一種基于手機(jī)藍(lán)牙的短距無線測控技術(shù)及其應(yīng)用

鄒益民，相惠清，宗 敏

（金陵科技學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院，江蘇南京，210031）

一種基于手機(jī)藍(lán)牙的短距無線測控技術(shù)及其應(yīng)用

鄒益民，相惠清，宗 敏

（金陵科技學(xué)院網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院，江蘇南京，210031）

智能手機(jī)作為測控系統(tǒng)的移動監(jiān)控終端具有良好的靈活性、便攜性與便利性，藍(lán)牙通信因其功耗小且安全性高，成為短距離內(nèi)較理想的通信方式。本系統(tǒng)構(gòu)建了一個基于MSP430F149單片機(jī)的恒溫控制應(yīng)用場景，并將與智能手機(jī)的藍(lán)牙通信技術(shù)運(yùn)用于該應(yīng)用場景中，構(gòu)成一個可通過移動終端遠(yuǎn)程監(jiān)控的主從式測控系統(tǒng)。本中給出了系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)及硬軟件設(shè)計方案，可為類似遠(yuǎn)程測控方案的實現(xiàn)提供借鑒。

工業(yè)自動化；測控系統(tǒng)；單片機(jī)；智能手機(jī)；藍(lán)牙；恒溫裝置

0　引言

隨著移動終端和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，智能手機(jī)已經(jīng)變成現(xiàn)代社會日常生活中不可或缺的信息交流工具，利用智能手機(jī)作為測控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程移動監(jiān)控終端有著良好的現(xiàn)實性、靈活性、便攜性與便利性，故有望成為一種很有前途的應(yīng)用技術(shù)。手機(jī)的通信連接方式主要有蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接、WiFi連接、藍(lán)牙（Bluetooth）連接及NFC連接等［1-4］，由于藍(lán)牙通信功耗小且安全性高，在沒有WiFi網(wǎng)絡(luò)的情況下，成為短距離內(nèi)可優(yōu)先選擇的通信方式。

本文所述系統(tǒng)以一個簡易單片機(jī)溫度實驗裝置作為被控對象，實現(xiàn)基本的本地恒溫控制功能；單片機(jī)同時還通過串行接口控制一個藍(lán)牙通訊模塊，以實現(xiàn)單片機(jī)側(cè)的數(shù)據(jù)通訊功能；智能手機(jī)則可采用內(nèi)置的藍(lán)牙通訊技術(shù)，從而配合實現(xiàn)對被控溫度對象運(yùn)行狀態(tài)的短距無線監(jiān)控。學(xué)生既可通過該實驗裝置學(xué)習(xí)與實踐自動控制理論的相關(guān)知識，也可學(xué)習(xí)與實踐基于藍(lán)牙的無線通信技術(shù)，該裝置的設(shè)計思路與具體實施方案也可供真實的無線測控系統(tǒng)的構(gòu)建提供參考。

1　藍(lán)牙協(xié)議及HC-05模塊簡介

藍(lán)牙協(xié)議是一種應(yīng)用廣泛的無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可實現(xiàn)固定設(shè)備、移動設(shè)備和樓宇個人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換。藍(lán)牙通信基于主從架構(gòu)，雖然傳輸速度不是很快，但卻具有良好的抗干擾能力，且功耗和成本都很低。藍(lán)牙RFCOMM協(xié)議則在藍(lán)牙基帶協(xié)議之上仿真了RS-232控制和數(shù)據(jù)信號，構(gòu)成一種RS232串行數(shù)據(jù)線的實用替代方案。

1.1藍(lán)牙模塊BT-HC05簡介

BT-HC05模塊是一款高性能的藍(lán)牙串口模塊，支持主、從兩種工作模式，可用于與各種帶藍(lán)牙功能的電腦、手機(jī)等智能終端配對。在配置模式下，該模塊可使用AT命令設(shè)置其功能及工作參數(shù)；在通信模式下，若主從模式兩個藍(lán)牙模塊配對成功，則可簡單地按串口方式完成數(shù)據(jù)的透傳。

1.2藍(lán)牙模塊BT-HC05配置

HC-05模塊的功能及工作參數(shù)可使用AT命令實現(xiàn)軟件配置，其軟配置指令又可分為Command（下行命令）和Indication（上報指令）：

