智能蓝牙插座设计要点

2015届本科毕业论文（设计）智能蓝牙插座设计

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智能蓝牙插座设计

摘要

随着现代通信技术的不断进步，蓝牙技术作为短距离通信技术的一种，逐渐应用于人们的日常生活中。本文研究的是基于手机蓝牙的智能插座设计，主要是基于安卓智能手机，借助于智能手机的应用程序通过手机蓝牙控制插座电源的开关、定时开关、显示时间等。设计方案主要包括插座硬件电路设计和软件程序设计两部分。本设计为插座的无线控制提供了一种方案，也给设计其它智能家居无线控制提供借鉴意义。

关键词：蓝牙、智能手机、智能插座

Smart Bluetooth socket design

Abstract

With the advances of modern communications technology, Bluetooth technology as a short-range communications technology, increasingly used in people's daily lives.This paper is based on the smart phone Bluetooth socket design is mainly based on Android smartphones, by means of smart phone applications via mobile phone Bluetooth control socket power switch, timer switch, display time.Design includes socket hardware circuit design and software design in two parts.The design for the socket wireless control provides a program, but also to design other smart home wireless control provides reference.

Keywords: Bluetooth；smart phones；smart socket

目录

绪论 (1)

1 课题的研究背景及发展现状 (1)

1.1 研究背景 (1)

1.2 智能插座的发展现状 (1)

1.3 智能插座的发展前景 (2)

2 系统设计方案 (2)

2.1蓝牙插座设计实现 (3)

2.2蓝牙技术介绍 (3)

2.3单片机的选择 (4)

2.4显示模块LCD1602 (4)

3 硬件电路设计 (5)

3.1电源转换模块 (6)

3.2 蓝牙模块 (6)

3.3 复位模块 (7)

3.4 时钟电路模块 (8)

3.5 LCD显示模块 (8)

3.6继电器模块 (9)

4系统调试 (9)

4.1手机蓝牙和蓝牙模块间的信息传输 (9)

4.2蓝牙串口模块和单片机间通信 (10)

5 软件程序设计 (10)

5.1远程控制插座开关 (10)

5.2 定时通断设置 (11)

5.3 智能插座的时间显示 (12)

6结论 (12)

参考文献 (14)

致谢 (16)

附录 (17)

附录Ⅰ硬件电路图 (17)

附录II 程序 (18)

绪论

智能插座是智能家居系统中很重要的基础部件。智能家居融合了自动化控制系统、计算机网络系统和网络通讯技术等。将各种家庭设备如家用电器、灯光照明、家庭安防保护、网络家电等通过智能家居系统实现自动化控制。

本文设计的是通过智能手机上的蓝牙来控制电源插座的通断。从而间接控制插座上所连接的家电设备。采用这种方案能够满足用户远程遥控，定时开关，显示时间等诸多需求。而且部署简单，操作方便，用户接受度高。

1 课题的研究背景及发展现状

1.1 研究背景

智能插座作为智能家居系统中的一个基础性部件，它的发展是和智能家居的发展息息相关的。智能家居的概念最早是由美国住宅建筑商协会下属的研究中心于上个世纪80年代初提出的。

除了大而全的智能家居系统，还有许多独立型的智能家居产品。比如Nest 的智能温控器和智能烟雾探测报警器，Heliox科技的智能挂锁TEO。随着物联网科技的不断发展和智能手机的普及，这种独立型的智能家居产品有很大的优势。

Nest智能温控器由iPod之父Tony Fadell创办的智能家居公司推出，是针对美国的家庭空调系统使用的，可以通过智能手机上的App操作，Nest温控器可以根据用户调节温度的习惯，然后从中找到规律自动进行温度调节，极大的降低了能源的消耗，而烟雾和一氧化碳探测器则可以保障家庭成员的人身安全。它们的外形小巧，使用简单，受到了家庭用户的极大欢迎。

智能挂锁TEO通过低功耗蓝牙技术与手机App相连，通过App就能实现开锁的动作TEO是一把弹簧式挂锁，坚固且内部构件紧凑，由加利福尼亚纽瓦克的生产商Heliox科技组装完成，设计由温哥华公司Form3完成，外形小巧，拥有多种颜色可选。作为一把智能挂锁，不仅能够通过自己的手机端开。而且可以通过App将权限分享给指定安装了TEO的人。其他人就可以打开这把锁了。比如你出差在外地，你的同事需要你抽屉里的一份文件。你就可以通过TEO远程操控进行授权。你的同事就可以开锁。极大的方便了生活的日常使用。

