基于藍(lán)牙的智能家居控制研究
——以“智能窗簾”為例

陳志杰

（福州大學(xué)；福州理工學(xué)院，福建 福州 350506）

智能化微型控制器的應(yīng)用也越來越廣泛，自動(dòng)窗簾控制器的發(fā)展也隨之得到大規(guī)模提高，作為智能家居的重要組成部分，自動(dòng)窗簾控制器已經(jīng)引領(lǐng)了智能家居的發(fā)展，并且將來會(huì)成為智能家居的頂梁柱，具備非常樂觀的發(fā)展前景。本設(shè)計(jì)針對(duì)現(xiàn)狀的研究與實(shí)際使用的空白進(jìn)行彌補(bǔ)，具有簡捷智能，低功耗、低成本的應(yīng)用價(jià)值。

一、智能家居中用到的關(guān)鍵技術(shù)

此設(shè)計(jì)是基于一款藍(lán)牙的智能家居控制系統(tǒng)。其中對(duì)于家居的控制本課題著重研究的是窗簾控制，智能家居控制系統(tǒng)完成使用藍(lán)牙通信進(jìn)行窗簾控制的功能。

1.智能家居無線通信功能。由于現(xiàn)在藍(lán)牙技術(shù)的廣泛應(yīng)用、技術(shù)更新至比較成熟、且研發(fā)成本較低，與當(dāng)今生活中所用的移動(dòng)設(shè)備中的藍(lán)牙都可以互相，使用藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)無線通信功能，實(shí)現(xiàn)智能家居的控制，是值得使用的應(yīng)用。

2.在環(huán)境實(shí)施控制方面，可以利用藍(lán)牙無線控制，自動(dòng)監(jiān)控家居周圍的溫度、光照強(qiáng)度，濕度等環(huán)境因素。

3.窗簾的拉合控制。進(jìn)行軟件和硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證功能，硬件進(jìn)行焊接，搭建硬件環(huán)境，從而實(shí)現(xiàn)控制窗簾的拉合。

4.噪聲的方位信息和相關(guān)提示信息。采用液晶顯示器顯示信息。

二、自動(dòng)窗簾控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

此次設(shè)計(jì)的基于藍(lán)牙的智能家居控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)框圖如圖1（圖序從圖1開始標(biāo)注）所示，從圖中可以看出系統(tǒng)被分成了采集模塊和控制模塊。采集模塊和控制模塊之間使用藍(lán)牙的方式進(jìn)行無線通信，采集模塊可以獲取家居環(huán)境，如光強(qiáng)、濕度等信息，并在LCD屏幕上顯示需要修改和輸入的內(nèi)容，采集模塊采集的信息可以通過藍(lán)牙通信的方式傳輸?shù)娇刂颇K上，控制模塊采用步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)模擬家居窗簾的開關(guān)狀態(tài)，并實(shí)時(shí)判斷是否超限，超限后可關(guān)閉窗簾控制。在控制模塊中，由光敏電阻傳感器控制窗簾的光控和自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)照明的控制，晚上窗簾關(guān)閉，白天打開窗簾。手動(dòng)控制通過采集模塊的按鍵的控制方式，通過藍(lán)牙通信發(fā)送命令對(duì)窗簾的開合進(jìn)行控制，可根據(jù)選擇控制模式實(shí)現(xiàn)智能家居窗簾的自動(dòng)控制。

圖1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

三、智能家居系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

智能家居系統(tǒng)硬件主系統(tǒng)有單片機(jī)控制核心模塊、電源模塊、液晶顯示模塊、藍(lán)牙模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊、光照模塊等。

（一）單片機(jī)控制核心模塊

圖2 最小系統(tǒng)電路圖

圖3 晶振電路

圖4 復(fù)位電路

如圖3所示，上面的電路圖為電容三點(diǎn)式震蕩圖，本次課題的晶振，選用的是頻率為12M的無源晶振。電容則是選用了兩個(gè)普通電容，容值均為30pF。

通過系統(tǒng)復(fù)位，實(shí)現(xiàn)了STC89C51的硬件初始化過程。具備了外部復(fù)位管腳RST的STC89C52單片機(jī)，能夠在識(shí)別長度為2us以上的高電平，同時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)位系統(tǒng)的功能。

（二）電源模塊

電源采用常見的USB接口的電源線，配接直流5V電源，用其作為整個(gè)系統(tǒng)的供電電源。SW1為電源部分的開關(guān)，起到電源控制的作用，通過此模塊可以實(shí)現(xiàn)電源在需要的時(shí)候打開，不需要的時(shí)候關(guān)閉即可。如圖5所示。

