng)發(fā)展了六個(gè)階段了，截止至今已是藍(lán)牙5.0了，本設(shè)計(jì)所使用的藍(lán)牙4.0版本傳輸距離可達(dá)100 m之遠(yuǎn)，它的功耗低可以少量的電量得到更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定抗干擾性強(qiáng)，外界的干擾不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸造成太大的影響。此次所設(shè)計(jì)的藍(lán)牙防丟器不僅僅是為防止物品的丟失，還為家里的兒童、老人的防走失提供了一套行之有效的解決方案。

1.2? 低功耗藍(lán)牙特點(diǎn)及其應(yīng)用

藍(lán)牙技術(shù)是一種新型的技術(shù)，低功耗藍(lán)牙是一種集結(jié)智能與低功耗于一體的藍(lán)牙技術(shù)，之所以說(shuō)它智能加低功耗是因?yàn)槠渲饕獞?yīng)用在嵌入式開(kāi)發(fā)的智能產(chǎn)品中，并且不斷縮小其體積，成本也大大降低，復(fù)雜性也得到的進(jìn)一步降低，極大提高了其智能性，在功耗方面僅需一顆紐扣電池便可以使用很長(zhǎng)時(shí)間，以下是低功耗藍(lán)牙的一些特點(diǎn)。

對(duì)于低功耗藍(lán)牙來(lái)說(shuō)，其最大的特點(diǎn)是續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)因?yàn)楣牡?，一顆紐扣電池就可以使用十年以上，主要應(yīng)用在電子設(shè)備如手機(jī)之類，資產(chǎn)跟蹤，運(yùn)動(dòng)及健身傳感器，醫(yī)療傳感器如心率監(jiān)測(cè)儀之類，智能手環(huán)，遙控器，玩具，在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化，汽車行業(yè)也有很大的應(yīng)用市場(chǎng)，并且在未來(lái)還會(huì)有更大的發(fā)展前景。

2? 總體方案設(shè)計(jì)

2.1? 工作原理及總體設(shè)計(jì)

低功耗藍(lán)牙防丟器的報(bào)警電路開(kāi)斷由單片機(jī)（STM32）對(duì)其進(jìn)行控制，當(dāng)藍(lán)牙處于“沉睡”狀態(tài)時(shí)說(shuō)明它和手機(jī)是處于正常連接距離合理，如果激活就說(shuō)明與手機(jī)連接出現(xiàn)異常，也就是距離超出預(yù)設(shè)范圍，可以就此來(lái)對(duì)藍(lán)牙模塊的狀態(tài)進(jìn)行判斷，并且藍(lán)牙的串口也可以實(shí)現(xiàn)與手持設(shè)備（手機(jī)）進(jìn)行通信。

2.2? 硬件電路設(shè)計(jì)

STM32F103XX是增強(qiáng)型系列單片機(jī)，內(nèi)部配有高性能的ARM? CortexTM-M的RISC內(nèi)核（32位），單片機(jī)的工作頻率是72 MHz，內(nèi)部配有高速存儲(chǔ)器，閃存高達(dá)128 KB字節(jié)和20 KB的SRAM。擁有豐富I/O口，且I/O端口非常高端，外設(shè)與2條APB總線相連接。所有器件都有2個(gè)ADC（12位）、定時(shí)器有4個(gè)，其中3個(gè)16位的通用型定時(shí)器，另一個(gè)是PWM定時(shí)器、還包含標(biāo)準(zhǔn)的通信接口和先進(jìn)的通信接口（2個(gè)I2C、2個(gè)SPI、3個(gè)USART、1個(gè)USB、1個(gè)CAN）。STM32F103XX增強(qiáng)型系列單片機(jī)供電壓范圍2.0 V～3.6 V，單片機(jī)的工作溫度范圍：-40 ℃～+105 ℃，并且提供了從36腳到100腳不同的封裝形式有6種，但是不同的封裝形式所對(duì)應(yīng)的外設(shè)配置也都不同。

本次設(shè)計(jì)采用的藍(lán)牙模塊是藍(lán)牙串行通信模塊HC-08，此模塊是一種基于藍(lán)牙規(guī)范V4.0BLE藍(lán)牙協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸模塊，無(wú)線工作頻段為2.4 GHz ISM，以GFSK調(diào)制作為制方式進(jìn)行調(diào)制，最大的傳輸功率為4 dBm，接收靈敏度是-93 dBm，通信距離為80 m。

