CN105022256A - 一种指针式多功能智能时钟的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种指针式多功能智能时钟的设计方法属于石英钟设计技术领域。一种指针式多功能智能时钟的设计方法，包括将在钟面上的指针与钟面后的机芯相连接，机芯是由机芯齿轮箱和机芯驱动电路模块组成，机芯驱动电路模块由电池模块供电，机芯驱动电路模块还与备用时钟模块、温湿度传感器模块、可燃和有毒气体检测模块、PM2.5颗粒检测模块和双模蓝牙接口模块相连接，其中双模蓝牙接口模块还连接音频解码与功放模块、TF存储卡模块。本发明实现了时钟向着智能化、人性化和网络家居化发展，这是当前高速网路信息化社会的一个必然趋势。

Description

一种指针式多功能智能时钟的设计方法

技术领域

本发明一种指针式多功能智能时钟的设计方法属于石英钟设计技术领域，尤其是设计一种指针式多功能智能时钟的设计方法。

背景技术

目前市场上出现的指针式石英钟技术主要有以下缺点：

现有技术：目前市场上出现的指针式的能够自动控制校准时间的石英钟，主要有三种：

第一种，通过220V交流电源供电，通过局域以太网或485网络或互联网获得网络中的中心母钟或NTP服务器获取标准时间, 然后为指针式石英钟终端自动授时。

 这种产品最大缺点:

（1）不能电池供电；

（2）需要通过有线的网络获取授时，一般需要在用户入住建筑物的前期装修期间就铺设通信网络接口和电源电缆，大多应用于办公楼、医院、铁路、广场等公共场合，不适合民用，且功耗大、价格昂贵，需要实时在线供电。

第二种，指针钟本身不用有线网络，直接接收GPS信号授时，但要架设较长的室外天线，因为在居家及办公建筑室内一般接收不到GPS信息，不利于安装和施工，且需要220V电源在线供电，不适合室内独立应用场合。

   第三种，电波指针钟：

通过接收中国国家授时中心电波塔(河南商丘)发射的北京标准时间无线电信号BPC(频率68.5KHz)，利用时钟内置微处理器转换，控制时钟的走动，使时钟显示时间与北京标准时间保持准确一致。其靠普通电池供电，内置天线接收长波授时电台信号，在建筑物内对长波电台授时信号解码从而得到标准时间信息。这种产品最大缺点:

（1）虽然解决了室外天线问题，但局限性很大，无线长波授时电台覆盖的范围很不健全，即便是能覆盖的地区，其落在建筑物内的信号十分微弱，对所处的地址位置有严格要求，在室内安装时，要考虑建筑物对电波的屏蔽性，需要人工手持石英钟在室内移动踩点后安装，而且解码电路复杂，解码时间很长，效率低下。

（2）不同国家的电波频率不一样，解码电路不一样，覆盖范围不一样，导致设计成本高昂。

（3）电波钟信号微弱，解码电路复杂，一般内嵌在机芯中，使得机芯的结构非常复杂。

前述的三种具有以下共同缺点：

（1）应用局限性很大，对安装的地理位置有特殊要求。

（2）功能单一，只能授时，没有其他功能。

（3）不能随意显示世界各大时区的时间，相对来讲，电波钟在经济性、民用化、家庭化等方面做的最好，但也只是针对某一国家或地区的授时，在某一时区或地区工作的电波钟，不能够指示另一个时区的时间。

