0 引 言

家庭生活是人們?nèi)粘Ｉ畹闹匾M成部分，如何搭建一個方便使用、高效率、低成本的智能家居系統(tǒng)，進而為人們提供一個方便快捷、舒適安全的家庭生活環(huán)境，是近來信息技術(shù)從業(yè)者研究的一個熱點問題。傳統(tǒng)的智能家居通信多采用有線方式，其缺點是布線繁雜、安裝成本高、系統(tǒng)升級困難、擴展性和移動性差。室內(nèi)常用的開關(guān)面板如圖 1 所示，由蓋板和翹板組成，按動翹板可以實現(xiàn)開關(guān)的通斷。該面板使用廣泛，若要進行智能化改造，必然需要改動原有墻體線路 [1-4]。

針對上述情況，本文提供一種簡單有效的開關(guān)面板無線控制方式如圖 2 所示。本體與基座采用螺釘連接，通過過盈配合罩扣在蓋板上。在本體中，以舵機為原動機，曲柄滑塊機構(gòu)為執(zhí)行部件，仿照手指按動翹板 ；控制系統(tǒng)采用基于藍牙技術(shù)的無線通信方式 ；整個裝置采用放置在電池倉中的可充電鋰電池供電。本裝置采用罩扣式安裝，安裝方便，不改動原有接線，不需要專業(yè)技術(shù)便可安裝，可隨時拆卸并更換安裝位置。

1 系統(tǒng)概述

本家居控制器采用低功耗的微控單元和無線通信模塊，這樣保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、低功耗和低成本 ；與無線通信模塊之間采用心跳鏈路工作模式，保證了設(shè)備響應(yīng)時效性。

系統(tǒng)工作時，以手機等智能終端作為上位機，利用藍牙功能發(fā)出指令，以單片機為核心的下位機，通過藍牙透傳模塊接收指令，經(jīng)處理后由數(shù)字引腳發(fā)出控制信號使機械結(jié)構(gòu)完成開關(guān)動作。系統(tǒng)采用電池供電，為避免電池的快速消耗，下位機在與上位機連接后，如果在單位時間內(nèi)沒有接收到有效指令，則進入休眠狀態(tài)。由單片機內(nèi)置定時器定期喚醒，發(fā)送一個同步幀至上位機，上位機接收到同步幀之后才會進行有效的數(shù)據(jù)交流，使執(zhí)行終端從休眠模式轉(zhuǎn)入工作模式執(zhí)行任務(wù)，系統(tǒng)執(zhí)行完后繼續(xù)休眠以節(jié)省電量。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖 3 所示 [5-7]。

2 硬件選型

單片機模塊采用 Arduino Nano，它是一種基于 ATMEGA328P 的小型單片機集成板，有 16 KB 的閃存用于存儲代碼。Arduino Nano 上的 14 個數(shù)字引腳都可以用作輸入或輸出，可以使用 pinMode（），DigalWrite（） 和 DigalRead（） 函數(shù)進行操作，每個引腳工作電壓為 5 V，驅(qū)動電流為 40 mA，并有內(nèi)部上拉電阻，A6，A7 針腳可以讀取模擬信號用來監(jiān)控電源模塊。ATMEGA 328P 有 8 種節(jié)電設(shè)置，SLEEP 指令可以使 MCU 進入掉電模式，降低功耗。另外，該集成板具有 UART 串行通信引腳，可用于接收和發(fā)送 TTL 串行數(shù)據(jù)。

藍牙通信在生活中的應(yīng)用非常廣泛，大多數(shù)無線設(shè)備支持此功能。本設(shè)計中藍牙模塊采用 HC-05 藍牙透傳模塊，其優(yōu)點是體積小巧、貼片生產(chǎn)、穩(wěn)定性好、易嵌入。HC-05 采用了 CSR 主流藍牙芯片，藍牙 V2.0 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，輸入電壓為3.6 ～ 6 V，可設(shè)置多種波特率，空曠地有效距離為 10 m，能滿足室內(nèi)使用?？梢耘c各種帶藍牙功能的電腦、藍牙主機，以及大部分帶藍牙的手機、PDA 等智能終端配對。其模塊上引出接口，包括 VCC，GND，TXD，RXD。調(diào)試時可以采用 AT 指令設(shè)置通信參數(shù)，藍牙模塊發(fā)送端 TXD，接Arduino Nano 上的 RXD 引腳 ；藍牙模塊接收端 RXD，接Arduino Nano 上的 TXD 引腳。

電源模塊為可充電電池供電，用于向執(zhí)行裝置提供工作電源。本系統(tǒng) 24 h 連續(xù)工作過程中，處于低功耗休眠狀態(tài)，無線接收模塊周期性喚醒，以激活系統(tǒng)進行工作，進一步降低了能耗，提高了系統(tǒng)可靠性。