（1）常用Command下行指令

表1

本組命令可用于設(shè)置HC-05的功能及參數(shù)，由主機(jī)發(fā)向模塊，而模塊將給出適當(dāng)響應(yīng)（如表1所示）。

（2）Indication典型上行指令

本組命令由HC-05發(fā)向主機(jī)，用于指示模塊狀態(tài)（如表2所示）。

本系統(tǒng)中HC-05模塊的多數(shù)參數(shù)可采用系統(tǒng)缺省值，故所需的實際配置可簡化如下：復(fù)位藍(lán)牙設(shè)備、設(shè)置藍(lán)牙模塊為從設(shè)備、設(shè)置藍(lán)牙配對模式為任意地址、設(shè)置藍(lán)牙串口工作方式、設(shè)置藍(lán)牙模塊設(shè)備名及設(shè)置藍(lán)牙模塊配對碼。配置完成后，模塊將自動等待智能手機(jī)作為主設(shè)備完成搜索、配對，然后即可進(jìn)行所需的數(shù)據(jù)傳輸。

2　系統(tǒng)硬軟件設(shè)計

2.1系統(tǒng)總體框架設(shè)計

系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。圖1中：智能手機(jī)通過HC-05藍(lán)牙模塊，基于RFCOMM協(xié)議完成智能手機(jī)與本地測控裝置之間的數(shù)據(jù)通信。若水杯中溫度變化，則經(jīng)PT100熱電阻、熱電阻溫度變送器轉(zhuǎn)換為輸出電流，隨后利用電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號送入單片機(jī)的ADC通道實現(xiàn)溫度值采樣測量；單片機(jī)還經(jīng)功率驅(qū)動電路與直流電加熱棒連接，以實現(xiàn)對水杯中水的受控加熱；單片機(jī)同時與LCD5110液晶顯示器及按鍵組相連，用于實現(xiàn)本地監(jiān)控及參數(shù)設(shè)置。

2.2硬件詳細(xì)設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分電路設(shè)計可參見圖2，其中：

●MSP430F149用于控制系統(tǒng)完成測控、通訊、人機(jī)接口等功能；

●LCD5110液晶顯示器、按鍵構(gòu)成本地的人機(jī)接口；

●HC-05藍(lán)牙串口通訊模塊為單片機(jī)提供藍(lán)牙從設(shè)備功能，與智能手機(jī)側(cè)的藍(lán)牙主設(shè)備協(xié)同工作，完成基于藍(lán)牙的數(shù)據(jù)通信，以將本地溫度測量值上傳到手機(jī)中進(jìn)行數(shù)值或曲線顯示，手機(jī)也可同時向單片機(jī)傳送被控溫度的設(shè)定值。

●PT100測溫?zé)犭娮?、熱電阻溫度變送器配合實現(xiàn)水溫測量；

●直流電加熱棒采用12V，75W低壓安全產(chǎn)品，單片機(jī)系統(tǒng)中設(shè)計有包括光電耦合、TIP122達(dá)林頓管及直流繼電器的功率驅(qū)動電路，將控制電路與驅(qū)動功率電路隔離，以提高系統(tǒng)的抗干擾能力，并保護(hù)低壓單片機(jī)系統(tǒng)的安全。

圖1.手機(jī)藍(lán)牙監(jiān)控的單片機(jī)恒溫實驗裝置總體框圖

3　手機(jī)端藍(lán)牙APP開發(fā)的基本過程

（1）設(shè)置藍(lán)牙的響應(yīng)權(quán)限

手機(jī)端需要BLUETOOTH及BLUETOOTH_ADMIN開發(fā)權(quán)限。

（2）配置本機(jī)藍(lán)牙模塊

①使用BluetoothAdapter.getDefaultAdapter（）獲取藍(lán)牙適配器；

②使用Intent（BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ ENABLE）打開藍(lán)牙設(shè)置面板或使用enable（）方法直接打開藍(lán)牙設(shè)備；

③使用完畢后，使用disable （）方法關(guān)閉藍(lán)牙設(shè)備；

（3）搜索藍(lán)牙設(shè)備

使用BluetoothAdapter的startDiscovery（）方法可搜索藍(lán)牙設(shè)備。此后，通過注冊相應(yīng)的BroadcastReceiver可接收由系統(tǒng)發(fā)出的開始搜索、搜索結(jié)束及找到設(shè)備的廣播信息。

