基于手机蓝牙的低功耗防丢器

曹江 曹靖

摘  要：该设计采用新蓝牙技术4.0（BLE），该技术是三个技术的集合，分别是传统蓝牙技术、低功耗蓝牙技术、高速蓝牙技术，综合应用了蓝牙模块HC-08、蜂鸣器、YX-117AM调速芯片和0820扁平振动马达组成的振动模块、液晶显示屏LCD12864、ISD1820语音播报模块，以及锂电池自动充电。就低功耗蓝牙防丢器而言，它不仅要具有报警功能，更要具有便于携带和低功耗等特点。文章综述了低功耗蓝牙防丢器的设计过程，并且基于Android进行手机APP开发。

关键词：防丢器；蓝牙技术4.0；STM单片机；低功耗

中图分类号：TN929.5    文献标识码：A  文章编号：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

為防止物品丢失和家里的儿童、老人走失导致财产损失，防丢器就此诞生。就低功耗蓝牙防丢器而言，它不仅要具有报警功能，更要具有便于携带和低功耗等特点。此防丢器以手机作为主设备与蓝牙通信，假如手机和蓝牙连接在预设范围内就不报警，假如设备与主设备的距离超过规定距离（比如超过8 m），此时手机和蓝牙防丢失报警器就都会同时发出报警声，提示主人将注意力转到物品或人上。本文综述了低功耗蓝牙防丢器的设计过程，并且基于Android进行手机APP开发。重点讨论了从设计过程，硬件选型到软件设计的整个过程。

1  研究背景和目的

1.1  研究背景

蓝牙技术于1994年诞生，开创者是爱立信，他决定用低成本，低功耗的蓝牙来与手机及其他设备建立通信，并且得到的业界的大力支持。1998年，成立了蓝牙特别兴趣组，以此来对蓝牙技术进行推广和发展。随着社会的不断发展进步，智能手机已成为人们日常生活中不可缺少的通信工具，利用蓝牙与手机进行连接是最佳的选择。

蓝牙协议的标准版本是802.15.1，它的开发基于蓝牙1.1，由SIG开发，与此同时已经得到了广泛的应用。于2005年，蓝牙2.0就此诞生了，蓝牙2.0可达至10 Mb/s之高的数据传输速率EDR（Enhanced Data Rate），传输距离可达100米，与此同时可以同时处理多项任务连接多个设备。在2009年，新的蓝牙3.0符合人们的期望，此版本的蓝牙将数据传输速率大大提高到24 MB/s，可以看出蓝牙3.0的传输速率是蓝牙2.0的8倍。于2010年，蓝牙4.0正式发布，4.0不仅集结了高速蓝牙技术和传统蓝牙技术，而且还在其基础上增添了低功耗技术，和以往的版本相比更加节能，续航时间更加持久。自从蓝牙技术诞生以来，发展迅速，然而人们对于成本，信息安全，抗干扰能力，传输距离等仍然存在些许问题，对此蓝牙已经发展了六个阶段了，截止至今已是蓝牙5.0了，本设计所使用的蓝牙4.0版本传输距离可达100 m之远，它的功耗低可以少量的电量得到更长的续航时间，数据传输稳定抗干扰性强，外界的干扰不会对数据传输造成太大的影响。此次所设计的蓝牙防丢器不仅仅是为防止物品的丢失，还为家里的儿童、老人的防走失提供了一套行之有效的解决方案。

1.2  低功耗蓝牙特点及其应用

蓝牙技术是一种新型的技术，低功耗蓝牙是一种集结智能与低功耗于一体的蓝牙技术，之所以说它智能加低功耗是因为其主要应用在嵌入式开发的智能产品中，并且不断缩小其体积，成本也大大降低，复杂性也得到的进一步降低，极大提高了其智能性，在功耗方面仅需一颗纽扣电池便可以使用很长时间，以下是低功耗蓝牙的一些特点。

对于低功耗蓝牙来说，其最大的特点是续航时间长因为功耗低，一颗纽扣电池就可以使用十年以上，主要应用在电子设备如手机之类，资产跟踪，运动及健身传感器，医疗传感器如心率监测仪之类，智能手环，遥控器，玩具，在农业自动化，汽车行业也有很大的应用市场，并且在未来还会有更大的发展前景。

