基于藍牙的智能百葉窗設計

摘 要：隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，加之電子信息技術的快速普及應用，人們對居家智能化以及家用設施的智能化要求也不斷提升，越來越多的人們開始將智能家居羅列為生活中不可或缺的一環(huán)。本文提出了一種基于藍牙技術的自調節(jié)百葉窗系統(tǒng)，系統(tǒng)以STM32為主控芯片，應用多傳感器共同獲取環(huán)境信息實現(xiàn)自控制。本系統(tǒng)采用紅外傳感器作為開關，由紫外傳感器采集信息，共同進行環(huán)境檢測。本系統(tǒng)還選用藍牙并設計了相應APP，負責用戶與百葉窗系統(tǒng)的通信。本智能百葉窗系統(tǒng)通過檢測室內(nèi)環(huán)境變化自動調節(jié)百葉窗狀態(tài)，同時用戶可通過藍牙發(fā)送相應指令要求，免去了用戶手動操作的麻煩。本系統(tǒng)旨在提升百葉窗的人性化程度與操作的便捷舒適性，具備較好的應用價值和廣闊的市場前景。

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能家居；百葉窗；智能控制；藍牙；STM32

中圖分類號：TP39；TU228 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）02-00-03

0 引 言

隨著市場經(jīng)濟的飛速發(fā)展，信息技術不斷改變著人們的生活，家居產(chǎn)品及技術也越來越趨向于智能化、自動化和數(shù)字化，智能家居應運而生[1]。窗簾作為人們家居生活的必需品，它可以幫助我們遮擋隱私、隔絕光亮，傳統(tǒng)的窗簾需要用戶手動對其進行開關控制，而且操作過程中容易受到力或者操作者心情的影響而發(fā)生窗簾掉落事故[2]。與普通窗簾相比，智能遮陽百葉窗有其獨特的優(yōu)點，可在滿足私密性、安全性要求的基礎上，讓使用者更加省時省力，還能夠根據(jù)人們對室內(nèi)有無光照和光照強度等要求，實施精準控制[3]。

1 功能需求

本智能百葉窗系統(tǒng)能實現(xiàn)對外界環(huán)境的自動感知，同時用戶還可根據(jù)自身需求對系統(tǒng)進行實時控制。根據(jù)設計需求，本系統(tǒng)由感知層、控制層和傳輸層組成。感知系統(tǒng)負責實時檢測環(huán)境信息；控制模塊接收采集的數(shù)據(jù)并基于預設控制舵機模擬百葉窗葉片控制；藍牙模塊建立系統(tǒng)與用戶之間的通信連接，接收優(yōu)先指令發(fā)送給控制模塊，滿足用戶按需調節(jié)的需求[4-5]。

2 系統(tǒng)設計方案

本智能百葉窗系統(tǒng)包括傳感器組、控制模塊、模擬舵機和藍牙模塊。傳感器組由紅外傳感器和紫外傳感器構成，負責環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集，采集后發(fā)送到單片機相應接收端口。STM32單片機作為系統(tǒng)的核心控制器，控制與協(xié)調不同模塊之間的分工合作，同時接收遠程藍牙信號，實現(xiàn)百葉窗與移動設備的遠程連接。模擬舵機依據(jù)控制中心輸出的不同脈沖波調整百葉窗葉片角度，改變光照條件。藍牙模塊位于紅外傳感器之后、紫外傳感器之前，負責用戶移動端與百葉窗系統(tǒng)建立通信[6]。

本設計可實現(xiàn)自動模式和遙控模式。基于單片機，通過采光設備獲取環(huán)境信息轉化為相應數(shù)據(jù)返回給單片機，單片機系統(tǒng)程序根據(jù)采光強度對數(shù)據(jù)進行處理，然后按照指令操作控制舵機模塊選擇開啟或關閉百葉窗簾以及開啟百葉窗簾的角度。同時也可以通過移動端如手機遠程操控系統(tǒng)，利用藍牙模塊使得Android APP與單片機進行無線連接。用戶通過手機APP選擇對應功能，并產(chǎn)生對應指令通過藍牙模塊傳輸，單片機通過串口接口與藍牙模塊連接，接收指令調整角度[7-8]。系統(tǒng)設計如圖1所示。

