基于藍(lán)牙4.0智能開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王佳欣

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)家居生活的舒適度要求越來(lái)越高，對(duì)各種家居設(shè)備達(dá)到自動(dòng)及遠(yuǎn)程控制的渴望也尤為突出。為了實(shí)現(xiàn)用戶通過(guò)手機(jī)移動(dòng)終端對(duì)家中的開(kāi)關(guān)進(jìn)行自動(dòng)控制，將支持低功耗藍(lán)牙4.0技術(shù)的藍(lán)牙控制模塊嵌入在傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)上，實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)智能開(kāi)關(guān)的自動(dòng)控制。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)有良好的工作性能，能夠達(dá)到對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行及時(shí)有效控制的設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：智能家居；藍(lán)牙4.0技術(shù)；智能開(kāi)關(guān)；CSR1010

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）06-00-03

0 引 言

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展，成為繼互聯(lián)網(wǎng)之后的又一個(gè)重大科技創(chuàng)新。而智能家居成為了物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。智能家居概念起源于20世紀(jì)80年代初的美國(guó)，稱之為Smart Home[1]。其涉及多個(gè)領(lǐng)域，如通信網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)集成、家電、醫(yī)療、傳感器件、自動(dòng)控制等[2]。智能家居的發(fā)展經(jīng)歷了4代，第四代的要求即基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)達(dá)到可根據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的功能[3]。與普通家居相比，物聯(lián)網(wǎng)智能家居不僅具有傳統(tǒng)的居住功能，還可提供信息交互功能，使得人們能夠隨時(shí)對(duì)家居設(shè)備進(jìn)行控制，讓家居生活更加安全、舒適[4]。

隨著人們對(duì)家居環(huán)境的安全舒適等要求不斷提高，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到家居生活的需求也不斷增強(qiáng)，目前市場(chǎng)上已經(jīng)有很多像智能開(kāi)關(guān)這樣通過(guò)手機(jī)達(dá)到自動(dòng)控制的家居產(chǎn)品。比如歐瑞博的智能插座，其通過(guò)在插座上嵌入WiFi模塊來(lái)達(dá)到智能控制的目的，但其采用的WiFi技術(shù)功耗相對(duì)較大。在智能家居領(lǐng)域，低功耗很重要。比如飛利浦的Hue Lights智能LED燈[5]，采用ZigBee技術(shù)達(dá)到可通過(guò)智能終端設(shè)備控制LED燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)以及顏色亮度等。但因目前智能終端上不支持ZigBee通信，所以不能對(duì)其進(jìn)行直接控制，而需要一個(gè)中繼設(shè)備，這樣既提高了成本，也帶來(lái)了不便。低功耗藍(lán)牙4.0技術(shù)是一種數(shù)據(jù)量低、應(yīng)對(duì)通信的突發(fā)性強(qiáng)、可依據(jù)需求進(jìn)行定制的短距離通信技術(shù)，采用該技術(shù)可有效組建成本低、復(fù)雜度低的無(wú)線體域網(wǎng)和無(wú)線個(gè)域網(wǎng)[6]，并且目前藍(lán)牙4.0技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到智能手機(jī)設(shè)備中。與傳統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)備相比，其克服了主設(shè)備連接7個(gè)從設(shè)備的限制，而且傳輸距離也能夠達(dá)到50～60 m[7]。

通過(guò)對(duì)比，本文設(shè)計(jì)了基于藍(lán)牙4.0技術(shù)的智能開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)，主要通過(guò)在傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)上嵌入的藍(lán)牙4.0控制模塊與智能手機(jī)終端直接連接進(jìn)行通信，達(dá)到對(duì)智能開(kāi)關(guān)的直接控制以及定時(shí)操作的目的。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能開(kāi)關(guān)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，整個(gè)智能開(kāi)關(guān)的系統(tǒng)主要由智能開(kāi)關(guān)及智能移動(dòng)終端兩部分組成。其中，移動(dòng)終端作為整個(gè)系統(tǒng)的控制端，通過(guò)直接與智能開(kāi)關(guān)相連而控制開(kāi)關(guān)。智能開(kāi)關(guān)作為被控制端，負(fù)責(zé)接收來(lái)自手機(jī)的命令并執(zhí)行。

1.1 智能開(kāi)關(guān)