2  总体方案设计

2.1  工作原理及总体设计

低功耗蓝牙防丢器的报警电路开断由单片机（STM32）对其进行控制，当蓝牙处于“沉睡”状态时说明它和手机是处于正常连接距离合理，如果激活就说明与手机连接出现异常，也就是距离超出预设范围，可以就此来对蓝牙模块的状态进行判断，并且蓝牙的串口也可以实现与手持设备（手机）进行通信。

2.2  硬件电路设计

STM32F103XX是增强型系列单片机，内部配有高性能的ARM® CortexTM-M的RISC内核（32位），单片机的工作频率是72 MHz，内部配有高速存储器，闪存高达128 KB字节和20 KB的SRAM。拥有丰富I/O口，且I/O端口非常高端，外设与2条APB总线相连接。所有器件都有2个ADC（12位）、定时器有4个，其中3个16位的通用型定时器，另一个是PWM定时器、还包含标准的通信接口和先进的通信接口（2个I2C、2个SPI、3个USART、1个USB、1个CAN）。STM32F103XX增强型系列单片机供电压范围2.0 V～3.6 V，单片机的工作温度范围：-40 ℃～+105 ℃，并且提供了从36脚到100脚不同的封装形式有6种，但是不同的封装形式所对应的外设配置也都不同。

本次设计采用的蓝牙模块是蓝牙串行通信模块HC-08，此模块是一种基于蓝牙规范V4.0BLE蓝牙协议的数据传输模块，无线工作频段为2.4 GHz ISM，以GFSK调制作为制方式进行调制，最大的传输功率为4 dBm，接收灵敏度是-93 dBm，通信距离为80 m。

图1是低功耗蓝牙防丢器的仿真原理图，本次选择的是48个引脚的STM32F103xx，其中PC13、PC14、PC15三个管脚由电源开关提供，电源开关仅吸收3 mA的限制电流，当使用这三个管脚作为输出管脚时，存在如下限制：相同时间内一次只能使用一个管脚作为输出管脚，而作为输出管脚只能在2 MHz模式下工作，最大驱动负载为30 pF，不能作为驱动LED等器件的电流源。

时钟选择在系统启动时执行的操作，内部的8 MHz RC振荡器可以在复位时选择作为默认的CPU时钟，然后可以选择外部的4～16 MHz时钟，因为具有故障（失效）监测功能。当检测到外部时钟失效故障时，将对其进行隔离，系统将自动切换到内部RC振荡器。如果发生中断，同样软件也可以接收到相应的中断。如果间接使用的外部振荡器发生失效故障，可以对PLL时钟采用完全中断管理。本次设计采用的蓝牙模块是蓝牙串行通信模块HC-08，蓝牙串行通信模块HC-08是一种基于蓝牙规范V4.0BLE蓝牙协议的数据传输模块，无线工作频段为2.4 GHz ISM，以GFSK调制作为制方式进行调制，最大的传输功率为4 dBm，接收灵敏度是-93 dBm，通信距离为80 m。

此模块带有LED指示灯，它用来判断蓝牙与手机是否连接成功。模块尺寸L=26.9 mm，W=13 mm，H=2.2 mm，它是邮票封装孔和排针焊孔的集成，因为其体积比较小，很容易嵌入到应用系统中。蓝牙模块有三个工作模式分别是0/1/2，模式0：全速功耗模式，是出厂时默认的一种模式；模式1：一级节能模式，连接前电流由T+AINT的设置决定，连接后主要由AT+CINT决定。MODE1模式已经涵盖V2.4版本的MODE3模式，并且更加合理；模式2：二级节能模式（睡眠模式）。睡眠时电流0.4 μA。睡眠时不可发现，睡眠时不可连接，串口唤醒后可被发现，唤醒后也可以连接。本次设计主要使用模式1。模块采用的芯片是CC2540，芯片内配有256 K字节空间，使用者可以根据需求更改主/从模式，除此之外还可以对波特率，设备的名称等参数进行更改，使用起来比较灵活。