（4）不能与当前应用最普及的智能手机和移动互联网连接并交换信息。

（5）不能在智能家居中应用，不具有环境监测和有毒可燃气体报警等常用辅助功能。

（6）不能方便地设置和管理闹钟和提醒功能，不能灵活地配置灯光和音乐等提醒方式。

（7）铃声提醒音乐等文件不能任意下载。

（8）不能对家庭或使用场所的重要成员的场景出现行为进行识别和记录。

发明内容

本发明为解决现有技术中的不足，提供一种应用于家庭的石英钟的新设计方案，具体的设计方案为：一种指针式多功能智能时钟的设计方法，包括将在钟面上的指针与钟面后的机芯相连接，机芯是由机芯齿轮箱9和机芯驱动电路模块1组成，机芯驱动电路模块1由电池模块2供电，机芯驱动电路模块1还与备用时钟模块3、温湿度传感器模块6、可燃和有毒气体检测模块7、PM2.5颗粒检测模块8和双模蓝牙接口模块10相连接，其中双模蓝牙接口模块10还连接音频解码与功放模块4、TF存储卡模块5。

为了更好的实现本发明的技术方案，可以进一步的将上述技术方案改进为：

在于所述的机芯驱动电路模块以单片机为主处理器，单片机平时主要处于睡眠模式，每隔15.625毫秒唤醒一次，唤醒后检查当前的工作状态，根据工作状态决定是否需要输出脉冲驱动齿轮机芯的时分马达、秒马达等操作，同时检查是否有按键按下、电池电压是否满足要求，随后进入睡眠；同时机芯驱动电路模块每隔15秒采集一次温湿度传感器模块及有毒可燃气体的检测模块及PM2.5颗粒检测模块，并对当前的温湿度，及可燃气体的浓度值进行保存和更新或送手机APP显示；在每天规定的时间和机芯驱动电路模块通过蓝牙接口和手机通信时，将所采集的传感数据发到手机APP上更新；机芯驱动电路模块可以控制蓝牙接口模块、音频解码和功放模块、TF卡模块、温湿度传感器的电源；在各模块不需要工作时完全切断该模块的电源供给，以防止静态电流的消耗。

在于所述的系统中的PM2.5颗粒检测模块与可燃和有毒气体报警器模块，由独立的5V直流开关电源供电。

在于所述的备用时钟模块通过I2C总线与单片机通信，可提供年月日时分秒等备用信息，在石英钟初始上电冷启动时，在规定的时间内，如果手机蓝牙没有发布时间，则读取备用时钟模块作为石英钟指针时间；每次在智能钟和手机连接获取标准时间后，以新的时间为校准时间，在整数秒的时刻对备用时钟模块的备用时间进行校准。

在于所述的温湿度传感器模块，采用传感器，每隔15秒上电一次，单片机通过IO口模拟单总线时序读取传感器数据，温湿度传感器模块可以在用户不需要时通过手机设置而关闭电源；默认传感器数据每隔15秒更新一次，手机通过蓝牙通信时，获取的是内存中保存的最近一次的传感器数据。

在于所述的可燃和有毒气体检测模块，可燃气体检测采用烟雾气敏传感器模块，用来探测液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等；有毒气体检测采用半导体式VOC气体传感器，侦测0.1ppm以上的气体，用于检测空气中的甲醛、苯、二甲苯等多种有机挥发成分，默认采集时间为15秒一次，由机芯驱动模块处理器控制。

在于所述的PM2.5颗粒检测模块，采用灰尘传感器，用来测量0.8微米以上的微尘粒子,感知烟草产生的咽气和花粉,房屋粉尘等，默认采集时间为15秒一次，由机芯驱动模块处理器控制。