3 硬件設計

本方案選用STM32F407系列單片機作為開發(fā)板，通過I/O端口與人體紅外傳感器、光敏傳感器、藍牙設備、模擬舵機接入。硬件設計如圖2所示。

從圖2可以看出，傳感器組、藍牙模塊以及模擬舵機都通過I/O口建立與單片機主控板的連接，用戶借由移動APP實現(xiàn)與系統(tǒng)的通信連接。

本系統(tǒng)的整體供電由開發(fā)板外接電源提供。HC-SR501人體紅外檢測設置延遲參數(shù)為36 s，檢測范圍為半徑2 m張角120°的扇形。模塊采用藍牙3.0協(xié)議，通用性較高。作為藍牙串行端口，其可與Android設備和模塊透明連接。舵機的死區(qū)設置為4 μs，旋轉角活動范圍可控制在0～90°，工作電流為100 mA，工作電壓選用3.3 V。舵機主要由VCC、GND和信號線組成，由單片機PC口提供周期為20 ms的PWM信號作為控制信號[9]。

4 軟件設計

4.1 傳感器組自動模式設計

配置獨立模式雙通道DMA模式，選擇PB0和PB1分別對應HC-SR501人體紅外檢測模塊和sensor_series光敏電阻傳感器模塊。系統(tǒng)開機初始化后，HC-SR501人體紅外傳感器將掃描人體信號，通過D/A轉換作為系統(tǒng)開關的指標；系統(tǒng)開啟后會依據(jù)PB口采集的數(shù)據(jù)設置輸出脈沖波的占空比。傳感器信息采集控制流程如圖3所示。

部分代碼如下所示：

while （1）{

ADC_ConvertedValueLocal[0] =（float） ADC_ConvertedValue[0]/4096*（float）3.3;

ADC_ConvertedValueLocal[1] =（float） ADC_ConvertedValue[1]/4096*（float）3.3;

if（！IS_HC05_CONNECTED（））

{if（ADC_ConvertedValueLocal[0]lt;2）

{

ChannelPulse = 500;

__HAL_TIM_SetCompare（amp;TIM_TimeBaseStructure，TIM_CHANNEL_1，ChannelPulse）;

}

else

{

ChannelPulse = （float） ADC_ConvertedValue[1]/4096*500+500;

__HAL_TIM_SetCompare（amp;TIM_TimeBaseStructure，TIM_CHANNEL_1，ChannelPulse）;

}

Angle = （int）（ADC_ConvertedValueLocal[1] / 3.3 * 90）;

/*printf（\"＼r＼n value1 = %f V ＼r＼n\"，ADC_ConvertedValueLocal[0]）;

printf（\"＼r＼n angle" = %d" ＼r＼n\"，Angle）;

printf（\"＼r＼n value2 = %f V ＼r＼n\"，ADC_ConvertedValueLocal [1]）;

printf（\"＼r＼n＼r＼n\"）;*/

Delay（0xffffff）;}

}

4.2 藍牙控制設計

ATK-HC05接線方式為藍牙模塊借助RXD和TXD與MCU通過串行通信交叉連接。分配串口，設置PA9口為TX發(fā)送，PA10口為RX接收；其次分配PB8，PB9用于檢測藍牙連接，當藍牙模塊激活后，會將PB8置高，經(jīng)檢測后A/D轉換功能失效，進入藍牙模式。通過移動APP可以直接下達控制指令[10]。硬件驅動程序邏輯如圖4所示。

部分代碼如下所示：

else if（IS_HC05_CONNECTED（））{

while（getBuffer[0]==1amp;amp;ChannelPulselt;=1500）{

ChannelPulse +=10 ;

__HAL_TIM_SetCompare（amp;TIM_TimeBaseStructure，TIM_CHANNEL_1，ChannelPulse）;

if（ChannelPulse==1500）{

ChannelPulse=1500;

