基于藍(lán)牙通信的智能鎖的設(shè)計(jì)

韓偉 國際關(guān)系學(xué)院

1 智能鎖的研究內(nèi)容

基于藍(lán)牙通信的智能鎖系統(tǒng)是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核嵌入式處理器和藍(lán)牙串口傳輸協(xié)議，利用藍(lán)牙傳輸控制來實(shí)現(xiàn)一種體積小、功耗低、控制靈活、壽命長的智能鎖系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合了單片機(jī)嵌入式技術(shù)和無線傳輸技術(shù)，利用手機(jī)終端來對鎖頭的開關(guān)進(jìn)行控制，操作簡單，應(yīng)用廣泛，過程安全。

該設(shè)計(jì)選用STM32單片機(jī)作為系統(tǒng)主控芯片，由藍(lán)牙傳輸模塊、鎖終端及繼電器模塊、升壓模塊、手機(jī)APP終端模塊等組成。藍(lán)牙模塊采用HC-05主從機(jī)一體藍(lán)牙模塊來進(jìn)行單片機(jī)和手機(jī)終端的通信；鎖終端采用電子門禁12V/24V小型電控鎖；繼電器模塊采用1路5V繼電器模塊帶光耦隔離繼電器；升壓模塊采用一款4A開關(guān)電流的高性能升壓（BOOST）模塊。整個(gè)系統(tǒng)成本低、穩(wěn)定性高、耗電少。

在使用時(shí)，可首先對藍(lán)牙模塊進(jìn)行配置，配置好它的波特率和連接密碼，電源供電后，可用上位機(jī)軟件進(jìn)行連接，首先輸入藍(lán)牙密碼進(jìn)行連接，連接完成后，輸入特定指令，上位機(jī)發(fā)送給藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊再將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過運(yùn)算處理后通過IO引腳來控制繼電器的開斷，從而控制鎖的開關(guān)。同時(shí)命令執(zhí)行完成后，通過藍(lán)牙傳輸向上位機(jī)返回執(zhí)行操作的信息。用戶交互界面較為友好、系統(tǒng)穩(wěn)定、耗電量低、安全性高、便捷性高，可滿足用戶的需要。

2 智能鎖的整體設(shè)計(jì)

2.1 整體架構(gòu)

基于藍(lán)牙通信的智能鎖的總體設(shè)計(jì)由五大模塊組成：單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、藍(lán)牙模塊、繼電器模塊、升壓模塊、上位機(jī)模塊。

其總體設(shè)計(jì)可分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)：硬件設(shè)計(jì)主要是各功能模塊的選取和電路圖的設(shè)計(jì)和連接，軟件設(shè)計(jì)主要是單片機(jī)程序的編寫和上位機(jī)APP程序的編寫。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）主控芯片:主控芯片采用STM32系列的STM32F103RCT6單片機(jī)。STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用而專門設(shè)計(jì)。STM32F103RCT6的內(nèi)核為ARM 32位的Cortex-M3 CPU，最高72MHz工作頻率，多達(dá)80個(gè)快速I/O端口，多達(dá)3個(gè)USART接口，具有睡眠、停機(jī)和待機(jī)模式，VBAT為RTC和后備寄存器供電。由于該芯片I/O端口和USART接口豐富，工作頻率高，具有很好的實(shí)時(shí)性，同時(shí)功耗極低，芯片工作狀態(tài)穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，故用此芯片。

（2）藍(lán)牙模塊：藍(lán)牙模塊采用HC-05主從機(jī)一體藍(lán)牙模塊，當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備與藍(lán)牙設(shè)備配對連接成功后，我們可以忽視藍(lán)牙內(nèi)部的通信協(xié)議，直接將將藍(lán)牙當(dāng)做串口用。當(dāng)建立連接，兩設(shè)備共同使用一通道也就是同一個(gè)串口，一個(gè)設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到通道中，另外一個(gè)設(shè)備便可以接收通道中的數(shù)據(jù)。HC-05藍(lán)牙模塊適用于各種3.3V的單片機(jī)系統(tǒng)，模塊可以使用AT指令設(shè)置波特率配對、密碼用戶信息等。HC-05模塊是一款高性能的 藍(lán)牙串口模塊，可用于各種帶藍(lán)牙功能的電腦、藍(lán)牙主機(jī)、手機(jī)、PDA、PSP等智能終端配對，它的波特率范圍4800~1382400，并且模塊兼容5V/3.3V單片機(jī)系統(tǒng)。當(dāng)主從模式兩個(gè)藍(lán)牙模塊配對成功后，可以簡單的取代以前的串口線通訊的應(yīng)用 ，更改為無線的藍(lán)牙。

