基于 Android 和藍(lán)牙的遙控開關(guān)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引 言

家庭生活是人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾M成部分，如何搭建一個(gè)方便使用、高效率、低成本的智能家居系統(tǒng)，進(jìn)而為人們提供一個(gè)方便快捷、舒適安全的家庭生活環(huán)境，是近來(lái)信息技術(shù)從業(yè)者研究的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。傳統(tǒng)的智能家居通信多采用有線方式，其缺點(diǎn)是布線繁雜、安裝成本高、系統(tǒng)升級(jí)困難、擴(kuò)展性和移動(dòng)性差。室內(nèi)常用的開關(guān)面板如圖 1 所示，由蓋板和翹板組成，按動(dòng)翹板可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)的通斷。該面板使用廣泛，若要進(jìn)行智能化改造，必然需要改動(dòng)原有墻體線路 [1-4]。

針對(duì)上述情況，本文提供一種簡(jiǎn)單有效的開關(guān)面板無(wú)線控制方式如圖 2 所示。本體與基座采用螺釘連接，通過(guò)過(guò)盈配合罩扣在蓋板上。在本體中，以舵機(jī)為原動(dòng)機(jī)，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)為執(zhí)行部件，仿照手指按動(dòng)翹板 ；控制系統(tǒng)采用基于藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線通信方式 ；整個(gè)裝置采用放置在電池倉(cāng)中的可充電鋰電池供電。本裝置采用罩扣式安裝，安裝方便，不改動(dòng)原有接線，不需要專業(yè)技術(shù)便可安裝，可隨時(shí)拆卸并更換安裝位置。

1 系統(tǒng)概述

本家居控制器采用低功耗的微控單元和無(wú)線通信模塊，這樣保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、低功耗和低成本 ；與無(wú)線通信模塊之間采用心跳鏈路工作模式，保證了設(shè)備響應(yīng)時(shí)效性。

系統(tǒng)工作時(shí)，以手機(jī)等智能終端作為上位機(jī)，利用藍(lán)牙功能發(fā)出指令，以單片機(jī)為核心的下位機(jī)，通過(guò)藍(lán)牙透?jìng)髂K接收指令，經(jīng)處理后由數(shù)字引腳發(fā)出控制信號(hào)使機(jī)械結(jié)構(gòu)完成開關(guān)動(dòng)作。系統(tǒng)采用電池供電，為避免電池的快速消耗，下位機(jī)在與上位機(jī)連接后，如果在單位時(shí)間內(nèi)沒(méi)有接收到有效指令，則進(jìn)入休眠狀態(tài)。由單片機(jī)內(nèi)置定時(shí)器定期喚醒，發(fā)送一個(gè)同步幀至上位機(jī)，上位機(jī)接收到同步幀之后才會(huì)進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)交流，使執(zhí)行終端從休眠模式轉(zhuǎn)入工作模式執(zhí)行任務(wù)，系統(tǒng)執(zhí)行完后繼續(xù)休眠以節(jié)省電量。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖 3 所示 [5-7]。

2 硬件選型

單片機(jī)模塊采用 Arduino Nano，它是一種基于 ATMEGA328P 的小型單片機(jī)集成板，有 16 KB 的閃存用于存儲(chǔ)代碼。Arduino Nano 上的 14 個(gè)數(shù)字引腳都可以用作輸入或輸出，可以使用 pinMode（），DigalWrite（） 和 DigalRead（） 函數(shù)進(jìn)行操作，每個(gè)引腳工作電壓為 5 V，驅(qū)動(dòng)電流為 40 mA，并有內(nèi)部上拉電阻，A6，A7 針腳可以讀取模擬信號(hào)用來(lái)監(jiān)控電源模塊。ATMEGA 328P 有 8 種節(jié)電設(shè)置，SLEEP 指令可以使 MCU 進(jìn)入掉電模式，降低功耗。另外，該集成板具有 UART 串行通信引腳，可用于接收和發(fā)送 TTL 串行數(shù)據(jù)。

藍(lán)牙通信在生活中的應(yīng)用非常廣泛，大多數(shù)無(wú)線設(shè)備支持此功能。本設(shè)計(jì)中藍(lán)牙模塊采用 HC-05 藍(lán)牙透?jìng)髂K，其優(yōu)點(diǎn)是體積小巧、貼片生產(chǎn)、穩(wěn)定性好、易嵌入。HC-05 采用了 CSR 主流藍(lán)牙芯片，藍(lán)牙 V2.0 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，輸入電壓為3.6 ～ 6 V，可設(shè)置多種波特率，空曠地有效距離為 10 m，能滿足室內(nèi)使用?？梢耘c各種帶藍(lán)牙功能的電腦、藍(lán)牙主機(jī)，以及大部分帶藍(lán)牙的手機(jī)、PDA 等智能終端配對(duì)。其模塊上引出接口，包括 VCC，GND，TXD，RXD。調(diào)試時(shí)可以采用 AT 指令設(shè)置通信參數(shù)，藍(lán)牙模塊發(fā)送端 TXD，接Arduino Nano 上的 RXD 引腳 ；藍(lán)牙模塊接收端 RXD，接Arduino Nano 上的 TXD 引腳。

