基于蓝牙4.0智能控制系统的研究与实践

北京联合大学自动化学院 王 磊北京联合大学 电子信息技术实验实训基地 张翠霞周道贤

基于蓝牙4.0智能控制系统的研究与实践

北京联合大学自动化学院 王 磊
北京联合大学 电子信息技术实验实训基地 张翠霞
周道贤

物联网技术的发展离不开无线控制系统的构建,在该生态系统大家族中,蓝牙扮演着重要角色。本文以蓝牙智能控制系统为研究对象,对系统架构与功能设计、关键技术以及解决方案、软件、硬件进行了分析,并应用于普通电源插座,使之成为实用的蓝牙智能电源插座。

蓝牙;智能控制器;物联网

引言

物联网技术应用使得人们生活和生存质量变得更好,它在环境污染监控、工业农业测量、信号采集与处理、医疗行业等有很大应用。为此,作为物联网网络中的重要部分如集中器,节点器等都需要有完善的功能和能力,如:信息采集、控制执行、网络组建、智能处理等。在现有的物联网网络实施方案中还缺少一些更加节能、更加智能、更加灵活的物联网节点解决方案。基于目前的现状和存在的问题,我们试想研究一种新型的蓝牙智能控制器。

蓝牙智能控制器采用低功耗蓝牙技术,将自身传感器数据信息发送到移动设备,移动设备将控制信息发送给蓝牙控制系统,控制系统根据信息来执行控制过程,通过外围接口电路连接驱动电路实现应用与控制,比如智能插座,智能灯带,实现了弱点控制强电并分析了相关原理。

本项研究的特点及创新点在信息处理、自动控制方面的低功耗设计与实现,并应用于常用的电源插座,使得电源插座提供时间管理、断电存储信息、网络共享等功能,变成蓝牙智能电源插座。

1.系统架构设计

该系统由蓝牙控制终端、手机APP、网络组成,如图1.1所示。

蓝牙控制终端:由蓝牙芯片和外围电路组成,用来接收手机app数据,并反馈系统状态给app,是系统的核心组成部分。

手机app用于设置数据控制数据,获取设备状态数据,并将数据同步到网络服务器。

网络服务器用于用户注册,数据管理。

该系统通过手机app设置时间,时长,通道数据,并通过蓝牙传输在蓝牙控制终端,蓝牙终端存储信息并根据此信息控制被控制对象,以及采集终端相关数据反馈给手机APP,app将数据传送到网络服务器。终端与手机app之间数据传输采用自定义协议加密解密。

图1 。1 系统架构框图

2.硬件电路方案

2.1 最小系统设计

选用低功耗Qn9020芯片,该芯片具备定时器,IIC接口,以及蓝牙4.0协议栈,内核还有一个时钟芯片,并有官方提供的API函数支持,满足研究需求,并预留接口到存储器,屏幕以及外设控制接口。其应用是以此作为系统控制核心,使用IO连接控制驱动,控制电磁继电器实现插座的开关。

信号采样部分通过电阻桥线性比例处理信号,映射信号到单片机处理范围再进行采样,规范化。

2.2 外围接口电路设计

外设控制部分采用光电控制器控制插座以及灯带功率放大三极管实现。

为方便调试,采用串口实现与PC连接,实现开发调试仿真信息的回调。

2.3 节点组成框图

节点核心使用蓝牙芯片,外接传感器,驱动电路,存储器,以及显示器。传感器采用模数转换器接口采样电平信号,并最终使用软件滤波,计算其值发送到APP。节点组成电路如图2.1所示。

图2.1 节点电路组成

3.软件设计

3.1 编译器设计

编译器就是将"一种语言(通常为高级语言)"翻译为"另一种语言(通常为低级语言)"的程序。

本项设计的编译器如图3.1所示,使用keil IDE编译代码,界面如下,keil根据cpu芯片指令集编译代码为二进制码,同时使用sourceinsight编辑代码,会提升效率。

3.2 系统软件设计

通过嵌入式系统运行蓝牙api,结合外设控制模块的驱动实现该功能,软件结构如图3.2所示。

图3 。2 终端软件架构

图3 。3 终端程序流程

3.3 应用层设计

应用层的核心是数据打包加密解密并映射在四个通道上传输的实现,应用层流程:通过蓝牙状态管理器接收处理指令,根据指令解析对应数据包,并行线程运行时间管理器,处理终端事件和数据采集。终端程序流程如图3.3所示。