在于所述的机芯齿轮箱模块由机芯驱动模块处理器控制，齿轮箱有2个马达，分别驱动秒针和时分针，秒针的归零反馈光耦为S2，时分针的归零反馈光耦为S1；S2和S1不能同时工作，当秒针归零时S2工作，分针归零时S1工作；VIN引脚为光耦LED电流，接电阻R8用来限制光耦发光管电流小于4毫安，VOUT引脚为光耦光敏三极管输出电流信号，接电阻R9用来在指针达到归零点时，将输出的脉冲电流，转换为大于2.5V的脉冲电压；机芯归零时，光耦以16HZ的方波脉冲形式工作，先秒针归零，然后分针归零；秒针在55秒左右，光耦S2通过Vout输出光脉冲电压信号；分针归零时，在51.5分左右，光耦S1通过Vout输出光脉冲电压信号；秒马达驱动秒针步进工作，秒针走一步0.375度；“正常工作”或“追时”时都以16Hz速度工作；秒马达以正负脉冲形式驱动，驱动电流小于150UA，脉冲占空时间31.25毫秒；时分马达驱动时针和分针步进工作，分针走一步1度；“追时”时最快以16Hz速度工作，正常运行时10秒针走一步；分钟马达驱动走360步则时针走1小时；分马达以正负脉冲形式驱动，电流小于310微安，脉冲占空时间46.875毫秒；机芯的归零和追时校时先秒针归零，启动秒光耦和秒马达，秒针以16HZ脉冲驱动快走，在检测到有效秒光耦脉冲后，立刻关闭秒光耦，在计步M步后，秒归零结束；然后启动分光和分马达，指针以最大16HZ脉冲驱动快走，在检测到有效分光耦脉冲后，继续走N步，关光耦，归零结束；归零时，还要考虑到接收到无效光耦脉冲情况：秒针在55秒前启动秒归零，在1秒内接收到光反馈，即认为是无效反馈；分归零时，在4秒内接收到光反馈，即认为时无效反馈；同时，分归零检测到光反馈信号要保持一定时间，才能计步继续走N步，然后归零结束；归零结束后，读取单片机自身实时时间，然后进入追时阶段，秒针的追时实际是等待单片机自身时间与秒针所指示时间相等时，启动秒驱动脉冲；分针的追时，最大以16HZ的分脉冲驱动；只要单片机时间与指针指示时间不等，就要进入追时，追时时，如果指针所指示时间大于实际时间，且在5分钟内，则采取等待模式，等时间到达后，再发出分脉冲，否则直接追时。

在于所述的低功耗双模蓝牙接口模块负责与手机蓝牙的通信，并控制TF卡的存储和铃声音乐的下载和播放；低功耗双模蓝牙接口模块的电源可由机芯驱动模块关闭；该接口采用的蓝牙控制器是TI的CC2564双模蓝牙芯片，集成了BR/EDR/LE并与蓝牙4.0规范兼容。

在于还设计有一个与所述双模蓝牙接口模块相连接想对应的IOS手机和安卓手机模块，IOS手机和安卓手机模块通过手机APP安装到手机上，实现时钟与手机间的互动操作。

说明书附图

     图1为本发明一种指针式多功能智能时钟的设计方法系统结构框图。

具体实施方式

一种指针式多功能智能时钟的设计方法（参见图1），包括将在钟面上的指针与钟面后的机芯相连接，机芯是由机芯齿轮箱9和机芯驱动电路模块1组成，机芯驱动电路模块1由电池模块2供电，在于机芯驱动电路模块1还与备用时钟模块3、温湿度传感器模块6、可燃和有毒气体检测模块7、PM2.5颗粒检测模块8和双模蓝牙接口模块10相连接，其中双模蓝牙接口模块10还连接音频解码与功放模块4、TF存储卡模块5。

为了更好的说明本发明的一种指针式多功能时钟的特点，下面进行更详细的说明：

一、机芯驱动电路模块1：

    功能1：通过IO控制机芯齿轮箱9驱动齿轮箱带动指针马达转动。

功能2：检测4.2V充电电池2的电压，判断剩余电量。

功能3：在得到标准时间后，通过I2C总线修改校准备用时钟模块3的时间。在石英钟初始化上电后，若在5分钟内没有得到手机的标准时间，则读取备用时钟模块3的备用时间。

功能4：每隔一定时间（可通过手机设定，默认15秒钟）对温湿度传感器模块6、可燃和有毒气体检测模块7、PM2.5颗粒检测模块8提供的温度、湿度、可燃和有毒气体浓度、PM2.5值进行检测并保存。