圖1是低功耗藍(lán)牙防丟器的仿真原理圖，本次選擇的是48個(gè)引腳的STM32F103xx，其中PC13、PC14、PC15三個(gè)管腳由電源開(kāi)關(guān)提供，電源開(kāi)關(guān)僅吸收3 mA的限制電流，當(dāng)使用這三個(gè)管腳作為輸出管腳時(shí)，存在如下限制：相同時(shí)間內(nèi)一次只能使用一個(gè)管腳作為輸出管腳，而作為輸出管腳只能在2 MHz模式下工作，最大驅(qū)動(dòng)負(fù)載為30 pF，不能作為驅(qū)動(dòng)LED等器件的電流源。

時(shí)鐘選擇在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行的操作，內(nèi)部的8 MHz RC振蕩器可以在復(fù)位時(shí)選擇作為默認(rèn)的CPU時(shí)鐘，然后可以選擇外部的4～16 MHz時(shí)鐘，因?yàn)榫哂泄收希ㄊВ┍O(jiān)測(cè)功能。當(dāng)檢測(cè)到外部時(shí)鐘失效故障時(shí)，將對(duì)其進(jìn)行隔離，系統(tǒng)將自動(dòng)切換到內(nèi)部RC振蕩器。如果發(fā)生中斷，同樣軟件也可以接收到相應(yīng)的中斷。如果間接使用的外部振蕩器發(fā)生失效故障，可以對(duì)PLL時(shí)鐘采用完全中斷管理。本次設(shè)計(jì)采用的藍(lán)牙模塊是藍(lán)牙串行通信模塊HC-08，藍(lán)牙串行通信模塊HC-08是一種基于藍(lán)牙規(guī)范V4.0BLE藍(lán)牙協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸模塊，無(wú)線工作頻段為2.4 GHz ISM，以GFSK調(diào)制作為制方式進(jìn)行調(diào)制，最大的傳輸功率為4 dBm，接收靈敏度是-93 dBm，通信距離為80 m。

此模塊帶有LED指示燈，它用來(lái)判斷藍(lán)牙與手機(jī)是否連接成功。模塊尺寸L=26.9 mm，W=13 mm，H=2.2 mm，它是郵票封裝孔和排針焊孔的集成，因?yàn)槠潴w積比較小，很容易嵌入到應(yīng)用系統(tǒng)中。藍(lán)牙模塊有三個(gè)工作模式分別是0/1/2，模式0：全速功耗模式，是出廠時(shí)默認(rèn)的一種模式；模式1：一級(jí)節(jié)能模式，連接前電流由T+AINT的設(shè)置決定，連接后主要由AT+CINT決定。MODE1模式已經(jīng)涵蓋V2.4版本的MODE3模式，并且更加合理；模式2：二級(jí)節(jié)能模式（睡眠模式）。睡眠時(shí)電流0.4 μA。睡眠時(shí)不可發(fā)現(xiàn)，睡眠時(shí)不可連接，串口喚醒后可被發(fā)現(xiàn)，喚醒后也可以連接。本次設(shè)計(jì)主要使用模式1。模塊采用的芯片是CC2540，芯片內(nèi)配有256 K字節(jié)空間，使用者可以根據(jù)需求更改主/從模式，除此之外還可以對(duì)波特率，設(shè)備的名稱等參數(shù)進(jìn)行更改，使用起來(lái)比較靈活。

2.3? 電源模塊設(shè)計(jì)

由于此設(shè)計(jì)需要有蓄電功能（自動(dòng)充電），所以選擇了鋰電池進(jìn)行供電。鋰電池具有體積較小，安裝起來(lái)方便，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。不會(huì)頻繁更換；便于攜帶；有較高的能量，綜合考慮符合此設(shè)計(jì)要求。本次設(shè)計(jì)需要對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電，并且還要對(duì)鋰電池的充電放電進(jìn)行保護(hù)，在整個(gè)充電過(guò)程中要把220 V的電壓轉(zhuǎn)換為5 V，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換將5 V轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需要的3.3 V電壓，在整個(gè)模塊中電壓的轉(zhuǎn)換，和鋰電池的充放電保護(hù)都是由一系列芯片處理的。

2.4? 振動(dòng)模塊

為了從多方面對(duì)用戶進(jìn)行提示在此設(shè)計(jì)中添加了振動(dòng)模塊，此模塊的思路來(lái)源于手機(jī)的振動(dòng)功能，選擇了一款3 V直流電源微型振動(dòng)扁平馬達(dá)。雖然電機(jī)型號(hào)確定了，可是單片機(jī)的供電不能讓電機(jī)正常啟動(dòng)，單片機(jī)的電流只有0.8 mA，電機(jī)啟動(dòng)電流要90 mA，因此遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，所以需要將電流放大，為了能讓電機(jī)正常啟動(dòng)添加了一款調(diào)速芯片YX-117AMYX-117AM為雙向馬達(dá)驅(qū)動(dòng)IC，利用大型積體電路制造技術(shù)，具有低電源，低成本的特性，可應(yīng)用于低電壓工作模式。電路采用H橋電路架構(gòu)，內(nèi)置功率MOSFET開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)做正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、剎車、停止四個(gè)功能的控制。

