基于蓝牙模块的智能家居网络设计

青岛理工大学毕业设计（论文）摘 要随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，人们越来越注重自己生活环境的舒适、安全与便利。近年来兴起的智能家居系统满足了人们的这种需求，它有效地在家居环境中组建家庭信息网络，将各种家电产品结合成一个有机整体，对家电设备进行集中或异地的智能化控制与管理，并且能够与外界进行信息交流。蓝牙技术作为一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，可提供低功耗、短距离的无线空中接口，在各种固定与移动设备之间实现无线通信。在移动通信、无线数据采集、无线遥控与遥测、计算机网络及自动控制等多种领域，蓝牙技术都有着广泛的应用。应用设计的蓝牙软硬件接口，本文开发了一个基于蓝牙模块的智能家居控制系统，在该系统中，上位机端通过 USB 控制蓝牙适配器，其发送的控制指令由下位机端蓝牙模块接收后传给单片机，并在单片机端编写了一个基本的蓝牙及模拟家电控制程序，从而实现了 PC 与模拟家电的无线控制功能。本文提供的蓝牙软硬件接口方案及数据传输模块，不仅可以用来进一步开发蓝牙高层协议，而且还可作为通用的接口函数和模块应用到多种无线场合。关键字：蓝牙技术；智能家居；蓝牙模块青岛理工大学毕业设计（论文）IABSTRACTWith the development of science and technology, and the improvement of peoples living standards, people are paying more and more attention to the comfortablity, safety and convenience of their living environment. The emergence of smart home system in recent years, just meets the needs of people. It effectively constitutes appliances into a home information network and makes all kinds of appliances combined into an organic whole. It can intelligently control appliances locally or remotely, and exchange information with the outside world.As a globally open wireless data and speech communication specification Bluetooth technology can provide low-power、short distance wireless air interface and implement wireless communication between various fixed and mobile equipmentsBluetooth technology has a wide range of applications in mobile communications， wireless data collections， wireless remote control and sensing Computer network and automatic control and other areasUsing the bluetooth hardware and software interface designed，This paper developed an smart home furnishing control system based on Bluetooth moduleIn the system，The PC side is controlled by USB bluetooth adapterIts control instruction is received by the lower end of Bluetooth module which sent it to the micro controller. A basic bluetooth and home appliance control simulation program was prepared in the MCU. So,the system can realize wireless control function of PC and