2.3  电源模块设计

由于此设计需要有蓄电功能（自动充电），所以选择了锂电池进行供电。锂电池具有体积较小，安装起来方便，使用寿命长等优点。不会频繁更换；便于携带；有较高的能量，综合考虑符合此设计要求。本次设计需要对锂电池进行充电，需要实现自动充电，并且还要对锂电池的充电放电进行保护，在整个充电过程中要把220 V的電压转换为5 V，再经过转换将5 V转换为系统所需要的3.3 V电压，在整个模块中电压的转换，和锂电池的充放电保护都是由一系列芯片处理的。

2.4  振动模块

为了从多方面对用户进行提示在此设计中添加了振动模块，此模块的思路来源于手机的振动功能，选择了一款3 V直流电源微型振动扁平马达。虽然电机型号确定了，可是单片机的供电不能让电机正常启动，单片机的电流只有0.8 mA，电机启动电流要90 mA，因此远远不够，所以需要将电流放大，为了能让电机正常启动添加了一款调速芯片YX-117AMYX-117AM为双向马达驱动IC，利用大型积体电路制造技术，具有低电源，低成本的特性，可应用于低电压工作模式。电路采用H桥电路架构，内置功率MOSFET开关，可实现直流电机做正转、反转、刹车、停止四个功能的控制。

YX-117AM主要特性有：宽广的工作电压（1.8 V～6.5 V）；

内置PMOS/NMOS功率开关的H桥驱动器；支持四种操作模式：正传、反转、刹车、停止；低待机电流（Typ=0.1 μA）；800 mA以上电流输出能力；过温保护功能；CMOS输入/输入脚内建下拉电阻无须外加下拉电阻；高达5 000 V的人体静电模式的ESD保护；通过SOP-8封装。

3  系统软件设计

系统软件设计包括硬件程序和手机程序，图2是本次设计的基于STM32单片机的硬件程序流程图。

本系统支持与Android4.3及以上版本的手持设备与HC-08连接通信，通信测试需使用BLE安卓串口助手连接，可下载。HC-08支持与iPhone4S及以上版本的手持设备连接通信，通信测试需在APPStore下载安装Lightblue或蓝牙助手软件连接（也可以使用其他支持BLE蓝牙的串口软件）。

基于以上分析与设计实现。当手机和蓝牙连接距离超过设定距离（5 m）后，蜂鸣器开始报警，点击语音报警时防丢器会发出事先录入的语音提醒用户。

4  实物测试

4.1  硬件模块调试

蓝牙低功耗防丢器的硬件电路设计是将系统的各个模块与STM32单片机相连接，由于经费和时间的原因只能对部分功能模块进行测试，调试方法如下，硬件实物图如图3所示。

1）按照AD中绘制的电路原理图将各部分与单片机系统连接，检查引脚连接是否正确，通电后查看各模块是否通电，并检测是否有烧坏。在连接电路后各模块正常通电，也没有出现烧坏的情况，因此电路连接正确。

2）对各模块性能，通信进行检测低各器件是否能正常运行。语音播报模块是能够进行录音和播放，蜂鸣器在低电平时进行报警，蓝牙模块能够和手机进行正常的数据传输。

4.2  软件模块调试

软件模块包括单片机中的运行程序和手机APP。单片机STM32中的程序是在KeiluVision5中编写的，APP是在网页版APPInventor上进行编写并生成的，APP界面如图4所示。

当手机和蓝牙连接距离超过设定距离（5 m）后，蜂鸣器开始报警，点击语音报警时防丢器会发出事先录入的语音提醒用户，由于时间的原因振动功能未能实现，但硬件电路已完成。

5  结  论

本设计为基于手机蓝牙的低功耗防丢器，该防丢器具有较高的性能，并且在功耗方面较低充一次电可以使用较长时间。防丢器的控制核心是STM32单片机，其体积小巧、功耗低、响应速度快。从总体来说该设计不仅考虑到防丢，还为失主在不可抗因素下的丢失创造了找回的机会，大大降低了损失。

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作者简介：曹江（1995—），男，汉族，四川泸州人，本科，研究方向：机电系统智能控制；曹靖（1996—），女，汉族，河南三门峡人，本科，研究方向：机电系统智能控制。