__HAL_TIM_SetCompare（amp;TIM_TimeBaseStructure，TIM_CHANNEL_1，ChannelPulse）;

}

Delay（0x02ffff）;

}

while（getBuffer[0]==2amp;amp;ChannelPulsegt;=500）{

ChannelPulse -=10 ;

__HAL_TIM_SetCompare（amp;TIM_TimeBaseStructure，TIM_CHANNEL_1，ChannelPulse）;

if（ChannelPulse==500）{

ChannelPulse=500;

__HAL_TIM_SetCompare（amp;TIM_TimeBaseStructure，TIM_CHANNEL_1，ChannelPulse）;

}

Delay（0x02ffff）;

}

if（getBuffer[0]==3）{

ChannelPulse=500;

__HAL_TIM_SetCompare（amp;TIM_TimeBaseStructure，TIM_CHANNEL_1，ChannelPulse）;

}

Delay（0x02ffff）;

}

4.3 移動端APP設計

移動端APP采用安卓平臺軟件設計。APP設計頁面如圖5所示。

頁面初始化，藍牙客戶端斷開，頁面顯示百葉窗未連接，再次開啟APP時所有模塊狀態(tài)均正常。選擇藍牙設備，點擊相關按鈕即可彈出可連接設備的選擇框，選擇設備輸入密碼后即可返回。藍牙客戶端相關應用已被封裝成模塊，所以選擇恰當?shù)哪K，用合理的邏輯將其組合就能實現(xiàn)相應功能

調用。

5 百葉窗功能

系統(tǒng)實際運行邏輯：設備上電后，需進行初始化操作，舵機葉片位置清零。單片機判斷是否接入藍牙，從而決定工作模式。非藍牙模塊激活情況下，HC-SR501紅外傳感器在感知信號時，經(jīng)過一段時間（0.3～18 s）的延時，輸出一個高電平，并一直保持該狀態(tài)；當檢測范圍內(nèi)無人時，經(jīng)過36 s的延時后確認感測范圍內(nèi)人非短暫離開，其輸出變?yōu)榈碗娖剑⑼ㄟ^PA口將電平信號送入單片機。單片機在確認相應高電平開啟信號后，接收光敏傳感器信號并進入中斷，通過輸出不同占空比周期為20 ms的PWM信號控制舵機葉片在0～90°內(nèi)翻轉。當藍牙模塊被激活時，系統(tǒng)變?yōu)樗{牙控制。APP傳送葉片角度信息，單片機將角度信息轉化為脈沖波輸出給舵機。

該系統(tǒng)目前所能實現(xiàn)的具體功能主要表現(xiàn)為以下幾個

方面：

（1）自動周期性掃描室內(nèi)人員情況并根據(jù)室內(nèi)是否有人控制窗簾開關；在此基礎上設置延遲，防止出現(xiàn)因人員短時間進出導致反復開關，避免浪費。

（2）處于開機狀態(tài)時，對室內(nèi)采光強度進行檢測，單片機依據(jù)設定的控制邏輯控制舵機調節(jié)百葉窗。百葉窗可實現(xiàn)0～180°翻轉。

（3）當人為開關百葉窗時，比如午睡，可以通過手機APP借助藍牙連接單片機，遙控設定百葉窗的開啟或者關閉狀態(tài)以及角度等。

6 結 語

本設計采用STM32作為主控，系統(tǒng)通過藍牙實現(xiàn)對百葉窗的遠程控制。人體紅外傳感器與光敏傳感器配合使得百葉窗可根據(jù)環(huán)境自主做出決策。用戶可以在不接觸百葉窗的情況下對其進行離線控制，在一定程度上豐富了百葉窗的控制方式。本文結合百葉窗的具體功能要求，簡要設計了對應的智能控制方案，為相關產(chǎn)品提供了一種新的發(fā)展思路，豐富了用戶體驗。隨著智能家居相關技術的不斷成熟與發(fā)展，智能家居系統(tǒng)的發(fā)展前景將更加廣闊。

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