智能開(kāi)關(guān)上嵌入的藍(lán)牙模塊采用的是低功耗的CSR1010藍(lán)牙芯片。該芯片擁有32個(gè)引腳，并可支持對(duì)Flash和E2PROM進(jìn)行程序下載。智能開(kāi)關(guān)正是通過(guò)藍(lán)牙模塊達(dá)到與智能移動(dòng)終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、控制操作的功能。

1.2 智能移動(dòng)終端

系統(tǒng)中對(duì)智能移動(dòng)終端的要求是要支持藍(lán)牙4.0通信技術(shù)。通過(guò)智能移動(dòng)終端上的App控制程序來(lái)控制開(kāi)關(guān)的通斷電。其中，App主要通過(guò)利用相關(guān)API函數(shù)調(diào)用手機(jī)的藍(lán)牙適配器，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能開(kāi)關(guān)設(shè)備的發(fā)現(xiàn)、配對(duì)、連接、控制，并發(fā)送相關(guān)控制信息的功能。

2 智能開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)

對(duì)智能開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)主要分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。其中硬件設(shè)計(jì)主要包括電壓轉(zhuǎn)換模塊和藍(lán)牙開(kāi)關(guān)控制模塊；軟件設(shè)計(jì)主要通過(guò)在CSR1010藍(lán)牙芯片上運(yùn)行藍(lán)牙4.0協(xié)議，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行配置，從而達(dá)到對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制的目的。

2.1 智能開(kāi)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 電壓轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)

電源芯片采用POWER INTEGRATIONS公司生產(chǎn)的LinkSwitch-TN小功率輸出系列AC-DC電源轉(zhuǎn)換芯片，該芯片適合替代所有使用電容降壓的電路，應(yīng)用于小家電和LED驅(qū)動(dòng)。根據(jù)輸出的功率需求，選擇LNK304作為電源轉(zhuǎn)換芯片。

該芯片支持降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，集成自動(dòng)重啟功能，過(guò)穩(wěn)保護(hù)功能，相對(duì)于電容降壓式方案功率因數(shù)更高。并且只需要少量的外部元件，就可以實(shí)現(xiàn)220 V交流電到3.3 V直流電源的轉(zhuǎn)換。

2.1.2 藍(lán)牙控制模塊的設(shè)計(jì)

智能開(kāi)關(guān)的藍(lán)牙控制模塊的電路如圖2所示，主要包括系統(tǒng)指示燈、SPI 程序下載接口、復(fù)位、電信號(hào)電路等。系統(tǒng)的時(shí)鐘源采用16 MHz的晶振，采用E2PROM進(jìn)行存儲(chǔ)。通過(guò)SPI 串行外設(shè)接口下載與調(diào)試固件程序。利用藍(lán)牙芯片引出1個(gè)引腳，設(shè)置為電信號(hào)模式，用于控制開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。

2.2 智能開(kāi)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

CSR 1010芯片支持包括了ATT、GATT、GAP、L2CAP、SMP等規(guī)范的藍(lán)牙4.0協(xié)議棧[8]。其中，通用訪問(wèn)規(guī)范（GAP）規(guī)定了包括廣播者、觀察者、中央設(shè)備和外圍設(shè)備四種角色。在智能開(kāi)關(guān)系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)作為外圍設(shè)備，移動(dòng)終端作為中央設(shè)備。而在系統(tǒng)中，智能開(kāi)關(guān)作為Server端向智能手機(jī)終端（Client）暴露GATT規(guī)范層的自定義開(kāi)關(guān)服務(wù)。規(guī)定特征值1用于控制開(kāi)關(guān)的通斷，長(zhǎng)度為一個(gè)字節(jié)。當(dāng)移動(dòng)終端將特征值1設(shè)置為0x00時(shí)表示命令為關(guān)，設(shè)置為0x01時(shí)表示命令為開(kāi)。

智能開(kāi)關(guān)上電后，首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，主要包括SMP、GAP、GATT、硬件等模塊的初始化。初始化完成后，智能開(kāi)關(guān)開(kāi)始向外廣播，用以讓智能終端發(fā)現(xiàn)其存在。但由于用戶不會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)智能開(kāi)關(guān)進(jìn)行反復(fù)的通斷電操作，并考慮到能量消耗與開(kāi)關(guān)的廣播頻率有很大關(guān)系，為降低能耗，故將智能開(kāi)關(guān)的廣播狀態(tài)設(shè)置為快播、中播、慢播不同等級(jí)。對(duì)于不同的等級(jí)，廣播的持續(xù)時(shí)間和時(shí)間間隔也不同?？觳V播的持續(xù)時(shí)間是30 s，廣播的時(shí)間間隔是50 ms，中播廣播持續(xù)時(shí)間是3 min，時(shí)間間隔為640 ms，其余都為慢播狀態(tài)，慢播廣播時(shí)間間隔為5 s。

