一種基于藍牙通信的智能加熱系統(tǒng)

朱鋒 許鵬 卜德飛 羌浩南

摘 要本文設計的智能加熱系統(tǒng)以STC12C5A60S2為控制核心，用BLK-MD-HC-05藍牙模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，分為手機接收終端和硬件控制平臺兩個部分。單片機借助溫濕度傳感器自動采集節(jié)點溫濕度數(shù)據(jù)后，進行溫濕度的自我調節(jié)。通過藍牙技術，用戶可以在手機終端的APP上實時監(jiān)測溫濕度狀況。該系統(tǒng)硬件規(guī)模小，適合放在帽子手套中，實現(xiàn)智能加熱，保持恒溫；其適應性強、性價比高，可以幫助戶外移動的人取暖。

【關鍵詞】安卓STC12 小型固態(tài)繼電器 藍牙通信

1 引言

眾所周知，空調取暖并不適用于戶外移動的人員，大家對一種移動化的智能加熱產品的需求越來越大。隨著科學技術水平的提高，特別是計算機技術、通信技術、網(wǎng)絡技術、控制技術的迅猛發(fā)展與提高，基于Android藍牙的智能加熱系統(tǒng)應運而生。藍牙技術是一種短距離、低成本無線通訊技術，能夠實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)的無線傳輸。

智能加熱系統(tǒng)的硬件端設計是以STC12為基礎，利用藍牙通信技術、自動控制技術、鋰電池供電技術實現(xiàn)加熱系統(tǒng)的智能化、小型化、便攜化。軟件端設計是基于Android 2.1 系統(tǒng)，在Eclipse集成開發(fā)環(huán)境下完成的。

2 系統(tǒng)總體結構

智能加熱可以通過藍牙技術將手機端的藍牙和硬件系統(tǒng)的藍牙模塊連接到一起，提供恒溫控制、恒濕控制、溫濕度監(jiān)測、等多種功能和手段，可提供實時的信息交互功能，甚至可以節(jié)約能源和資金。

本系統(tǒng)實現(xiàn)了一個簡易的智能加熱系統(tǒng)。具體而言，用戶可以通過單片機實現(xiàn)對硬件功能平臺各節(jié)點的控制以及通過手機客戶端接收它的狀態(tài)信息，包括：

（1）系統(tǒng)自動采集溫濕度，由硬件端控制小型固態(tài)繼電器的開關，以實現(xiàn)碳纖維加熱片的通斷，即保持恒溫功能；

（2）通過手機APP接收相應指令。溫濕度傳感器自動采集節(jié)點溫濕度數(shù)據(jù)后，通過藍牙通信將數(shù)據(jù)送回給上位機，系統(tǒng)當前的溫度和濕度得以實時地反饋到手機終端，實現(xiàn)環(huán)境溫濕度監(jiān)測等功能。

3 系統(tǒng)硬件設計

本智能加熱系統(tǒng)以基于51內核的STC12C5A60S2微控制器為核心，外加BLK-MD-HC-05藍牙模塊后，即可實現(xiàn)指令或數(shù)據(jù)的無線傳輸；使用AM2320溫濕度傳感器采集環(huán)境節(jié)點溫濕度數(shù)據(jù)；使用Nokia5110液晶顯示屏實時顯示當前的環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)（僅用于功能測試階段）；使用SSR小型固態(tài)繼電器實現(xiàn)恒溫等控制；使用微型鋰電池（可反復充放電）給系統(tǒng)供電，以確保單片機和藍牙模塊的正常運行。基于Android手機的智能加熱系統(tǒng)的硬件整體設計如圖1所示。

3.1 通用I/O口功能設計

（1）AM2320溫濕度傳感器接單片機的P0^0和P0^1口模擬的IIC總線；

（2）Nokia5110液晶顯示屏接單片機的P2口；

（3）SSR小型固態(tài)繼電器接單片機的P2^0口。

（4）藍牙模塊接單片機的P3^0（RXD）和P3^1（TXD）口。

3.2 主要部件的選擇

（1）STC12C5A60S2單片機是宏晶科技公司基于51內核的8位微控制器。內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250K/S，即25萬次/秒）。工作頻率0～35MHz，相當于普通8051的0～420MHz，片上集成1280字節(jié) RAM，共4個16位定時器，通用全雙工異步串行口（UART），有EEPROM功能和看門狗功能。

（2）AM2320數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有己校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合型傳感器，通信方式采用單總線、標準IIC兩種通信方式。兩種通信方式都采用直接輸出經(jīng)溫度補償后的濕度、溫度及校驗CRC等數(shù)字信息，可得到準確的溫濕度信息。