圖5 電源模塊電路圖

（三）液晶顯示模塊

如圖6所示是液晶顯示部分的電路原理圖。從圖中可以看出，LCD1602接口較為簡單，僅需要3根控制線以及8位數(shù)據(jù)總線即可。R3電阻的作用主要是調(diào)節(jié)液晶的對(duì)比度，通過對(duì)外部接口的調(diào)整，可以選擇串行通信方式和并行通信方式兩種方式進(jìn)行液晶的程序控制，數(shù)據(jù)和地址等寄存器數(shù)據(jù)是通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送到LCD1602的控制器中。LCD1602液晶的控制器不僅能夠驅(qū)動(dòng)液晶進(jìn)行顯示字符以及數(shù)字字母，而且能夠進(jìn)行背光調(diào)節(jié)，使得液晶能夠在白天和夜晚都可以使用；LCD1602的驅(qū)動(dòng)時(shí)序較為簡單，只需要控制RS引腳以及DB0～DB78個(gè)引腳就可以實(shí)現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)使用LCD1602主要是顯示噪聲的方位信息以及相關(guān)提示信息。

圖6 液晶顯示模塊電路圖

（四）藍(lán)牙無線模塊

采用藍(lán)牙的無線通信方式進(jìn)行通信，傳輸速度可達(dá)1MBps，在250Kbs的情況下，傳輸?shù)木嚯x可以達(dá)到2公里。通信IC采用的是TI公司出品的CC2550。CC2540內(nèi)嵌了藍(lán)牙通信協(xié)議，對(duì)與單片機(jī)來說，其引出了TCD和RXD兩個(gè)端口來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，但是需要設(shè)計(jì)好通信為TTL通信電平標(biāo)準(zhǔn)。該部分電路圖如圖7所示。

圖7 無線模塊電路圖

（五）步進(jìn)電機(jī)模塊

步進(jìn)電機(jī)可用無反饋控制，并且具有能夠?qū)㈦娦盘?hào)和位移信號(hào)相互轉(zhuǎn)換的作用。位移信號(hào)包括了角度位移和距離位移。步進(jìn)電機(jī)在額定的工作方式下，受電平和驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率的影響。這款電機(jī)可以通過單片機(jī)進(jìn)行控制，可根據(jù)外部輸入的周期性電平，變換角度和位移。電路圖如圖8所示。

圖8 步進(jìn)電機(jī)接口電路

（六）光照模塊

光照模塊采用的是——由光感應(yīng)器件和外圍處理電路組成的，GY-30光照模塊傳感器。光敏電阻是對(duì)光照敏感的電子元器件，阻值隨著光照的變化而變化，當(dāng)?shù)陀谝欢ü庹斩葧r(shí)，傳感器模塊通過外圍電路的處理會(huì)輸出電位0，單片機(jī)檢測傳感器模塊輸出的低電位，即可實(shí)現(xiàn)光照控制窗簾的邏輯功能。光照模塊電路如圖9所示。

圖9 光照模塊電路

四、智能家居系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本次課題的編程語言運(yùn)用的是C語言，開發(fā)環(huán)境采用的是51系列單片機(jī)開發(fā)環(huán)境，即MDK for C51開發(fā)環(huán)境。這個(gè)開發(fā)環(huán)境能夠編譯連接生產(chǎn)hex文件，內(nèi)嵌許多輔助工具，因此生成代碼的效率很高，之后將代碼下載到單片機(jī)中，可以進(jìn)行功能驗(yàn)證與分析。

系統(tǒng)剛開始的時(shí)候首先執(zhí)行的是初始化操作，完成LCD1602的基本工作寄存器配置以及光敏驅(qū)動(dòng)ADC的模式設(shè)置，設(shè)置完成后將步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)模擬智能家居的窗簾為關(guān)閉狀態(tài)，同步開啟接收藍(lán)牙指令狀態(tài)，當(dāng)收到藍(lán)牙指令的時(shí)候能夠解析指令控制智能家居的窗簾開關(guān)情況，沒收到指令可以根據(jù)光照和濕度動(dòng)態(tài)控制智能家居中的窗簾工作狀態(tài)。整個(gè)程序被分為了多部分程序內(nèi)容，分別為主程序、LCD1602顯示程序、紅外程序和時(shí)鐘模塊驅(qū)動(dòng)程序等。整體運(yùn)用的是單元化編程思想。

五、系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)論

系統(tǒng)的界面布局美觀、簡潔、大方，整個(gè)系統(tǒng)操作起來簡便、靈活，并注重設(shè)計(jì)的實(shí)用、安全性。對(duì)于本課題設(shè)計(jì)的基于藍(lán)牙的智能家居控制系統(tǒng)，可在顯示屏能夠顯示濕度、溫度、控制信息等信息，通過濕度控制邏輯、光照控制邏輯、藍(lán)牙通信模塊、人體紅外傳感器采集的信息以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘信息的采集與校準(zhǔn)，從而控制窗簾的狀態(tài)，該系統(tǒng)簡捷智能，功耗低，達(dá)到精確到、協(xié)調(diào)、迅速的完成指定設(shè)計(jì)要求。根據(jù)多次測試，基于藍(lán)牙的智能家居控制系統(tǒng)能夠達(dá)到我們預(yù)期的目標(biāo)。