蓝牙终端程序开始初始化时钟,外设,加载协议栈,初始化外设驱动以及IO端口,申请内存并运行嵌入式系统,之后运行智能控制管理任务。任务由以下进程组成:蓝牙数据管理器,串口打印模块,电源管理,控制模块四个进程。蓝牙管理器负责监管设置蓝牙参数,profile以及广播数据,广播回应数据,扫描回应数据等,并且负责连接,设置广播间隔等参数。当建立数据通信时,管理状态机先将收到的数据拆分出指令,包头,数据包存入缓冲区,在下一个程序周期根据指令调用相应代码进行数据处理。

图3.1 keil开发IDE

实现本研究需要一系列指令协调,先下达时间,同步标志,检查存储器,提醒器等,然后每个数据的处理都有回调监管。

控制模块会根据当前时间每分钟更新处理的指令,以及控制信息,时间到则会进入控制队列,读取当前控制队列的控制时长,获取此刻时间,根据此事件来控制该通道的状态。

3.4 手机APP设计

APP设计主要为了实现跟蓝牙终端通信耦合。手机APP程序流程如图3.4所示。通信遵循蓝牙节点终端协议,对正确协议规范数据解析,打开APP需要点击连接设备,同时蓝牙终端快速广播,对广播数据为特定的字符串的进行连接,调用蓝牙4.0安卓API接口实现。连接APP后,APP依据一个流程进行指令和数据的下发。具体流程部分如图3.4所示:

3.5 数据传输分析

图3.4 手机APP程序流程图

蓝牙是通过Profile传输数据,每个Profile包含了一些Service,每个Service代表一些能力。Service是一种服务,一个从机会包含电量信息、按键、摇杆、传感器等服务。具体特征值才是通信的主体。因此在编程时需要将每个特征值分配为具体服务内容。 UUID,统一识别码,service和Char特征值需要唯一的UUID来标识,在BLE协议栈UUID为16位,在标准蓝牙中是128位,可以相互转换,一个Profile有多个Service,每个service可以有多个Characteristic组成,是主机与从机通信的实现方式。

4.实验数据与结论

4.1 实验数据

使用串口调试工具将蓝牙终端运行的每一个状态打印下来,以下是下载数据的全过程,该过程是按照程序设计的流程走指令,进行数据传输,各个指令结合从而实现蓝牙控制系统的功能。

4.2 结论

按照程序流程实现后,并成功双向数据传递,设备能够下载时间,能够反馈自己的状态如时间,电量等信息。

5.硬件调试结果

制作蓝牙控制系统的硬件样机如图5.1所示。长按键后蓝牙图标闪烁,设备变成可配对模式,此时需要在手机APP上点击配对,几秒后设备配对,并按照流程继续,逐一检查各项参数,和同步时间,下载设置的数据,使得设备进入工作模式。

图5.1 硬件样机

图6.1 基于蓝牙控制系统的智能插座

6.应用:基于蓝牙控制器的智能插座

蓝牙4.0智能控制系统应用广泛,特别是在物联网方面,与人们的日常工作和生活息息相关。本项目就是以蓝牙4.0智能控制系统为核心,与普通的电源接线板结合,做出了一个智能插座,如图6.1所示,其与众不同之处和创新的地方在于每个通道都有一个独立的时间管理器,能实现:2WH_ When(何时),Where(哪路通道), How(多长时间)的控制,并且能够用手机APP设置。

鸣谢:该项目的研究得到2015Google支持教育部高教司国家大学生创新创业训练计划联合基金项目的大力支持,为完成项目研究提供资金保证。

[1]王惠,朱宝中忠,基于蓝牙低功耗技术的触控颜色书写笔自动识别研究与应用[J]。电子科学技术,2016,3(3)。

[2]张建军,陈晓,赵意。一种无线传感器节点动态采样策略[J]。电子测量与仪器学报,2016,30(2)。

[3]高绍斌,乔学工,王华倩。一种点对多点红外通信协议设计与实现[J]。电视技术,2013,37(21)。

张翠霞。