電機驅(qū)動模塊采用 MG996R 舵機，以舵機為原動機的機械裝置可以實現(xiàn)對開關(guān)面板的按動操作。MG996R 舵機質(zhì)量輕，響應(yīng)速度快，控制精度適中，工作電壓為 4.8 ～ 7.2 V，可以與 MCU、藍牙模塊共用電源。

下位機硬件框圖及實物如圖 4 所示。

3 軟件設(shè)計

軟件部分主要是應(yīng)用計算機編程語言設(shè)計應(yīng)用程序?qū)Ω黝愋盘栠M行處理計算，最終實現(xiàn)對硬件的控制。本系統(tǒng)需要在軟硬件協(xié)同工作實現(xiàn)對開關(guān)的遠程控制，分為上位機軟件和下位機軟件。上位機軟件是安卓移動端 APP，用戶通過APP 發(fā)送指令 ；下位機軟件在 Arduino Nano 中，用于接收指令驅(qū)動舵機。

3.1 上位機 APP 設(shè)計

以 Android 系統(tǒng)為例，系統(tǒng)中上位機與下位機之間由藍牙通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，上位機部分主要功能為 ：打開應(yīng)用程序時，與對應(yīng)的下位機藍牙模塊建立連接，將指令通過藍牙功能發(fā)送至下位機的藍牙模塊。啟動 APP 后，系統(tǒng)首先會判斷是否支持藍牙，如圖 5（a）所示 ；確認支持后再判斷藍牙狀態(tài)，此時應(yīng)使藍牙功能處于打開狀態(tài)，并掃描搜索附近藍牙設(shè)備，如圖 5（b）所示 ；完成與硬件采集設(shè)備的匹配連接，連接成功后跳轉(zhuǎn)到操作界面進行數(shù)據(jù)的傳輸，如圖 5（c）所 示。本系統(tǒng)使用安卓 Eclipse 設(shè)計了一款手機 APP，使用方便，調(diào)試難度低。

3.2 下位機程序設(shè)計

下位機部分主要通過藍牙模塊接收指令，并驅(qū)動舵機旋轉(zhuǎn)指定角度等動作，故單片機的程序設(shè)計較為簡單。

程序首先對 Arduino Nano 的引腳、串口波特率等進行初始化設(shè)置，將通信模塊設(shè)置為接收狀態(tài)，并使 Arduino Nano進入低功耗模式。當(dāng)接收到正確數(shù)據(jù)后產(chǎn)生中斷，對外圍電路開始供電，系統(tǒng)各模塊反饋信息給 Arduino Nano。而后Arduino Nano 退出低功耗模式，對數(shù)據(jù)進行處理，一方面驅(qū)動舵機，另一方面通過藍牙串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。數(shù)據(jù)發(fā)送完成后再次進入低功耗模式。

使用 Arduino Nano 編寫藍牙通信程序簡單快捷，完成串口通信波特率（本文采用 9 600 b/s）等參數(shù)初始化設(shè)置后，利用 Serial.read（）函數(shù)讀取藍牙模塊傳入的數(shù)據(jù)，根據(jù)讀到的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的動作。由于開關(guān)只有兩種狀態(tài)，本文中，若藍牙模塊收到數(shù)據(jù)“1”，則舵機旋轉(zhuǎn)到 0°，然后返回到20° ；若讀到數(shù)據(jù)“2”，則舵機旋轉(zhuǎn)到 40°，然后返回到20°。需要注意，這里的“1”和“2”是由上位機 APP 中的設(shè)定而決定，Arduino Nano 程序中的設(shè)定與上位機 APP 端的編碼必須一致。Arduino Nano 串口通信程序如下 ：

值得注意的是，組建系統(tǒng)之前需要用 AT 指令對 HC-05藍牙模塊進行設(shè)置，包括藍牙名稱、波特率、配對碼等參數(shù)。另外，系統(tǒng)軟件設(shè)計時應(yīng)采用模塊化設(shè)計思想，這樣有利于系統(tǒng)調(diào)試，而且便于在項目間進行移植。

4 結(jié) 語

通過以上軟硬件構(gòu)成的一系列的接收、觸發(fā)動作，可以較為理想地手動與電動控制開關(guān)。舵機驅(qū)動的機械機構(gòu)運行在指定位置按動翹板后，立即自動返回至初始位置以釋放翹板，解決了手動與電動兼具的問題。無線通信裝置接收到移動終端發(fā)來的指令信號，通過其內(nèi)置的應(yīng)用軟件，根據(jù)開或關(guān)的動作指令控制機械結(jié)構(gòu)，行進一定的距離按動翹板，以達到本裝置的應(yīng)用目的 [2,8-9]。

該系統(tǒng)充分利用藍牙通信的廣泛性和智能終端的便捷性，安裝簡單，無需布線，無用電隱患，通過合理布置，可以將整個室內(nèi)的開關(guān)組網(wǎng)控制。對系統(tǒng)的軟硬件進行改裝，能夠?qū)崿F(xiàn)其他電器的無線控制組網(wǎng)功能，可廣泛應(yīng)用在不便于布線改線的居家辦公場合，具有一定的實用價值。