物聯(lián)網(wǎng)智能北斗時鐘的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：傳統(tǒng)的數(shù)字時鐘功能單一，且易受環(huán)境溫度等因素影響出現(xiàn)誤差。本設(shè)計基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精準(zhǔn)授時技術(shù)，結(jié)合單片機主控系統(tǒng)、傳感器模塊、WiFi模塊和LCD12864模塊，實現(xiàn)日期、時間的實時獲取和顯示、語音鬧鐘的設(shè)置和提醒、LCD背景燈光的自動開關(guān)、溫濕度數(shù)據(jù)的檢測和監(jiān)控報警等功能。其中，鬧鐘、溫濕度等數(shù)據(jù)的功能設(shè)置和信息獲取均可通過手機端進行遠程無線智能語音交互，實現(xiàn)北斗數(shù)字時鐘的物聯(lián)網(wǎng)智能控制。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；單片機；北斗衛(wèi)星；智能時鐘；云端通信；語音交互

中圖分類號：TP368 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-00-05

0 引 言

數(shù)字時鐘是以數(shù)字形式顯示時、分、秒等信息的一種計時裝置，內(nèi)容呈現(xiàn)直觀，性能穩(wěn)定，被廣泛應(yīng)用在家庭、工廠和各種科技研發(fā)活動中。目前主流的傳統(tǒng)數(shù)字時鐘主要采用微控制器晶振電路產(chǎn)生的基礎(chǔ)時鐘脈沖進行定時，或者配合相關(guān)時鐘芯片（如DS1302、PCF8563）實現(xiàn)計時效果[1]。由于時間的連續(xù)性，很難準(zhǔn)確為本地時鐘設(shè)置實時時間信息，同時，由于晶振頻率等硬件參數(shù)易受到溫度影響，時間基準(zhǔn)將產(chǎn)生誤差并不斷累積。此外，傳統(tǒng)時鐘在后續(xù)功能擴展和維護方面均受到限制。

衛(wèi)星授時是實現(xiàn)全球范圍內(nèi)時間精確同步的最佳選擇，本文設(shè)計的時鐘信息來源于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精準(zhǔn)授時技

術(shù)[2-3]，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System， BDS）是中國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，也是繼美國全球定位系統(tǒng)（GPS）、俄羅斯格洛納斯（GLONASS）之后的第三個獨立運行的成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[4]。

北斗授時系統(tǒng)通過星載原子鐘傳遞國家授時中心發(fā)播的國際通用標(biāo)準(zhǔn)時間（UTC）[5]，本文設(shè)計的智能時鐘作為接收終端，接收北斗衛(wèi)星的廣播信號后，交由微控制器進行分析處理，實現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)時間的同步，使得時鐘的設(shè)計更加簡單方便和容易維護，也為時鐘智能化功能的嵌入提供了更多空間，編程控制更加靈活。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

智能北斗時鐘系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。采用STC89C54單片機為主控制器，接收北斗模塊獲取的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)中的日期和時間信息解析后在LCD屏幕上顯示。時鐘的鬧鐘功能可由按鍵設(shè)置完成，通過蜂鳴器電路發(fā)出不同頻率的聲音提醒用戶。相關(guān)傳感器經(jīng)單片機驅(qū)動后可正常輸出傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)由按鍵或者手機APP切換不同的屏幕顯示，設(shè)置溫濕度和光照報警閾值，自動控制繼電器和LCD屏幕開關(guān)，繼電器接口可根據(jù)用戶需求自行連接相關(guān)執(zhí)行器，如風(fēng)扇、燈光、加濕器等。

WiFi模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)連接云平臺，實現(xiàn)移動端手機APP與北斗時鐘的智能交互，遠程查看傳感器數(shù)據(jù)，語音設(shè)置鬧鐘時間等，使北斗時鐘具有物聯(lián)網(wǎng)智能監(jiān)測和控制功能。

2 硬件設(shè)計

為保證程序功能拓展的靈活性，本設(shè)計采用具有更大ROM和RAM的STC89C54單片機搭建最小應(yīng)用系統(tǒng)，它與常見的STC系列51單片機完全兼容[6]，可以通過串口直接下載程序。智能北斗時鐘以STC89C54單片機為核心開展主要外圍電路的設(shè)計。