（3）繼電器模塊：繼電器模塊采用1路5V繼電器模塊帶光耦隔離繼電器，由高電平觸發(fā)，模塊帶光耦隔離，觸發(fā)更可靠，更穩(wěn)定；具有電源和繼電器動(dòng)作指示，吸和亮，斷開不亮；信號輸入端有高電平信號時(shí)，公共端與常開端會導(dǎo)通；繼電器可以直接控制各種設(shè)備和負(fù)載；有一個(gè)常開和一個(gè)常閉觸點(diǎn)；繼電器觸點(diǎn)容量：250V 10A（AC）或30V 10A（DC）（理論最大負(fù)載能力）。

（4）鎖頭：鎖模塊采用電子門禁12V/24V小型電控鎖，由純銅線圈繞制，體積小巧，質(zhì)量穩(wěn)定，經(jīng)久耐用，使用壽命長達(dá)50萬次以上，鎖舌方向可以隨意更改，可選DC12V/DC24V，工作電流：800mA。本模塊內(nèi)置全銅線圈，通電開鎖，為瞬間通電，耗電省，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，使用成本低，體積小、重量輕、適用性強(qiáng)。

（5）升壓模塊：于系統(tǒng)供給電壓為5V，而鎖模塊的開啟電壓為DC12V/DC24V,，所以需要使用升壓模塊來對鎖模塊進(jìn)行供電，本設(shè)計(jì)升壓模塊采用DSN6009，DSN6009 是一款4A開關(guān)電流的高性能升壓（BOOST）模塊。該模塊使用第二代高頻開關(guān)技術(shù)的XL6009E1為核心芯片，成本低，性能卓越。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）單片機(jī)總體軟件實(shí)現(xiàn)：單片機(jī)總體程序的執(zhí)行流程為：先進(jìn)性系統(tǒng)的初始化（包括時(shí)鐘的初始化、引腳的初始化、繼電器的初始化、串口的初始化）。首先關(guān)閉繼電器的開關(guān)，然后配置串口的波特率和中斷，然后系統(tǒng)不斷進(jìn)行循環(huán)檢測是否接受到藍(lán)牙發(fā)送過來的信息，若發(fā)送的信息為之前預(yù)設(shè)命令，則單片機(jī)進(jìn)行一系列處理，改變引腳的電平從而控制繼電器的開關(guān)，進(jìn)而控制鎖頭的開關(guān)，若不是，則繼續(xù)進(jìn)行檢測。

（2）Android上位機(jī)程序：上位機(jī)程序直接使用藍(lán)牙串口APP，藍(lán)牙串口是藍(lán)牙SPP(串口)通信工具，它可以連接任何支持串行端口模式的藍(lán)牙設(shè)備(如手機(jī)、單片機(jī)等)。藍(lán)牙串口可以搜索藍(lán)牙設(shè)備，支持藍(lán)牙客戶端和藍(lán)牙服務(wù)器模式，有鍵盤視圖，可以自定義按鍵，可以設(shè)置為ASCII或HEX顯示模式等等。

3 結(jié)論

本設(shè)計(jì)以應(yīng)用為目的，設(shè)計(jì)了一款符合時(shí)代發(fā)展潮流的有利于提高人們對家庭安全和便捷需要的一款嵌入式類型產(chǎn)品，本應(yīng)用涉及的知識廣泛，從底層到高層，需要掌握的有：PCB繪制和原理圖設(shè)計(jì)、單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外設(shè)、Crotex-M3內(nèi)核、藍(lán)牙通信知識、通信協(xié)議、C語言、Java語言、Android編程等。

嵌入式及物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，使以智能鎖為代表的智能家居行業(yè)迅速火熱，該設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)為主控芯片，手機(jī)APP為終端，藍(lán)牙模塊為通信橋梁，是一種具有巨大市場前景的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)具有很好的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，隱蔽性強(qiáng)，續(xù)航能力強(qiáng)，安全性高，是未來智能家居發(fā)展的趨勢之一。

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