1.2 智能插座的发展现状

智能插座作为智能家居系统中的基础性部件，根据市场推出的产品来看，主要分为以下几类：

(1)漏电保护型智能插座。该类插座具有漏电保护，超出最大电流自动断电

等功能。当发现漏电超过阀值，也会立刻切断供电电源。同时在输入电压过高、用电负荷异常时自动切断电源，以保护用电器。

(2)计量型智能插座。该类插座的功能类似于单相多功能电表。该类插座一般配有按键和LCD屏。可以用来计量插座上用电设备的电压、电流、功率、电能等参数。

(3)定时型智能插座。这种插座具有定时通电功能，可以分时为用户供电，从而节省用电。该类插座一般具有时钟功能。

(4)主路控制型插座。这种插座一般只有一个主路，其他都为辅路，比如电脑主机断电后，检测出主电路无电流，就会切断辅路上其他用电器的供电，如显示器、音响，从而减少待机功耗，节省用电[1]。

(5)遥控型智能插座。该插座中的每一路的开关都需要一个无线遥控器。进行远程控制。插座与遥控器之间的信息传输方式有无线电和红外线等。

从上面介绍的智能插座类型可以知道，虽然比传统的插座多了一些自动处理功能。但产品的功能比较简单，很难满足生活中的实际需要，无法达到智能家居控制系统应用的要求。

1.3 智能插座的发展前景

随着智能家居的不断发展，智能插座也慢慢普及开来，成为人们日常生活中必须的产品。极大地给工作、学习、娱乐带来了方便。利用单片机设计的智能插座具有价格便宜、携带方便、性能稳定的优点。

2 系统设计方案

为满足现实中用户的需求，需要设计出新型的智能插座。其必须具有智能化、信息化的特点。除具有基本的电源分配功能外，还应该具备以下功能：（1）过载及漏电保护功能。当用电器超出预设阈值时，自动切断电源，以实现对家用电器及线路的保护。

（2）远程控制功能。结合蓝牙串口、WIFI等通信模块实现近距离或远距离的自动化控制。实现远程实时打开或关闭家用电器。

（3）定时预约功能。可利用按键输入定时时间，使智能插座在某一时间节点时打开或关闭电源。如：利用按键设置开电源定时时间1小时，关电源定时时间2小时。则在设置定时1小时之后主控器会自动控制开继电器，在设置定时2小时后。主控器会自动控制开关继电器，以实现供电电源的定时功能。

而本文设计的是蓝牙型智能插座，通过手机上的蓝牙发送开关信号给插座上的蓝牙模块，通过单片机控制继电器，实现插座电源实时的开关和定时开关。也可以通过按键设置时间使插座定时开关。

2.1蓝牙插座设计实现

图2-1 蓝牙智能插座方案示意图

本方案采用蓝牙作为插座与手机的通信方式，包括插座硬件和手机应用程序两部分，具有近距离遥控功能。本方案适用于家庭小范围近距离或者没有其他传输方式的环境下使用，安全性较高，目前只支持Android手机。在实际使用过程中，首先打开手机上的“蓝牙串口调试助手”应用程序，通过蓝牙搜索与配对，完成手机与插座之间的连接；然后使用手机软件上的开关按键来对插座进行即时开关。也可以让插座定时进行开关通断。目前所有的Android智能手机都自带蓝牙功能，使用手机蓝牙和智能插座上的蓝牙模块进行通信，具有使用简单、安全性好、适配性好、价格便宜等优点。

2.2蓝牙技术介绍

蓝牙技术最早由爱立信公司于1994年创始，是至今为止在短距离通信技术中，应用最为广泛和普及的技术之一。1998年爱立信联合英特尔、诺基亚、IBM、和东芝等公司创立了蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG），之后制定了第一版和第二版技术规范，即基本速率(BR)和增强数据速率(EDR);2009年和2010年发布了技术规范的第三版和第四版，引入了高速(HS)和低功耗(LE)蓝牙技术规范，进一步拓展了Bluetooth的应用场景。最新发布的蓝牙规范4.0版[2]，该规范实际上有3部分组成—传统蓝牙（包括BR/EDR）、高速蓝牙（HS）以及新的低功耗蓝牙（LE）技术。与传统蓝牙相比，蓝牙4.0功耗降到极低水平。可以凭借一枚纽扣电池可待机数月甚至数年，启动速度降低到3ms，室内传输距离可达10-50米。随着蓝牙4.0版本的发布，对可穿戴设备和智能家居的发展有很大的促进。其中蓝牙核心规范层主要规定蓝牙设备必须实现的通用功能和协议层次。由软件模块和硬件模块组成。两个模块之间的信息和数据需要借助主机控制接口(HCI)的解释，才