2.1 電源電路

智能北斗時鐘主要使用鋰電池供電，通過DC-005電源插座充電，本設(shè)計采用IP5306移動電源芯片進行電源管理，如圖2所示。IP5306是一款集鋰電池充電管理、電池電量指示、升壓轉(zhuǎn)換為一體的多功能電源管理系統(tǒng)級芯片。斷開外部充電電源后，系統(tǒng)自動切換到電池升壓輸出Vout，輸出電壓固定5 V，D1～D4四個LED燈用于電量顯示。

系統(tǒng)電源電路具有5 V和3.3 V電壓輸出，如圖3所示。AMS1117三端穩(wěn)壓芯片將輸入的5 V電壓轉(zhuǎn)成3.3 V，經(jīng)電容進行濾波處理后給其它電路供電。

2.2 通信模塊接口電路

本設(shè)計使用中科微電子的北斗/GPS雙模定位通信模塊ATGM332D，接收具有高精度授時信息的衛(wèi)星數(shù)據(jù)，接口電路如圖4所示。模塊通過BDS_RXD與BDS_TXD引腳和單片機P3.0與P3.1口連接，實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)通信，單片機對串口緩存的NMEA協(xié)議數(shù)據(jù)包進行解析處理，獲取所需的日期和時間信息[7]。PPS為授時輸出引腳，與單片機外部中斷口P3.2連接，在收到時間信息后，默認(rèn)每隔1 s輸出一個變化脈沖，觸發(fā)時間信息同步。

為保證時鐘在北斗信號較弱或者沒有信號時能正常工作，同時在掉電時為模塊的RTC部分供電，保存最新的模塊參數(shù)，加快下次啟動后搜索衛(wèi)星的速度，本設(shè)計在VBAT引腳外接了備用紐扣電池CR1220[8]。

此外，為實現(xiàn)北斗時鐘的物聯(lián)網(wǎng)智能控制，本設(shè)計使用ESP8266WiFi模塊連接互聯(lián)網(wǎng)。ESP8266是一款超低功耗的WiFi串口透傳模塊，專為移動設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計。如圖5所示，模塊與單片機之間通過串口通信。

2.3 傳感器及執(zhí)行器接口電路

溫濕度模塊選用DHT11傳感器，與單片機之間采用簡單的單總線協(xié)議通信，接口電路如圖6所示。DHT11內(nèi)部由高性能8位單片機、電阻感濕元件和NTC測溫元件組成，可以實時收集周圍的溫度和濕度信息，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，發(fā)送給STC89C54單片機[9-10]。

光照傳感器電路如圖7所示。選用阻值為10 kΩ的光敏電阻GM5516，其電阻值隨著入射光的強弱而發(fā)生改變，通過串聯(lián)分壓連接到PCF8591數(shù)據(jù)采集器的AIN0模擬輸入口，通過I2C總線將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量發(fā)送給STC89C54單片機進行分析處理。

蜂鳴器和繼電器驅(qū)動電路用于時鐘的鬧鈴報警和超過閾值后的繼電器開關(guān)控制，蜂鳴器驅(qū)動電路如圖8所示。當(dāng)驅(qū)動信號為低電平時，PNP三極管導(dǎo)通，蜂鳴器通電發(fā)出響聲。繼電器驅(qū)動電路如圖9所示。當(dāng)驅(qū)動信號為低電平時，PNP三極管導(dǎo)通，繼電器吸合，開啟外接的風(fēng)扇、加濕器、燈具等設(shè)備。

2.4 輸入輸出設(shè)備接口電路

智能北斗時鐘的各項功能設(shè)置由用戶操作按鍵完成，本系統(tǒng)中使用獨立式按鍵設(shè)計，電路簡單直觀[11]，如圖10所示。單片機通過讀取對應(yīng)I/O口的電平狀態(tài)判斷按鍵是否按下，當(dāng)I/O口為低電平時，對應(yīng)按鍵被按下。4個按鍵的功能分別為Key1界面切換、Key2選項上移/數(shù)字加、Key3選項下移/數(shù)字減和Key4設(shè)置/確認(rèn)。

系統(tǒng)采用LCD12864液晶模塊顯示時間、日期，設(shè)置信息等，分辨率為128×64，如圖11所示。液晶模塊與單片機的接口方式簡單、指令操作方便，可顯示8列×4行16×16點陣的漢字，也可完成圖形顯示，具有良好的人機交互界面。

3 軟件設(shè)計

本智能北斗時鐘的軟件設(shè)計涵蓋了物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)，包括時鐘端、網(wǎng)絡(luò)端和應(yīng)用端的程序設(shè)計。