simulation of electrical appliances .And then，data can be transmitted between the two partsAfter that，a further development which is file transmission is implementedKeywords: Bluetooth technology; smart home; Bluetooth moudule 青岛理工大学毕业设计（论文）2目 录前 言 .1第一章 绪 论 .21.1 课题研究背景.21.2 智能家居的发展状况.21.3 未来智能家居的发展趋势.31.4 研究的目的和意义.31.5 课题研究的内容.4第二章 蓝牙技术介绍 .52.1 蓝牙系统组成.52.2 蓝牙协议栈.62.3 蓝牙控制器接口(HCI)分析.62.3.1 HCI 概述.62.3.2 HCI 传输层.72.3.3 HCI 分组格式.8第三章 设计方案及模块介绍 .103.1 蓝牙家居控制系统组成结构.103.2 主要硬件模块介绍.10第四章 系统硬件设计 .144.1 下位机模块设计.144.2 PC 机与蓝牙模块的连接 .164.3 单片机与家用电器的连接.174.3 系统电源模块原理图 .17第五章 系统软件设计 .195.1 单片机端软件设计.195.2 PC 端软件设计 .24第六章 系统测 试与分析 .29结 论 .31致 谢 .32参考文献 .33附 录 .34青岛理工大学毕业设计（论文）3第三章 设计方案及模块介绍3.1 蓝牙家居控制系统组成结构基于蓝牙技术的智能家居系统，其硬件组成主要包括蓝牙模块、MCU、PC 及受控设备等组成。总体构成如图 3.1 所示。结构框图中前半部分为中心控制部分，主要由PC 机、蓝牙无线收发模块组成；后半部分为多个受控单元，主要由受控电器、单片机、蓝牙模块组成。 在受控单元中，蓝牙模块和单片机之间通过串口输入 HCI 指令实行数据通信。其工作过程是：PC 机发送一条控制命令，通过串口发送给蓝牙模块，并由蓝牙模块发送出去，这条指令被多个蓝牙模块接收后由单片机进行识别，并作出相应的动作，最终完成对家电的控制。图 3.1.家居控制系统总体设计框图在本设计中作为通信部分的蓝牙模块均采用的是 ROK101008，单片机选用性价比较高的 C8051F120.3.2 主要硬件模块介绍3.2.1 爱立信蓝牙模块 ROK 101 008 简介爱立信 ROK 101008 是爱立信(Ericsson) 公司出品的适用于短距离通信的无线基带模块，它集成度高、功耗小、完全兼容蓝牙 10B 协议规范，可嵌入到任何需要蓝青岛理工大学毕业设计（论文）4牙功能的设备中。它同时支持数据和语音的传输，输出功率满足 Class2 的要求。它提供有 UART、PCM 接口，可方便地实现与主机之间的通信。它在 UART 接口上的最高传输速率为 460Kbs，缺省波特率是 576Kbs ，可支持的波特率为300、600，900，1200、2400，4800，9600、19200，384001 57600，115200、230400，60800bits，并有一个 128 字节的 FIFO 队列 111】 。它采用压缩结构(3 317X0365cm)，金表层覆盖，外观图如图 3.2 所示。图 3.2 爱立信 ROK 101 008 蓝牙模块外观图ROK 101008 的系统结构图如图 3.3 所示。处于模块底层的是无线层(Radio)和基带)县(Baseband) ，以硬件的形式存在；处于模块中上层的，是链路管理器(LM)和 HCI，以固件的形式存在。图 3.3 爱立信 ROK 101 008 蓝牙模块系统结构图ROK 101008 由基带控制器(Baseband)、快闪式存储器 (Flash Memory)、无线电收发器(PBA 31301 2)、电压调节器(Voltage Regulation)、13MHz 晶振(13MHz Crystal)共 5部分组成，其内部结构框图如图 3.4 所示。青岛理工大学毕业设计（论文）5图 3.4 爱立信 ROK 101 008 蓝牙模块内部结构框图基带控$1J-器(Baseband)：是一个以 ARM7 一 Thumb 为基础的的芯片，通过接口控制无线电收发器的运行。ROK 101 008 的基带控制器提供 UART 和 PCM 两种接口。快闪式存储器 r(Flash Memory)：闪存和基带控制器同时使用。无线电收发器(PBA 313012)：PBA313 012 是短距离微波无线电收发器，其天线滤波器、RX 和 TX 不平衡变压器都集成在电路中，可作为嵌入式结构应用。电压调节器：(Voltage Regulation)：Vcc 典型值是 33V，产生两个可调电压。