    功能5：定时通过IO口控制低功耗双模蓝牙接口模块10的上电和断电（注意：低功耗双模蓝牙接口模块10又控制音频解码与功放模块4、TF卡存储模块5的上电和断电，如果低功耗双模蓝牙接口模块10没有上电，则控制音频解码与功放模块4、TF卡存储模块5不可能上电），在需要连接手机获取时间或发布传感器数据时，给低功耗双模蓝牙接口模块10上电，低功耗双模蓝牙接口模块10上电后通过异步串口与机芯驱动电路模块1进行通信，并通过蓝牙接口与无线手机通信。

    功能6: 机芯驱动电路模块1自身带有按键输入和LED指示，通过按键接收人工调整时间，或打开蓝牙或复位。通过LED进行状态指示。

（1）、机芯驱动电路模块1是整个系统的控制核心，以单片机（可以采用MSP430F4152单片机）为主处理器，单片机自身工作电压可在1.8~3.6V之间；4.2V充电电池经过低功耗LDO芯片变成3.3V和1.5V两种电压为该模块供电，单片机平时主要处于睡眠模式，每隔15.625毫秒唤醒一次，唤醒后检查当前的工作状态，根据工作状态决定是否需要输出脉冲驱动齿轮机芯的时分马达、秒马达等操作，同时检查是否有按键按下、电池电压是否满足要求等，随后进入睡眠，这个检查和驱动的过程在0.7毫秒左右，单片机系统大部分时间睡眠，睡眠时系统的整机耗电全部用于机芯的马达驱动。

同时机芯驱动电路模块1每隔10秒采集一次温湿度传感器模块及有毒可燃气体的检测模块及PM2.5传感器模块，并对当前的温湿度及可燃和有毒气体的浓度值进行保存和更新或送手机APP显示。

在每天规定的时间（该时间用户也可通过手机APP利用蓝牙接口无线与智能时钟通信自定义设定）和机芯驱动电路模块1通过蓝牙接口和手机通信时，将所采集的传感数据发到手机APP上更新。

机芯驱动电路模块1单片机睡眠时，32768Hz晶振依然计数，作为整个机芯系统的时间源，在15.625ms定期唤醒后，再以32768Hz的32倍频即1.048576MHz的低频工作，低功耗且快速的执行秒针走时、分针走时、传感器采集和蓝牙接口等的各项操作。

机芯驱动电路模块1晶振32768Hz采用市场上最普通的直插式12.5PF无源晶振，通过MSP430F4152单片机内部集成电容和外部12PF可调电容，利用软件设定单片机内部电容范围，并通过硬件调节外部可调电容的方式，先使得32768HZ的频率误差在0.001HZ以内。然后在系统运行时，每隔1小时对由于晶振引起的估计误差进行软件补偿。

机芯驱动电路模块1上采用专用石英钟马达驱动芯片直接驱动齿轮箱工作，马达驱动芯片采用标准工作电压1.5V，马达驱动脉宽0.98~31.25毫秒之间，马达驱动芯片的静态电流0.1UA，极低功耗。

机芯驱动电路模块1可以控制蓝牙接口模块、音频解码和功放模块、TF卡模块、温湿度传感器的电源。在各模块不需要工作时完全切断该模块的电源供给，以防止静态电流的消耗。

（2）电池模块2（采用4.2V充电电池电路），专为机芯驱动模块、蓝牙接口模块、齿轮箱、TF卡和音频解码与功放模块及温湿度传感器模块供电。充电电路，输入5V直流，经BQ24092芯片控制智能为充电锂电池充电。

系统中的PM2.5传感器和可燃和气体报警器模块，由于耗电非常大，不适合电池供电，其所需的5V电源则由独立的5V直流开关电源供电，需要启用这些传感器能时，必须在线220V交流供电或外接5V直流电源。

（3）备用时钟模块3（可以采用备用PCF8563模块）

备用时钟模块3通过I2C总线与单片机通信，可提供年月日时分秒等备用信息，在石英钟初始上电冷启动时，在规定的时间内，如果手机蓝牙没有发布时间，则读取PCF8563的备用时间作为石英钟指针时间。

