一種基于手機藍牙的短距無線測控技術及其應用

鄒益民，相惠清，宗 敏

（金陵科技學院網絡與通信工程學院，江蘇南京，210031）

一種基于手機藍牙的短距無線測控技術及其應用

鄒益民，相惠清，宗 敏

（金陵科技學院網絡與通信工程學院，江蘇南京，210031）

智能手機作為測控系統的移動監控終端具有良好的靈活性、便攜性與便利性，藍牙通信因其功耗小且安全性高，成為短距離內較理想的通信方式。本系統構建了一個基于MSP430F149單片機的恒溫控制應用場景，并將與智能手機的藍牙通信技術運用于該應用場景中，構成一個可通過移動終端遠程監控的主從式測控系統。本中給出了系統的體系結構及硬軟件設計方案，可為類似遠程測控方案的實現提供借鑒。

工業自動化；測控系統；單片機；智能手機；藍牙；恒溫裝置

0　引言

隨著移動終端和無線網絡技術的迅速發展，智能手機已經變成現代社會日常生活中不可或缺的信息交流工具，利用智能手機作為測控系統的遠程移動監控終端有著良好的現實性、靈活性、便攜性與便利性，故有望成為一種很有前途的應用技術。手機的通信連接方式主要有蜂窩網絡連接、WiFi連接、藍牙（Bluetooth）連接及NFC連接等［1-4］，由于藍牙通信功耗小且安全性高，在沒有WiFi網絡的情況下，成為短距離內可優先選擇的通信方式。

本文所述系統以一個簡易單片機溫度實驗裝置作為被控對象，實現基本的本地恒溫控制功能；單片機同時還通過串行接口控制一個藍牙通訊模塊，以實現單片機側的數據通訊功能；智能手機則可采用內置的藍牙通訊技術，從而配合實現對被控溫度對象運行狀態的短距無線監控。學生既可通過該實驗裝置學習與實踐自動控制理論的相關知識，也可學習與實踐基于藍牙的無線通信技術，該裝置的設計思路與具體實施方案也可供真實的無線測控系統的構建提供參考。

1　藍牙協議及HC-05模塊簡介

藍牙協議是一種應用廣泛的無線技術標準，可實現固定設備、移動設備和樓宇個人域網之間的短距離數據交換。藍牙通信基于主從架構，雖然傳輸速度不是很快，但卻具有良好的抗干擾能力，且功耗和成本都很低。藍牙RFCOMM協議則在藍牙基帶協議之上仿真了RS-232控制和數據信號，構成一種RS232串行數據線的實用替代方案。

1.1藍牙模塊BT-HC05簡介

BT-HC05模塊是一款高性能的藍牙串口模塊，支持主、從兩種工作模式，可用于與各種帶藍牙功能的電腦、手機等智能終端配對。在配置模式下，該模塊可使用AT命令設置其功能及工作參數；在通信模式下，若主從模式兩個藍牙模塊配對成功，則可簡單地按串口方式完成數據的透傳。

1.2藍牙模塊BT-HC05配置

HC-05模塊的功能及工作參數可使用AT命令實現軟件配置，其軟配置指令又可分為Command（下行命令）和Indication（上報指令）：

（1）常用Command下行指令

表1

本組命令可用于設置HC-05的功能及參數，由主機發向模塊，而模塊將給出適當響應（如表1所示）。

（2）Indication典型上行指令

本組命令由HC-05發向主機，用于指示模塊狀態（如表2所示）。

本系統中HC-05模塊的多數參數可采用系統缺省值，故所需的實際配置可簡化如下：復位藍牙設備、設置藍牙模塊為從設備、設置藍牙配對模式為任意地址、設置藍牙串口工作方式、設置藍牙模塊設備名及設置藍牙模塊配對碼。配置完成后，模塊將自動等待智能手機作為主設備完成搜索、配對，然后即可進行所需的數據傳輸。

2　系統硬軟件設計

2.1系統總體框架設計

系統的總體框圖如圖1所示。圖1中：智能手機通過HC-05藍牙模塊，基于RFCOMM協議完成智能手機與本地測控裝置之間的數據通信。若水杯中溫度變化，則經PT100熱電阻、熱電阻溫度變送器轉換為輸出電流，隨后利用電阻轉換為電壓信號送入單片機的ADC通道實現溫度值采樣測量；單片機還經功率驅動電路與直流電加熱棒連接，以實現對水杯中水的受控加熱；單片機同時與LCD5110液晶顯示器及按鍵組相連，用于實現本地監控及參數設置。