13MHz 晶振(13MHz Crystal)：晶振提供频率为 13MHz 的内置时钟。爱立信 ROK 101 008 蓝牙模块芯片详细的引脚封装如图 3.5 所示。青岛理工大学毕业设计（论文）6图 3.5 爱立信监牙模块 ROK 101 008 芯片引脚封装图引脚号排列按照从左向右依次为 A、B、C、R、T，其中每个字母代表一列，每列又按从下到上依次为 1、2、3、4、5、6。常用的部分引脚的说明如表 3.1 所示：表 3.1 爱立信 ROK 101 008 蓝牙模块芯片部分引脚说明3.2.2 蓝牙适配器模块蓝牙适配器图片蓝牙（Bluetooth）是无线网络传输技术的一种，原本是用来取代红外的。与红外技术相比，蓝牙无需对准就能传输数据，传输距离小于 10 米（红外的传输距离在几米以内） 。而在信号放大器的帮助下，通讯距离甚至可达 100 米左右。蓝牙技术非常适合耗电量低的数码设备相互分享数据，如手机、掌上电脑等。蓝牙规范中广为应用的成熟版本为 1.1、 2.0、 3.0、 4.0，带宽约 1M-24Mbps（USB1.1 接口的带宽为12Mbps，USB2.0 接口的带宽为 480Mbps，局域网带宽为10Mbps/100Mbps/1000Mbps，火线 IEEE1394 带宽为 400Mbps。所以说，蓝牙非常适合青岛理工大学毕业设计（论文）7于传送小的文件（10MB 以下的图片、铃声、电子书、文稿等等） ，方便与速度兼得。目前最新版本是 2.1+EDR 版本。第四章 系统硬件设计4.1 下位机模块设计4.1.1 单片机 C8051F120 简介微控制器(MCu)是蓝牙应用系统的核心，它的选择将直接影响到系统的性能。C8051F120 是 Cygnal 公司的一种与 8051 兼容的高速 SOC 单片机，它具有高速CIP51 内核、灵活的 IO 交叉开关、先进的时钟系统、JTAG 系统调试接口以及多源复位系统。它性能卓越，内核采用流水线结构，速度可达 100MIPS，比普通的 51快 40 倍，而且在资源丰富、体积小、功耗低、集成度高且调试方便。下面列出了它的一些主要特性：高速、流水线结构的 8051 兼容的 CIP51 内核；真正 8 位 500ksps 的 ADC，带 PGA 和 8 通道模拟多路开关；2 周期的 1616 的乘法和累加引擎；8448(8K+256)字节的片内 RAM；可寻址 64K 字节地址空间的外部数据存储器接口；硬件实现的 SPI、SMBus12C 和两个 UART 串行接 El10l；5 个通用的 16 位定时器；具有 6 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器阵列；FLASH 存储器具有在系统中重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新固件；片内 JTAG 调试电路允许非侵入式(不占用片内资源)、全速、在系统测试；可在工业温度范 NI(45“C 一+85。c)N 用 27V36V 的电压工作。C8051F120 为 100 脚 TQFP 封装。4.1.2 单片机与蓝牙模块的连接单片机与蓝牙模块的硬件连接比较简单， 其原理如图 4.1 所示：青岛理工大学毕业设计（论文）8图 4.1 单片机 C8051F120 通过 UART 连接蓝牙模块示意图图中的、分别标出了连接中需要注意的 3 个地方。数据线和信号线单片机 C8051F120 具有两个 UART，在此选用 UART0。在编程时候可通过交叉开关设置，将 UART0 分配到两个管脚上，例如 P00(TXD)和 P0I(RXD)，分别与蓝牙模块的 RXD(AS)和 TXD(B5)相连，用于传输控制信号。另外，单片机端需另外分配两个管脚，例如 P16 和 P17，分别作为流量控制信号 CTS 和 RTS，分别与蓝牙模块的 RTS(A6)和 CTS(B6)相连。若 CTS 为 1 则允许对方发送，若 CTS 为 0 则禁止对方发送。蓝牙模块电源线蓝牙模块的电压管理器共有 3 个输入，分别是 Vcc(C6)、Vcc_io(C4)和 ON(C2)。Vcc 提供电源电压，典型值是 33V：Vet io 为 UART 提供一个独立的电源回路，可以与单片机逻辑接口相同，可以连接到 Vcc；ON 信号控制内部电压稳压器导通或关断。将 Vcc、Vcc io 和 ON 连接在一起使用时，不需要考虑蓝牙模块的加电顺序；否则，则要严格按照“GNDVet ONVcc io”的顺序加电，断电时候顺序相反。在此处采用前者，将 Vet、Vcc io 和 ON 一起连接到 33V 的外部电源上。蓝牙模块天线蓝牙模块 ANT 管脚连接到 50 欧的天线，天线的电压驻波比小于 2：1。在本课题的实验板的设计中，单片机和蓝牙模块是焊接在