3.1 時鐘端程序設(shè)計

時鐘的程序設(shè)計主要為基于單片機的智能終端軟件開發(fā)，包括按鍵子程序、傳感器驅(qū)動子程序、執(zhí)行器驅(qū)動子程序、串口收發(fā)子程序、LCD顯示子程序、數(shù)據(jù)分析處理子程序等模塊程序的設(shè)計開發(fā)。時鐘端系統(tǒng)的主程序流程如圖12所示。在溫濕度報警的同時可以觸發(fā)繼電器動作，打開外接設(shè)備重新調(diào)整溫濕度數(shù)據(jù)。衛(wèi)星數(shù)據(jù)、WiFi語音指令和溫濕度數(shù)據(jù)在串口中斷服務(wù)程序中獲取和解析，其程序流程如圖13所示。

3.2 網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用端程序設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)端采用新大陸物聯(lián)網(wǎng)云平臺搭建的數(shù)據(jù)傳輸通道，新大陸云平臺是一個開放的物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)平臺，通過平臺提供的案例設(shè)計器、API、SDK等，使得技術(shù)人員能輕松、快速開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用。

在搭建和配置云服務(wù)平臺后，用戶可以通過手機、平板、計算機等終端設(shè)備，實時掌握時鐘端傳感器、鬧鐘設(shè)置等信息，使得對本智能北斗時鐘的信息管理變的更加輕松簡單。如圖14所示，當(dāng)時鐘端WiFi模塊和新大陸云連接成功后，給云平臺發(fā)送溫濕度等數(shù)據(jù)信息，云平臺也可以下發(fā)控制執(zhí)行器指令，控制時鐘端繼電器連接的外部設(shè)備[12]，如圖15所示。

應(yīng)用端為安卓應(yīng)用程序APP，通過MQTT協(xié)議連接云平臺，作為客戶端訂閱云平臺服務(wù)器端提供的消息，并可發(fā)布相應(yīng)的控制命令，通過云平臺遠程操作北斗時鐘的各項設(shè)置和運行。本安卓應(yīng)用程序發(fā)布的控制命令采用科大訊飛的語音識別引擎進行解析，用戶界面如圖16所示，可以使用預(yù)先定義好的語音指令與北斗時鐘交互。

4 系統(tǒng)測試

在系統(tǒng)上電后，北斗授時模塊需要約30 s的加載周期，LCD12864顯示“衛(wèi)星連接中”，顯示信息和溫濕度數(shù)據(jù)，如圖17所示。衛(wèi)星連接成功后，可以看到單片機解析后顯示的日期和時間信息，如圖18所示。

通過本地Key1按鍵或者遠程語音命令可以切換到光照信息、鬧鐘狀態(tài)和閾值數(shù)據(jù)界面，其中，溫度默認(rèn)的閾值數(shù)據(jù)界面如圖19所示，當(dāng)溫度高于59 ℃時，繼電器吸合。通過Key4按鍵或者遠程語音命令可以進入相關(guān)設(shè)置界面，

如圖20所示，通過Key2和Key3對鬧鐘、溫濕度、光照等閾值進行設(shè)置，鬧鈴的時間設(shè)定和溫度閾值的設(shè)定如圖21和圖22所示。經(jīng)測試，蜂鳴器能在設(shè)定的鬧鈴時間準(zhǔn)時響起，LCD屏幕背光燈能在光照較弱時自動打開。

此外，當(dāng)北斗時鐘掉電或者衛(wèi)星信號較弱時，經(jīng)測試，系統(tǒng)可以通過備用紐扣電池保存的參數(shù)繼續(xù)準(zhǔn)確計時，更新時鐘信息。

5 結(jié) 語

本文基于北斗衛(wèi)星精準(zhǔn)授時技術(shù)設(shè)計的智能時鐘，能夠?qū)崿F(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)時間的實時同步，精確度高，穩(wěn)定可靠，使用和維護方便，應(yīng)用場景廣泛，除了鬧鐘設(shè)置、溫濕度監(jiān)測、光照監(jiān)測等功能外，還有物聯(lián)網(wǎng)遠程交互功能，可通過云平臺和手機語音APP對時鐘進行設(shè)置和操控，極大方便了普通用戶，使得北斗衛(wèi)星系統(tǒng)在智能家居中的應(yīng)用場景不斷擴大。

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