2.2硬件詳細設計

系統硬件部分電路設計可參見圖2，其中：

●MSP430F149用于控制系統完成測控、通訊、人機接口等功能；

●LCD5110液晶顯示器、按鍵構成本地的人機接口；

●HC-05藍牙串口通訊模塊為單片機提供藍牙從設備功能，與智能手機側的藍牙主設備協同工作，完成基于藍牙的數據通信，以將本地溫度測量值上傳到手機中進行數值或曲線顯示，手機也可同時向單片機傳送被控溫度的設定值。

●PT100測溫熱電阻、熱電阻溫度變送器配合實現水溫測量；

●直流電加熱棒采用12V，75W低壓安全產品，單片機系統中設計有包括光電耦合、TIP122達林頓管及直流繼電器的功率驅動電路，將控制電路與驅動功率電路隔離，以提高系統的抗干擾能力，并保護低壓單片機系統的安全。

圖1.手機藍牙監控的單片機恒溫實驗裝置總體框圖

3　手機端藍牙APP開發的基本過程

（1）設置藍牙的響應權限

手機端需要BLUETOOTH及BLUETOOTH_ADMIN開發權限。

（2）配置本機藍牙模塊

①使用BluetoothAdapter.getDefaultAdapter（）獲取藍牙適配器；

②使用Intent（BluetoothAdapter.ACTION_REQUEST_ ENABLE）打開藍牙設置面板或使用enable（）方法直接打開藍牙設備；

③使用完畢后，使用disable （）方法關閉藍牙設備；

（3）搜索藍牙設備

使用BluetoothAdapter的startDiscovery（）方法可搜索藍牙設備。此后，通過注冊相應的BroadcastReceiver可接收由系統發出的開始搜索、搜索結束及找到設備的廣播信息。

（4）藍牙Socket通信

若需建立兩個藍牙設備之間的通信連接，則須首先分別實現服務器端與客戶端的機制。

①服務器端實現。首先通過BluetoothAdapter的liste nUsingRfcommWithServiceRecord（String， UUID）方法來獲取BluetoothServerSocket，再通過BluetoothServerSocket的accept（）方法監聽連接請求，結束后則可調用BluetoothServerSocket的close（）方法釋放資源。

②客戶端的實現。首先通過搜索得到服務器端的BluetoothService，再調用BluetoothService的listenUsingRfcommWithService Record（String， UUID）方法獲取BluetoothSocket，最后調用BluetoothSocket的connect（）方法以建立與服務器的連接。

③數據通信。首先通過BluetoothSocket的getInputStream（）和getOutputStream（）方法獲取輸入流InputStream和輸出流OutputStream，其次使用read（bytes［］）和write（bytes［］）方法進行數據讀寫操作。

圖2.手機藍牙監控的單片機恒溫實驗裝置電路原理圖

4　結語

本文所介紹的短距無線恒溫實驗裝置，使用MSP430F149單片機實現本地溫度控制，借助HC-05模塊為單片機提供藍牙通信功能，而智能手機側可使用其內置的藍牙通訊功能，最終實現雙方的數據通訊。從而，本地測控信息可傳送到智能手機側并用曲線、表格的方式進行顯示，還可根據需要對特定的測控參數進行即時設置。本文方法可為類似基于智能手機實施對遠程測控系統的監測方案設計提供借鑒。

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鄒益民，（1963年出生），男，浙江人，2006年畢業于北京理工大學自動控制系，獲得博士學位，教授；主要研究方向：控制理論與工程，導航與制導，圖像處理，模式識別。

A Master-Slave Type Thermostat System based on Monitoring of Mobile Phone with Bluetooth Technology

Zou Yimin，Xiang Huiqing，Zong Min
（School of Networks and Telecommunications Engineering，Jinling Institute of Technology，Nanjing，211169）

As a remote mobile monitoring terminal of measuring and controlling system，smart phones has good flexibility，portability and convenience.Due to its low power consumption and high security，Bluetooth communication becomes the ideal communication mode in short distance. A thermostat System based on MSP430F149 single-chip microprocessor was introduced，combining with Bluetooth communication technology of smart phone，thus to construct a master slave control system which remotely monitored by a mobile terminal. The architecture of the system and the design scheme of hardware and software are given here， which could also provide guidelines for the implementation of similar remote measurement and control programs.

Industrial automation；Measurement and control system；SCM（Single Chip Microprocessor）；Smart mobile phone；Bluetooth；Thermostat system

TP23，TP274

A