基于手機藍牙的低功耗防丟器

曹江 曹靖

摘? 要：該設計采用新藍牙技術4.0（BLE），該技術是三個技術的集合，分別是傳統藍牙技術、低功耗藍牙技術、高速藍牙技術，綜合應用了藍牙模塊HC-08、蜂鳴器、YX-117AM調速芯片和0820扁平振動馬達組成的振動模塊、液晶顯示屏LCD12864、ISD1820語音播報模塊，以及鋰電池自動充電。就低功耗藍牙防丟器而言，它不僅要具有報警功能，更要具有便于攜帶和低功耗等特點。文章綜述了低功耗藍牙防丟器的設計過程，并且基于Android進行手機APP開發。

關鍵詞：防丟器；藍牙技術4.0；STM單片機；低功耗

中圖分類號：TN929.5? ? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）08-0178-04

Abstract： This design adopts the new Bluetooth Low Energy technology 4.0 （BLE）， which is a collection of three technologies， namely， traditional Bluetooth technology， Bluetooth Low Energy technology and high-speed Bluetooth technology. It synthetically applies the Bluetooth module HC-08， buzzer， YX-117AM speed control chip and vibration module which is composed of 0820 flat vibration motor， LCD12864， ISD1820 voice broadcast module， and automatic charging lithium batteries. As far as Bluetooth anti-loss device with low power consumption is concerned， it should not only have the alarm function， but also have the characteristics of portability and low power consumption. This paper summarizes the design process of Bluetooth anti-loss device with low power consumption， and develops mobile phone APP based on Android.

Keywords： anti-loss device; Bluetooth technology 4.0; STM MCU; low power consumption

0? 引? 言

為防止物品丟失和家里的兒童、老人走失導致財產損失，防丟器就此誕生。就低功耗藍牙防丟器而言，它不僅要具有報警功能，更要具有便于攜帶和低功耗等特點。此防丟器以手機作為主設備與藍牙通信，假如手機和藍牙連接在預設范圍內就不報警，假如設備與主設備的距離超過規定距離（比如超過8 m），此時手機和藍牙防丟失報警器就都會同時發出報警聲，提示主人將注意力轉到物品或人上。本文綜述了低功耗藍牙防丟器的設計過程，并且基于Android進行手機APP開發。重點討論了從設計過程，硬件選型到軟件設計的整個過程。

1? 研究背景和目的

1.1? 研究背景

藍牙技術于1994年誕生，開創者是愛立信，他決定用低成本，低功耗的藍牙來與手機及其他設備建立通信，并且得到的業界的大力支持。1998年，成立了藍牙特別興趣組，以此來對藍牙技術進行推廣和發展。隨著社會的不斷發展進步，智能手機已成為人們日常生活中不可缺少的通信工具，利用藍牙與手機進行連接是最佳的選擇。

藍牙協議的標準版本是802.15.1，它的開發基于藍牙1.1，由SIG開發，與此同時已經得到了廣泛的應用。于2005年，藍牙2.0就此誕生了，藍牙2.0可達至10 Mb/s之高的數據傳輸速率EDR（Enhanced Data Rate），傳輸距離可達100米，與此同時可以同時處理多項任務連接多個設備。在2009年，新的藍牙3.0符合人們的期望，此版本的藍牙將數據傳輸速率大大提高到24 MB/s，可以看出藍牙3.0的傳輸速率是藍牙2.0的8倍。于2010年，藍牙4.0正式發布，4.0不僅集結了高速藍牙技術和傳統藍牙技術，而且還在其基礎上增添了低功耗技術，和以往的版本相比更加節能，續航時間更加持久。自從藍牙技術誕生以來，發展迅速，然而人們對于成本，信息安全，抗干擾能力，傳輸距離等仍然存在些許問題，對此藍牙已經發展了六個階段了，截止至今已是藍牙5.0了，本設計所使用的藍牙4.0版本傳輸距離可達100 m之遠，它的功耗低可以少量的電量得到更長的續航時間，數據傳輸穩定抗干擾性強，外界的干擾不會對數據傳輸造成太大的影響。此次所設計的藍牙防丟器不僅僅是為防止物品的丟失，還為家里的兒童、老人的防走失提供了一套行之有效的解決方案。

1.2? 低功耗藍牙特點及其應用

藍牙技術是一種新型的技術，低功耗藍牙是一種集結智能與低功耗于一體的藍牙技術，之所以說它智能加低功耗是因為其主要應用在嵌入式開發的智能產品中，并且不斷縮小其體積，成本也大大降低，復雜性也得到的進一步降低，極大提高了其智能性，在功耗方面僅需一顆紐扣電池便可以使用很長時間，以下是低功耗藍牙的一些特點。