（4）藍(lán)牙Socket通信

若需建立兩個藍(lán)牙設(shè)備之間的通信連接，則須首先分別實現(xiàn)服務(wù)器端與客戶端的機(jī)制。

①服務(wù)器端實現(xiàn)。首先通過BluetoothAdapter的liste nUsingRfcommWithServiceRecord（String， UUID）方法來獲取BluetoothServerSocket，再通過BluetoothServerSocket的accept（）方法監(jiān)聽連接請求，結(jié)束后則可調(diào)用BluetoothServerSocket的close（）方法釋放資源。

②客戶端的實現(xiàn)。首先通過搜索得到服務(wù)器端的BluetoothService，再調(diào)用BluetoothService的listenUsingRfcommWithService Record（String， UUID）方法獲取BluetoothSocket，最后調(diào)用BluetoothSocket的connect（）方法以建立與服務(wù)器的連接。

③數(shù)據(jù)通信。首先通過BluetoothSocket的getInputStream（）和getOutputStream（）方法獲取輸入流InputStream和輸出流OutputStream，其次使用read（bytes［］）和write（bytes［］）方法進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫操作。

圖2.手機(jī)藍(lán)牙監(jiān)控的單片機(jī)恒溫實驗裝置電路原理圖

4　結(jié)語

本文所介紹的短距無線恒溫實驗裝置，使用MSP430F149單片機(jī)實現(xiàn)本地溫度控制，借助HC-05模塊為單片機(jī)提供藍(lán)牙通信功能，而智能手機(jī)側(cè)可使用其內(nèi)置的藍(lán)牙通訊功能，最終實現(xiàn)雙方的數(shù)據(jù)通訊。從而，本地測控信息可傳送到智能手機(jī)側(cè)并用曲線、表格的方式進(jìn)行顯示，還可根據(jù)需要對特定的測控參數(shù)進(jìn)行即時設(shè)置。本文方法可為類似基于智能手機(jī)實施對遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)的監(jiān)測方案設(shè)計提供借鑒。

［1］周青青，王洋，陳德裕.基于WiFi和GSM的無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機(jī)測量與控制，2016，05：106-109.

［2］段英杰，霍新宇，王惠潔，盧洪武. WiFi視頻傳輸機(jī)器人的設(shè)計［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2016，05：31-32+35.

［3］岳永霞，金 華. 基于Wi-Fi和藍(lán)牙技術(shù)的停車場智能引導(dǎo)系統(tǒng)［J］.計算機(jī)與現(xiàn)代化，2016，04：90-93.

［4］朱正偉，錢露，張南，郭楓，周謝益.一種利用NFC技術(shù)實現(xiàn)藍(lán)牙快速連接的研究［J］.自動化儀表，2016，04：68-71+77.

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［6］趙宏中，周瓊. 藍(lán)牙RFCOMM協(xié)議的研究與實現(xiàn)［J］. 軟件導(dǎo)刊，2008，11：125-126.

［7］朱志平. 基于MSP430的藍(lán)牙智能家居系統(tǒng)［J］. 渭南師范學(xué)院學(xué)報，2016，04：24-32.

［8］王帥，沈浩，駱長澤，沙憲政. Android平臺下藍(lán)牙溫度測量［J］.中國醫(yī)療器械雜志，2015，03：181-182+196.

鄒益民，（1963年出生），男，浙江人，2006年畢業(yè)于北京理工大學(xué)自動控制系，獲得博士學(xué)位，教授；主要研究方向：控制理論與工程，導(dǎo)航與制導(dǎo)，圖像處理，模式識別。

A Master-Slave Type Thermostat System based on Monitoring of Mobile Phone with Bluetooth Technology

Zou Yimin，Xiang Huiqing，Zong Min
（School of Networks and Telecommunications Engineering，Jinling Institute of Technology，Nanjing，211169）

As a remote mobile monitoring terminal of measuring and controlling system，smart phones has good flexibility，portability and convenience.Due to its low power consumption and high security，Bluetooth communication becomes the ideal communication mode in short distance. A thermostat System based on MSP430F149 single-chip microprocessor was introduced，combining with Bluetooth communication technology of smart phone，thus to construct a master slave control system which remotely monitored by a mobile terminal. The architecture of the system and the design scheme of hardware and software are given here， which could also provide guidelines for the implementation of similar remote measurement and control programs.

Industrial automation；Measurement and control system；SCM（Single Chip Microprocessor）；Smart mobile phone；Bluetooth；Thermostat system

TP23，TP274

A