YX-117AM主要特性有：寬廣的工作電壓（1.8 V～6.5 V）；

內(nèi)置PMOS/NMOS功率開(kāi)關(guān)的H橋驅(qū)動(dòng)器；支持四種操作模式：正傳、反轉(zhuǎn)、剎車、停止；低待機(jī)電流（Typ=0.1 μA）；800 mA以上電流輸出能力；過(guò)溫保護(hù)功能；CMOS輸入/輸入腳內(nèi)建下拉電阻無(wú)須外加下拉電阻；高達(dá)5 000 V的人體靜電模式的ESD保護(hù)；通過(guò)SOP-8封裝。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括硬件程序和手機(jī)程序，圖2是本次設(shè)計(jì)的基于STM32單片機(jī)的硬件程序流程圖。

本系統(tǒng)支持與Android4.3及以上版本的手持設(shè)備與HC-08連接通信，通信測(cè)試需使用BLE安卓串口助手連接，可下載。HC-08支持與iPhone4S及以上版本的手持設(shè)備連接通信，通信測(cè)試需在APPStore下載安裝Lightblue或藍(lán)牙助手軟件連接（也可以使用其他支持BLE藍(lán)牙的串口軟件）。

基于以上分析與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)手機(jī)和藍(lán)牙連接距離超過(guò)設(shè)定距離（5 m）后，蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警，點(diǎn)擊語(yǔ)音報(bào)警時(shí)防丟器會(huì)發(fā)出事先錄入的語(yǔ)音提醒用戶。

4? 實(shí)物測(cè)試

4.1? 硬件模塊調(diào)試

藍(lán)牙低功耗防丟器的硬件電路設(shè)計(jì)是將系統(tǒng)的各個(gè)模塊與STM32單片機(jī)相連接，由于經(jīng)費(fèi)和時(shí)間的原因只能對(duì)部分功能模塊進(jìn)行測(cè)試，調(diào)試方法如下，硬件實(shí)物圖如圖3所示。

1）按照AD中繪制的電路原理圖將各部分與單片機(jī)系統(tǒng)連接，檢查引腳連接是否正確，通電后查看各模塊是否通電，并檢測(cè)是否有燒壞。在連接電路后各模塊正常通電，也沒(méi)有出現(xiàn)燒壞的情況，因此電路連接正確。

2）對(duì)各模塊性能，通信進(jìn)行檢測(cè)低各器件是否能正常運(yùn)行。語(yǔ)音播報(bào)模塊是能夠進(jìn)行錄音和播放，蜂鳴器在低電平時(shí)進(jìn)行報(bào)警，藍(lán)牙模塊能夠和手機(jī)進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)傳輸。

4.2? 軟件模塊調(diào)試

軟件模塊包括單片機(jī)中的運(yùn)行程序和手機(jī)APP。單片機(jī)STM32中的程序是在KeiluVision5中編寫(xiě)的，APP是在網(wǎng)頁(yè)版APPInventor上進(jìn)行編寫(xiě)并生成的，APP界面如圖4所示。

當(dāng)手機(jī)和藍(lán)牙連接距離超過(guò)設(shè)定距離（5 m）后，蜂鳴器開(kāi)始報(bào)警，點(diǎn)擊語(yǔ)音報(bào)警時(shí)防丟器會(huì)發(fā)出事先錄入的語(yǔ)音提醒用戶，由于時(shí)間的原因振動(dòng)功能未能實(shí)現(xiàn)，但硬件電路已完成。

5? 結(jié)? 論

本設(shè)計(jì)為基于手機(jī)藍(lán)牙的低功耗防丟器，該防丟器具有較高的性能，并且在功耗方面較低充一次電可以使用較長(zhǎng)時(shí)間。防丟器的控制核心是STM32單片機(jī)，其體積小巧、功耗低、響應(yīng)速度快。從總體來(lái)說(shuō)該設(shè)計(jì)不僅考慮到防丟，還為失主在不可抗因素下的丟失創(chuàng)造了找回的機(jī)會(huì)，大大降低了損失。

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作者簡(jiǎn)介：曹江（1995—），男，漢族，四川瀘州人，本科，研究方向：機(jī)電系統(tǒng)智能控制；曹靖（1996—），女，漢族，河南三門峽人，本科，研究方向：機(jī)電系統(tǒng)智能控制。