對于低功耗藍牙來說，其最大的特點是續航時間長因為功耗低，一顆紐扣電池就可以使用十年以上，主要應用在電子設備如手機之類，資產跟蹤，運動及健身傳感器，醫療傳感器如心率監測儀之類，智能手環，遙控器，玩具，在農業自動化，汽車行業也有很大的應用市場，并且在未來還會有更大的發展前景。

2? 總體方案設計

2.1? 工作原理及總體設計

低功耗藍牙防丟器的報警電路開斷由單片機（STM32）對其進行控制，當藍牙處于“沉睡”狀態時說明它和手機是處于正常連接距離合理，如果激活就說明與手機連接出現異常，也就是距離超出預設范圍，可以就此來對藍牙模塊的狀態進行判斷，并且藍牙的串口也可以實現與手持設備（手機）進行通信。

2.2? 硬件電路設計

STM32F103XX是增強型系列單片機，內部配有高性能的ARM? CortexTM-M的RISC內核（32位），單片機的工作頻率是72 MHz，內部配有高速存儲器，閃存高達128 KB字節和20 KB的SRAM。擁有豐富I/O口，且I/O端口非常高端，外設與2條APB總線相連接。所有器件都有2個ADC（12位）、定時器有4個，其中3個16位的通用型定時器，另一個是PWM定時器、還包含標準的通信接口和先進的通信接口（2個I2C、2個SPI、3個USART、1個USB、1個CAN）。STM32F103XX增強型系列單片機供電壓范圍2.0 V～3.6 V，單片機的工作溫度范圍：-40 ℃～+105 ℃，并且提供了從36腳到100腳不同的封裝形式有6種，但是不同的封裝形式所對應的外設配置也都不同。

本次設計采用的藍牙模塊是藍牙串行通信模塊HC-08，此模塊是一種基于藍牙規范V4.0BLE藍牙協議的數據傳輸模塊，無線工作頻段為2.4 GHz ISM，以GFSK調制作為制方式進行調制，最大的傳輸功率為4 dBm，接收靈敏度是-93 dBm，通信距離為80 m。

圖1是低功耗藍牙防丟器的仿真原理圖，本次選擇的是48個引腳的STM32F103xx，其中PC13、PC14、PC15三個管腳由電源開關提供，電源開關僅吸收3 mA的限制電流，當使用這三個管腳作為輸出管腳時，存在如下限制：相同時間內一次只能使用一個管腳作為輸出管腳，而作為輸出管腳只能在2 MHz模式下工作，最大驅動負載為30 pF，不能作為驅動LED等器件的電流源。

時鐘選擇在系統啟動時執行的操作，內部的8 MHz RC振蕩器可以在復位時選擇作為默認的CPU時鐘，然后可以選擇外部的4～16 MHz時鐘，因為具有故障（失效）監測功能。當檢測到外部時鐘失效故障時，將對其進行隔離，系統將自動切換到內部RC振蕩器。如果發生中斷，同樣軟件也可以接收到相應的中斷。如果間接使用的外部振蕩器發生失效故障，可以對PLL時鐘采用完全中斷管理。本次設計采用的藍牙模塊是藍牙串行通信模塊HC-08，藍牙串行通信模塊HC-08是一種基于藍牙規范V4.0BLE藍牙協議的數據傳輸模塊，無線工作頻段為2.4 GHz ISM，以GFSK調制作為制方式進行調制，最大的傳輸功率為4 dBm，接收靈敏度是-93 dBm，通信距離為80 m。

此模塊帶有LED指示燈，它用來判斷藍牙與手機是否連接成功。模塊尺寸L=26.9 mm，W=13 mm，H=2.2 mm，它是郵票封裝孔和排針焊孔的集成，因為其體積比較小，很容易嵌入到應用系統中。藍牙模塊有三個工作模式分別是0/1/2，模式0：全速功耗模式，是出廠時默認的一種模式；模式1：一級節能模式，連接前電流由T+AINT的設置決定，連接后主要由AT+CINT決定。MODE1模式已經涵蓋V2.4版本的MODE3模式，并且更加合理；模式2：二級節能模式（睡眠模式）。睡眠時電流0.4 μA。睡眠時不可發現，睡眠時不可連接，串口喚醒后可被發現，喚醒后也可以連接。本次設計主要使用模式1。模塊采用的芯片是CC2540，芯片內配有256 K字節空間，使用者可以根據需求更改主/從模式，除此之外還可以對波特率，設備的名稱等參數進行更改，使用起來比較靈活。