能进行传递。

蓝牙协议包括核心协议层、替代电缆协议层、电话控制协议层和选用协议层。蓝牙的核心协议有[3]：基带、链路管理、逻辑链路控制与适应协议和服务搜索协议等4部分组成。蓝牙协议栈中还应包括二个接口：一个是主机控制接口(HCI),用来为基带控制器、链路控制器以及访问硬件状态和控制寄存器等提供了命令接口；另一个是与基带处理部分直接相连的音频接口，用以传递音频数据[4]。

2.3单片机的选择

本设计使用的单片机选择了Intel生产的AT89S51型单片机，该单片机的基本参数如下：4k Bytes Flash片内程序存储器；128 bytes的随机存取数据存储器（RAM）；32个外部双向输入/输出（I/O）口；2个中断优先级、2层中断嵌套中断；5个中断源；2个16位可编程定时器/计数器；2个全双工串行通信口；看门狗（WDT）电路；片内振荡器和时钟电路；与MCS-51兼容；全静态工作：0Hz-33MHz；3级程序存储器保密锁定；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式。

本设计的硬件电路主要使用单片机的引脚功能如下：

VCC：电源电压输入端。

GND：电源地。

P0口：一组8位漏极开路型双向I/O口。也即地址/数据总线复用口。在外接片外存储器或扩展I/O时，P0口分时复用为低8位地址总线和双向数据总线[5]。

P3.0 RXD（串行输入口）。

P3.1 TXD（串行输出口）。

RST：复位输入端，高电平有效。

XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。

XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端。

EA/VPP：外部程序存储器访问允许。

2.4显示模块LCD1602

本设计选用LCD1602作为液晶显示模块。它是专门显示数字、符号、字母等的一种工业字符型液晶模块，能够显示16*2个字符。显示器把LCD控制器、点阵驱动器、字符存储器集成在一起。有低功耗、体积小、显示内容丰富、轻巧，使用起来非常方便，显示界面清晰。本设计需要显示的是系统时间和定时计时。引脚图如图2-2所示。

图2-2 LCD1602引脚图

1602采用标准的16引脚，其引脚功能如表2.1所示：

表2.1 1602各引脚功能

引脚名称功能

1 VSS 接地端

2 VCC 接+5V电源

3 V0 液晶显示器对比度调整端

4 RS 寄存器选择，高电平选数据寄存器，低电平选指令寄存器

5 RW 读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作

6 E 使能端

7-14 RB0-RB7 8位双向数据端

15 BLA 背光正极

16 BLK 背光负极

3 硬件电路设计

蓝牙插座的硬件部分的结构框图如图3-1所示，主要分为以下几个模块，分别是：电源转换模块、蓝牙串口模块、单片机模块、LCD显示模块、继电器模块。智能插座的硬件电路工作方式如下：电源转换模块将220v交流电转换成5v 直流电，单片机获得稳定电压进行工作。当蓝牙模块接收到安卓手机上发来的定时开关指令后后，经过时钟电路进行时间的校对，通过I/O口控制继电器进行开关操作。从而实现插座和其他用电器的开关。

51单片机模块蓝牙串口模块

按键继电器模块

LCD

显示

电源转换模块时钟电路220V

火线

零线

插孔

图3-1 智能蓝牙插座系统结构

3.1电源转换模块

电源转换电路的主要作用是为51单片机及其外部电路提供稳定的工作电源。由于单片机及其外围电路的工作电源需要+5V ，因此需要将220V 交流电转换成5V 直流电。目前的交流电转换低压直流的方案主要有三种[6]：开关电源模块方案，阻容降压方案和变压器降压整流滤波方案。本设计采用的是先经过变压器降压在整流滤波来实现电源的转换。

220V 交流电经过变压器转变为9V 交流电。经过单相桥式整流电路、电容滤波电路、稳压器78L05组成的稳压电路。输出所需的5V 直流电，供给整个电路使用。直流电源电路原理图如图3-2所示。

图3-2 直流稳压电源转换电路

3.2 蓝牙模块

蓝牙通信模块是整个智能插座硬件的电路和外界交流的渠道。单片机通过蓝牙通信模块，与Android 手机上的“蓝牙调控串口助手”之间进行指令和数据的接收与传输。蓝牙通信模块一般以串12的形式跟单片机连接[7]，因此又称为蓝牙串口模块，蓝牙模块按功能可以分成三类：主机模块、从机模块、主从一体模块。主机模块是只能在设置从机模块时和从机模块连接。从机模块主要是主机模块或者 PC 的蓝牙适配器PDA 蓝牙手机进行通讯。这里选用的是广州汇承信息