（3）藍牙模塊HC-05支持UART，USB，SPI，PCM，SPDIF等接口，并支持SPP藍牙串口協(xié)議，具有成本低、體積小、功耗低、收發(fā)靈敏性高等優(yōu)點，只需配備少許的外圍元件就能實現(xiàn)其強大功能。該模塊主要用于短距離的數(shù)據(jù)無線傳輸領域?？梢苑奖愕暮蚉C機的藍牙設備相連，也可以兩個模塊之間的數(shù)據(jù)互通。避免繁瑣的線纜連接，能直接替代串口線。

（4）碳纖維加熱片是一種純黑體的發(fā)熱材料，在電-熱轉換過程中幾乎不存在可見光，具有升溫迅速、熱滯后小、發(fā)熱均勻、熱輻射傳遞距離遠、熱交換速度快等特點。工作過程中光通量遠遠小于金屬發(fā)熱體的電熱管，電-熱轉換效率高達95℃以上，比同功率的鎢鉬材料的金屬發(fā)熱體熱效率提高30℃以上，升溫的時間節(jié)省30℃以上。

4 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)上電后，等待所有硬件（尤其是藍牙模塊的相互配對需要一定時間）都啟動成功之后，用戶便可通過上位機軟件發(fā)送指定指令對系統(tǒng)進行控制和監(jiān)測。

4.1 系統(tǒng)軟件設計

溫濕度傳感器自動采集節(jié)點溫濕度數(shù)據(jù)后，由串口發(fā)送至單片機，單片機對數(shù)據(jù)做出分析判斷，如果接收到的溫度低于30℃，則執(zhí)行加熱操作；否則不予響應。同時，溫濕度數(shù)據(jù)將通過藍牙技術傳輸，在手機終端實時顯示。下位機軟件運行流程圖如下：

4.2 藍牙模塊設計

將藍牙模塊切至[prog]參數(shù)配置模式，運行程序。菜單中的連接藍牙項會跳出一個界面，顯示本機已配對過的藍牙設備，并搜尋當前可連接的藍牙設備。選擇要連接的設備后，創(chuàng)建一個服務，實現(xiàn)與設備的連接。當連接成功后再創(chuàng)建數(shù)據(jù)的接收線程，虛擬創(chuàng)建一個COM 口，打開對應 COM 口，形成透明串口線傳輸。STC12C5A60S2則是通過串口與藍牙模塊HC-05連接，向手機藍牙發(fā)送數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包含兩個字節(jié)，第一字節(jié)為溫度值，第二字節(jié)為濕度值，這兩個字節(jié)作為藍牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬蓚€參數(shù)。手機接收終端使用3個有效的Button來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收，例如發(fā)送AT+ Temp，返回Ok：26C；發(fā)送AT+ Humi，返回Ok： 34%；發(fā)送AT+ Temp Humi，返回Ok： 26C 34%。

5 系統(tǒng)運行測試

將系統(tǒng)硬件組裝完成后上電啟動，當所有硬件模塊正常工作時，部分硬件有工作指示燈閃爍。當硬件控制平臺的 LED1由交替閃爍的狀態(tài)變?yōu)?LED1 長亮時，則說明藍牙配對成功，可以進行數(shù)據(jù)的正常傳輸。當手機接收終端顯示“Temp：26C”和“Humi：34%”時，則說明溫濕度傳感器工作正常。系統(tǒng)組裝運行效果如圖3所示。

由此可見，在溫濕度傳感器獲取節(jié)點處實時、精確的溫濕度數(shù)據(jù)后，硬件平臺能夠進行自我調節(jié)，達到合適的溫度；小型固態(tài)繼電器能夠間接控制加熱片的開關狀態(tài)，實現(xiàn)加熱的功能；藍牙模塊之間能夠進行正常的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的傳輸；手機APP能夠實時顯示溫濕度狀況，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測的功能。

6 結束語

本系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了智能加熱的控制及顯示功能，具有較好的適應性和移植性等，但本身也存在一些如藍牙系統(tǒng)不夠穩(wěn)定，手機終端與硬件端只實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的單向接收等不足。后期對系統(tǒng)進行升級，可以通過手機APP發(fā)送指令，組成局域網(wǎng)，以增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此本套系統(tǒng)雖仍有一定的進步空間，卻也有著極大的發(fā)展前景。

參考文獻

[1]南通宏晶科技有限公司.STC12C5A60S2系列單片機器件手冊[Z].2015.

[2]廣州奧松電子有限公司.數(shù)字溫濕度傳感器AM2320產品手冊[Z].2014.

[3]孫育才.單片微型計算機及其應用[M].南京：東南大學出版社，2004.

[4]熊獅.基于Android系統(tǒng)健康信息移動監(jiān)測技術的研究[D].華南理工大學，2013.

[5]董世琨，張學典，常敏，潘麗娜.基于Android手機藍牙的無線智能控制系統(tǒng)設計[J].信息技術，2014，08：22-24+33.

作者簡介

朱鋒（1994-），男，江蘇省南通市人?，F(xiàn)就讀于江蘇省南通大學電子信息學院。研究方向為電子科學與技術。

作者單位

南通大學電子信息學院 江蘇省南通市 226019