2.3? 電源模塊設計

由于此設計需要有蓄電功能（自動充電），所以選擇了鋰電池進行供電。鋰電池具有體積較小，安裝起來方便，使用壽命長等優點。不會頻繁更換；便于攜帶；有較高的能量，綜合考慮符合此設計要求。本次設計需要對鋰電池進行充電，需要實現自動充電，并且還要對鋰電池的充電放電進行保護，在整個充電過程中要把220 V的電壓轉換為5 V，再經過轉換將5 V轉換為系統所需要的3.3 V電壓，在整個模塊中電壓的轉換，和鋰電池的充放電保護都是由一系列芯片處理的。

2.4? 振動模塊

為了從多方面對用戶進行提示在此設計中添加了振動模塊，此模塊的思路來源于手機的振動功能，選擇了一款3 V直流電源微型振動扁平馬達。雖然電機型號確定了，可是單片機的供電不能讓電機正常啟動，單片機的電流只有0.8 mA，電機啟動電流要90 mA，因此遠遠不夠，所以需要將電流放大，為了能讓電機正常啟動添加了一款調速芯片YX-117AMYX-117AM為雙向馬達驅動IC，利用大型積體電路制造技術，具有低電源，低成本的特性，可應用于低電壓工作模式。電路采用H橋電路架構，內置功率MOSFET開關，可實現直流電機做正轉、反轉、剎車、停止四個功能的控制。

YX-117AM主要特性有：寬廣的工作電壓（1.8 V～6.5 V）；

內置PMOS/NMOS功率開關的H橋驅動器；支持四種操作模式：正傳、反轉、剎車、停止；低待機電流（Typ=0.1 μA）；800 mA以上電流輸出能力；過溫保護功能；CMOS輸入/輸入腳內建下拉電阻無須外加下拉電阻；高達5 000 V的人體靜電模式的ESD保護；通過SOP-8封裝。

3? 系統軟件設計

系統軟件設計包括硬件程序和手機程序，圖2是本次設計的基于STM32單片機的硬件程序流程圖。

本系統支持與Android4.3及以上版本的手持設備與HC-08連接通信，通信測試需使用BLE安卓串口助手連接，可下載。HC-08支持與iPhone4S及以上版本的手持設備連接通信，通信測試需在APPStore下載安裝Lightblue或藍牙助手軟件連接（也可以使用其他支持BLE藍牙的串口軟件）。

基于以上分析與設計實現。當手機和藍牙連接距離超過設定距離（5 m）后，蜂鳴器開始報警，點擊語音報警時防丟器會發出事先錄入的語音提醒用戶。

4? 實物測試

4.1? 硬件模塊調試

藍牙低功耗防丟器的硬件電路設計是將系統的各個模塊與STM32單片機相連接，由于經費和時間的原因只能對部分功能模塊進行測試，調試方法如下，硬件實物圖如圖3所示。

1）按照AD中繪制的電路原理圖將各部分與單片機系統連接，檢查引腳連接是否正確，通電后查看各模塊是否通電，并檢測是否有燒壞。在連接電路后各模塊正常通電，也沒有出現燒壞的情況，因此電路連接正確。

2）對各模塊性能，通信進行檢測低各器件是否能正常運行。語音播報模塊是能夠進行錄音和播放，蜂鳴器在低電平時進行報警，藍牙模塊能夠和手機進行正常的數據傳輸。

4.2? 軟件模塊調試

軟件模塊包括單片機中的運行程序和手機APP。單片機STM32中的程序是在KeiluVision5中編寫的，APP是在網頁版APPInventor上進行編寫并生成的，APP界面如圖4所示。

當手機和藍牙連接距離超過設定距離（5 m）后，蜂鳴器開始報警，點擊語音報警時防丟器會發出事先錄入的語音提醒用戶，由于時間的原因振動功能未能實現，但硬件電路已完成。

5? 結? 論

本設計為基于手機藍牙的低功耗防丟器，該防丟器具有較高的性能，并且在功耗方面較低充一次電可以使用較長時間。防丟器的控制核心是STM32單片機，其體積小巧、功耗低、響應速度快。從總體來說該設計不僅考慮到防丟，還為失主在不可抗因素下的丟失創造了找回的機會，大大降低了損失。

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作者簡介：曹江（1995—），男，漢族，四川瀘州人，本科，研究方向：機電系統智能控制；曹靖（1996—），女，漢族，河南三門峽人，本科，研究方向：機電系統智能控制。