科技公司生产的HC-06蓝牙串口从机模块。该模块引出VCC、GND、TXD、RXD4根引脚。该模块上带有蓝牙指示灯，连接成功后常亮。

蓝

牙串口模块

单

片

机

RXD

RXD

TXD

TXD

GND GND

VCC

VCC

图3-3 蓝牙串口模块和单片机连接图

HC-06蓝牙串口模块采用的是CSR蓝牙芯片，支持蓝牙核心规范2.0，输入电压为3.3V-6V，有效传输距离为10米。在未建立蓝牙连接时，可以使用AT指令设置波特率、设备名称、配对密码等；配对连接成功后，蓝牙串口模块就像一个普通的全双工串口一样，默认设置为9600波特率、8位数据位、1位停止位、无奇偶校验。蓝牙通信模块与单片机的电路连接如图3-3所示。

3.3 复位模块

单片机的复位主要是由外部的复位电路实现。复位电路一般有上电、按键两种形式。第一种形式是由单片机外的复位模块中的电容充电完成的。除了第一种复位形式之外还有另一种即按键复位。其能实现的作用是：在整个系统用第一种形式完成复位时，等到结构模块的电源稳定后，结束复位。为了使系统稳定度更加可靠，在结构模块的电源信号不再波动的情况下经过一段必要的延时后结束复位，用以避免电源开关在动作的过程中产生抖动而影响复位。在一般的上电复位电路中，包括电阻

R和电容C以及开关K等器件。连接方式如下图3-4所示。

图3-4 复位模块示意图

3.4 时钟电路模块

时钟模块为智能插座提供精确的实时时间信息。可以提供秒、分、时、日、星期、月、年等数据。确保了智能蓝牙插座的定时功能能够准确运转。并且能在插座电源断开时继续精准的显示时间。这里选择使用的是DS1302实时时钟芯片。

DS1302是一种使用广泛的高性能、低功耗的实时时钟芯片。能够准确的提供年月日时分秒的时间信息，并且能够自动调整月的天数和闰年的天数。它的工作电源电压是2.0V-5.5V，双电源供电模式，可以设置纽扣电池作为备用电源。时钟芯片上有31字节的RAM用于数据存储。通过SPI三线接口与单片机进行通信。它和单片机的电路连接如图3-5所示。

图3-5 时钟芯片和单片机连接电路示意图

其中RST口是接收使能信号，在读写过程中必须拉高；I/O口是双向传输数据信号；SCLK口是接收串行数据的同步脉冲信号。X1口和X2口之间外接一个标准的32.768kHz的石英晶振。Vcc1为主供电电源，Vcc2为备用电源（由纽扣电池提供）。当Vcc1大于Vcc2+0.2V时，由Vcc1驱动时钟芯片。当Vcc2大于Vcc1时由Vcc2驱动时钟芯片。

3.5 LCD显示模块

LCD显示模块采用1602液晶，能够显示16*2个字符。由于该系统主要通过时钟芯片DS1302进行精确定时，实现一个和真实时间同步的系统时钟。一共三个按键，一个位选键，一个增加键，一个减小键。按键电路保障了系统时间的可调，保障了定时通断的精确性。如图3-6所示。

图3-6 LCD显示及按键电路

3.6继电器模块

继电器是一种根据某种输入信号（电量或者非电量）的变化[6]，接通或者断开控制电路，从而实现自动控制和保护电力拖动装置的电器。继电器选用5V控220V 10A 的电磁继电器，其VIN和GND脚分别与电源的VCC和GND脚相连使用过程中，单片机I/O脚输出的脉冲经过光耦隔离后连到继电器的逻辑输入脚IN继电器的另一端接入插座的220V火线。当单片机给出信号时才连通火线其余时间都断开火线连接。

4系统调试

4.1手机蓝牙和蓝牙模块间的信息传输

手机蓝牙和蓝牙串口模块之间想要实现信息数据的传输，需要经过以下设置调试：

（1）设置蓝牙串口模式。将蓝牙模块连接到单片机开发板后，通过USB连接到PC机，给模块进行上电。蓝牙模块上的LED灯会常亮几秒后熄灭往复循环，说明模块进入命令设置状态。打开电脑端的“蓝牙测试”软件，点击搜索端口，搜索成功后在软件内输入配置的信息。主要信息配置设置为：修改名称，连接密码设置为“1234”。通信波特率选择9600。设置完成后，进行保存。

（2）手机和蓝牙串口模块连接。打开手机上的“蓝牙串口助手”，点击查找设备，输入密码连接到蓝牙串口模块。打开串口调试软件，选择串口号2 和波特率9600，数据位8位，停止位1位，校验位和数据流控制都是none。

进行上述设置后，就可以安照蓝牙规范的HCI数据分组格式收发数据信息，就可以实现手机蓝牙和蓝牙串口模块间的通信。