每次在智能钟和手机连接获取标准时间后，以新的时间为校准时间，在整数秒的时刻对PCF8563的备用时间进行校准。

   备用时钟模块3备用PCF8563模块自带纽扣电池，独立时钟运行，通过I2C总线受模块1控制。

（4）音频解码与功放模块4。

音频解码与功放模块4采用AC3F97音频解码芯片和HXj8002功放芯片播放MP3音乐铃声，该部分电路由蓝牙接口模块的主处理器MSP430F5438控制，在不工作时，不使能功放芯片，以降低静态电流消耗。

(5) TF存储卡模块5,主要用来存储铃声音乐，用户场景出现的信息和其他信息也存储在TF卡里事先保存，可通过手机读取。TF存储卡模块5同时被蓝牙接口模块的主处理器MSP430F5438控制用来存储通过手机下载的音乐文件。同时TF卡也在播放音乐时受音频解码芯片AC3f97的控制用来读取TF卡存储的铃声音乐文件。

音频解码与功放模块4和TF存储卡模块5，直接受双模蓝牙接口模块10控制，其电源供电由双模蓝牙接口模块10通过IO控制上电和断电。这样在不需要的时候，利用双模蓝牙接口模块10彻底关掉电源，可最大程度的降低静态功耗。同时双模蓝牙接口模块10通过SPI总线负责对TF卡存储模块5的读写，双模蓝牙接口模块10通过异步串口负责和音频解码与功放模块4进行通信。

TF卡存储模块5，既通过SPI模式由双模蓝牙接口模块10进行读写，同时也通过SD模式由音频解码与功放模块4进行读写。但双模蓝牙接口模块10和音频解码与功放模块4对TF卡存储模块5的读写不能同时进行。

TF卡存储模块5的总线到底与双模蓝牙接口模块10连接还是与音频解码与功放模块4连接，是由双模蓝牙接口模块10负责，双模蓝牙接口模块10通过控制CD74HC4053电子开关，来达到物理上切换TF卡存储模块5总线的连接方式。

音频解码与功放模块4自身有功放电路，功放电路部分是否工作可以由双模蓝牙接口模块10通过IO控制，只有在需要放音时，双模蓝牙接口模块10才使能该功放电路。

（6）温湿度传感模块6，采用DHT11传感器，每隔15秒上电一次，单片机通过IO口模拟单总线时序读取传感器数据。温湿度传感模块6可以在用户不需要时通过手机设置而关闭电源。默认传感器数据每隔15秒钟更新一次，手机通过蓝牙通信时，获取的是内存中保存的最近一次的温湿度数据。温湿度传感模块6本身集成AD转换器，通过单总线与机芯驱动电路模块1连接，机芯驱动电路模块1通过IO口模拟温湿度传感模块6的时序，每隔固定时间，读取一次温湿度值。同时温湿度传感模块6的上电和断电可以由机芯驱动电路模块1控制，在定时时间到，需要读取机芯驱动电路模块1的数据时为温湿度传感模块6上电，读取完毕后，机芯驱动电路模块1立刻为温湿度传感模块6断电。

 （7）可燃和有毒气体检测模块，可燃气体检测采用MQ-2烟雾气敏传感器模块，用来探测液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等；有毒气体检测采用半导体式VOC气体传感器MS1100，具有极高的灵敏度和稳定性，能够侦测0.1ppm以上的气体，用于检测空气中的甲醛、苯、二甲苯等多种有机挥发成分，默认采集时间为10秒一次，由机芯驱动模块处理器MSP430F4152控制。

  （8）PM2.5颗粒检测模块8，采用2Y1010AU0F 灰尘传感器，用来测量0.8微米以上的微尘粒子,感知烟草产生的咽气和花粉,房屋粉尘等，默认采集时间为10秒一次，由机芯驱动模块处理器MSP430F4152控制。