3 智能移動(dòng)終端的軟件設(shè)計(jì)

智能移動(dòng)終端設(shè)備在藍(lán)牙通信過(guò)程中作為主設(shè)備，能夠掃描、發(fā)現(xiàn)外圍設(shè)備，并對(duì)外圍設(shè)備發(fā)起連接請(qǐng)求，連接成功后發(fā)送控制指令或斷開(kāi)與外圍設(shè)備的連接。在軟件設(shè)計(jì)上，當(dāng)用戶開(kāi)啟軟件后，首先進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的初始化工作，主要包括從本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中讀取已配對(duì)的智能開(kāi)關(guān)設(shè)備信息；然后系統(tǒng)開(kāi)始按一定的時(shí)間間隔掃描外圍設(shè)備，通過(guò)此操作可以同步設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息；當(dāng)需要控制開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，則發(fā)起連接請(qǐng)求，連接成功后，發(fā)送規(guī)定好的數(shù)據(jù)命令控制開(kāi)關(guān)操作。智能移動(dòng)終端的軟件工作流程如圖3 所示。

在利用藍(lán)牙4.0通信技術(shù)時(shí)，理論上作為主設(shè)備的移動(dòng)智能終端能夠同時(shí)與無(wú)數(shù)個(gè)設(shè)備相連，而作為從設(shè)備的智能開(kāi)關(guān)只能同時(shí)被一個(gè)主設(shè)備控制。考慮藍(lán)牙4.0協(xié)議可在3 ms建立連接并傳輸數(shù)據(jù)的特性，為了能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)用戶在一定時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)智能開(kāi)關(guān)的并行控制，設(shè)計(jì)采用控制完成立即斷開(kāi)連接的方式。對(duì)于智能開(kāi)關(guān)設(shè)備的信息管理，采用了SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)[9，10]設(shè)備管理模塊對(duì)開(kāi)關(guān)相關(guān)信息進(jìn)行存儲(chǔ)與管理。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出的智能開(kāi)關(guān)模塊實(shí)物圖如圖4所示。

對(duì)智能開(kāi)關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行多次反復(fù)測(cè)試。測(cè)試方式為用戶通過(guò)智能移動(dòng)設(shè)備以不同的時(shí)間間隔連續(xù)不斷地向智能開(kāi)關(guān)發(fā)送開(kāi)關(guān)命令請(qǐng)求，以及對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行定時(shí)操作。測(cè)試結(jié)果表明，在藍(lán)牙的可通信范圍內(nèi)，通過(guò)智能移動(dòng)終端設(shè)備能有效控制智能開(kāi)關(guān)設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，也能對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行定時(shí)操作。觀察發(fā)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)對(duì)命令反應(yīng)靈敏、快速，對(duì)于定時(shí)規(guī)則均能在準(zhǔn)確的時(shí)間正確執(zhí)行命令。但通過(guò)對(duì)藍(lán)牙通信距離的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙的通信距離要比理論值短很多?？諘绲貐^(qū)可以在30 米內(nèi)進(jìn)行控制，室內(nèi)10 米左右。經(jīng)仔細(xì)排查終于發(fā)現(xiàn)，藍(lán)牙天線下面PCB板上的銅覆蓋干擾了信號(hào)的傳播距離。去掉銅后，通信距離得到很大的提高。室外可達(dá)50米左右，室內(nèi)可達(dá)23米左右。完全滿足智能家居對(duì)智能開(kāi)關(guān)控制的需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)智能開(kāi)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)、軟件實(shí)現(xiàn)以及智能移動(dòng)終端App的程序設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于低功耗藍(lán)牙4.0 通信技術(shù)的智能家居智能開(kāi)關(guān)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以智能移動(dòng)終端為控制中心，智能開(kāi)關(guān)設(shè)備作為外圍設(shè)備，通過(guò)藍(lán)牙4.0通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能移動(dòng)終端對(duì)智能開(kāi)關(guān)的自動(dòng)控制功能。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該系統(tǒng)性能良好、反應(yīng)靈敏且操作準(zhǔn)確，可以滿足用戶的實(shí)際需求。

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