電源模塊為可充電電池供電，用于向執(zhí)行裝置提供工作電源。本系統(tǒng) 24 h 連續(xù)工作過(guò)程中，處于低功耗休眠狀態(tài)，無(wú)線接收模塊周期性喚醒，以激活系統(tǒng)進(jìn)行工作，進(jìn)一步降低了能耗，提高了系統(tǒng)可靠性。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用 MG996R 舵機(jī)，以舵機(jī)為原動(dòng)機(jī)的機(jī)械裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)面板的按動(dòng)操作。MG996R 舵機(jī)質(zhì)量輕，響應(yīng)速度快，控制精度適中，工作電壓為 4.8 ～ 7.2 V，可以與 MCU、藍(lán)牙模塊共用電源。

下位機(jī)硬件框圖及實(shí)物如圖 4 所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要是應(yīng)用計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)應(yīng)用程序?qū)Ω黝愋盘?hào)進(jìn)行處理計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制。本系統(tǒng)需要在軟硬件協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)的遠(yuǎn)程控制，分為上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件是安卓移動(dòng)端 APP，用戶通過(guò)APP 發(fā)送指令 ；下位機(jī)軟件在 Arduino Nano 中，用于接收指令驅(qū)動(dòng)舵機(jī)。

3.1 上位機(jī) APP 設(shè)計(jì)

以 Android 系統(tǒng)為例，系統(tǒng)中上位機(jī)與下位機(jī)之間由藍(lán)牙通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，上位機(jī)部分主要功能為 ：打開應(yīng)用程序時(shí)，與對(duì)應(yīng)的下位機(jī)藍(lán)牙模塊建立連接，將指令通過(guò)藍(lán)牙功能發(fā)送至下位機(jī)的藍(lán)牙模塊。啟動(dòng) APP 后，系統(tǒng)首先會(huì)判斷是否支持藍(lán)牙，如圖 5（a）所示 ；確認(rèn)支持后再判斷藍(lán)牙狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)使藍(lán)牙功能處于打開狀態(tài)，并掃描搜索附近藍(lán)牙設(shè)備，如圖 5（b）所示 ；完成與硬件采集設(shè)備的匹配連接，連接成功后跳轉(zhuǎn)到操作界面進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，如圖 5（c）所 示。本系統(tǒng)使用安卓 Eclipse 設(shè)計(jì)了一款手機(jī) APP，使用方便，調(diào)試難度低。

3.2 下位機(jī)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)部分主要通過(guò)藍(lán)牙模塊接收指令，并驅(qū)動(dòng)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)指定角度等動(dòng)作，故單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單。

程序首先對(duì) Arduino Nano 的引腳、串口波特率等進(jìn)行初始化設(shè)置，將通信模塊設(shè)置為接收狀態(tài)，并使 Arduino Nano進(jìn)入低功耗模式。當(dāng)接收到正確數(shù)據(jù)后產(chǎn)生中斷，對(duì)外圍電路開始供電，系統(tǒng)各模塊反饋信息給 Arduino Nano。而后Arduino Nano 退出低功耗模式，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，一方面驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，另一方面通過(guò)藍(lán)牙串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后再次進(jìn)入低功耗模式。

使用 Arduino Nano 編寫藍(lán)牙通信程序簡(jiǎn)單快捷，完成串口通信波特率（本文采用 9 600 b/s）等參數(shù)初始化設(shè)置后，利用 Serial.read（）函數(shù)讀取藍(lán)牙模塊傳入的數(shù)據(jù)，根據(jù)讀到的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。由于開關(guān)只有兩種狀態(tài)，本文中，若藍(lán)牙模塊收到數(shù)據(jù)“1”，則舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到 0°，然后返回到20° ；若讀到數(shù)據(jù)“2”，則舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到 40°，然后返回到20°。需要注意，這里的“1”和“2”是由上位機(jī) APP 中的設(shè)定而決定，Arduino Nano 程序中的設(shè)定與上位機(jī) APP 端的編碼必須一致。Arduino Nano 串口通信程序如下 ：

值得注意的是，組建系統(tǒng)之前需要用 AT 指令對(duì) HC-05藍(lán)牙模塊進(jìn)行設(shè)置，包括藍(lán)牙名稱、波特率、配對(duì)碼等參數(shù)。另外，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，這樣有利于系統(tǒng)調(diào)試，而且便于在項(xiàng)目間進(jìn)行移植。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上軟硬件構(gòu)成的一系列的接收、觸發(fā)動(dòng)作，可以較為理想地手動(dòng)與電動(dòng)控制開關(guān)。舵機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)運(yùn)行在指定位置按動(dòng)翹板后，立即自動(dòng)返回至初始位置以釋放翹板，解決了手動(dòng)與電動(dòng)兼具的問(wèn)題。無(wú)線通信裝置接收到移動(dòng)終端發(fā)來(lái)的指令信號(hào)，通過(guò)其內(nèi)置的應(yīng)用軟件，根據(jù)開或關(guān)的動(dòng)作指令控制機(jī)械結(jié)構(gòu)，行進(jìn)一定的距離按動(dòng)翹板，以達(dá)到本裝置的應(yīng)用目的 [2,8-9]。

該系統(tǒng)充分利用藍(lán)牙通信的廣泛性和智能終端的便捷性，安裝簡(jiǎn)單，無(wú)需布線，無(wú)用電隱患，通過(guò)合理布置，可以將整個(gè)室內(nèi)的開關(guān)組網(wǎng)控制。對(duì)系統(tǒng)的軟硬件進(jìn)行改裝，能夠?qū)崿F(xiàn)其他電器的無(wú)線控制組網(wǎng)功能，可廣泛應(yīng)用在不便于布線改線的居家辦公場(chǎng)合，具有一定的實(shí)用價(jià)值。