可燃和有毒气体检测7和PM2.5颗粒检测模块8，两模块耗电很大，不适合电池供电，所以需要单独配备独立的5V直流电源模块，也可以外接输入。可燃和有毒气体检测7输出2路电压信号指示可燃和有毒气体的浓度，PM2.5颗粒检测模块8输出1路电压信号指示PM2.5的颗粒浓度，这3路电压信号经过调理电路后接到模块1的3个AD转换引脚，模块1每隔10秒钟对AD信号进行转换，并转换成浓度值保存或报警处理，所保存的值在与手机连接后，通过蓝牙接口传送给手机。

（9）机芯齿轮箱模块9直接由机芯驱动电路模块1的IO控制，并由专用1.5V低功耗绑定驱动芯片直接驱动时分秒指针马达运行。

机芯齿轮箱模块9由机芯驱动模块处理器MSP430F4152控制，齿轮箱有2个马达（马达11-1和马达11-2），分别通过传动齿轮连接来驱动秒针12和时分针13，S2作为秒针的归零反馈光耦，S1作为时分针的归零反馈光耦。S2和S1不能同时工作，当秒针归零时S2工作，分针归零时S1工作。VIN引脚为光耦LED电流，接电阻R8用来限制光耦发光管电流小于4毫安，VOUT引脚为光耦光敏三极管输出电流信号，接电阻R9用来在指针达到归零点时，将输出的脉冲电流，转换为大于2.5V的脉冲电压。机芯归零时，光耦以16HZ的方波脉冲形式工作，先秒针归零，然后分针归零。秒针在55秒左右，光耦S2通过Vout输出光脉冲电压信号。分针归零时，在51.5分左右，光耦S1通过Vout输出光脉冲电压信号。

秒马达驱动秒针步进工作，秒针走一步0.375度。“正常工作”或“追时”时都以16Hz速度工作。秒马达以正负脉冲形式驱动，驱动电流小于150UA，脉冲占空时间31.25毫秒。时分马达驱动时针和分针步进工作，分针走一步1度。“追时”时最快以16Hz速度工作，正常运行时10秒针走一步。分钟马达驱动走360步则时针走1小时。分马达以正负脉冲形式驱动，电流小于310微安，脉冲占空时间46.875毫秒。

   （10）机芯的归零和追时校时

先秒针归零，启动秒光耦和秒马达，秒针以16HZ脉冲驱动快走，在检测到有效秒光耦脉冲后，立刻关闭秒光耦，在计步M步后，秒归零结束；然后启动分光和分马达，指针以最大16HZ脉冲驱动快走，在检测到有效分光耦脉冲后，继续走N步，关光耦，归零结束。归零时，还要考虑到接收到无效光耦脉冲情况：秒针在55秒前启动秒归零，在1秒内接收到光反馈，即认为是无效反馈。分归零时，在4秒内接收到光反馈，即认为时无效反馈。同时，分归零检测到光反馈信号要保持一定时间，才能计步继续走N步，然后归零结束。

归零结束后，读取单片机自身实时时间，然后进入追时阶段，秒针的追时实际是等待单片机自身时间与秒针所指示时间相等时，启动秒驱动脉冲。分针的追时，最大以16HZ的分脉冲驱动。只要单片机时间与指针指示时间不等，就要进入追时，追时时，如果指针所指示时间大于实际时间，且在5分钟内，则采取等待模式，等时间到达后，再发出分脉冲，否则直接追时。

    （11）电池电压和剩余电量的检测

     锂充电电池电压，每隔10秒检测一次，机芯驱动电路模块1中的处理器MSP430F4152根据锂电池电压和剩余电量的曲线关系，判定电池的剩余电量。

    （12）状态指示

     机芯驱动电路模块，驱动红绿两种灯，用来显示运行状态、电量报警、来电提醒等灯光指示。

    （13）双模蓝牙接口模块10

     双模蓝牙接口模块10（可以用MSP430F5438+CC2564低功耗双模蓝牙接口模块），双模蓝牙接口模块10的硬件上电和断电受机芯驱动电路模块1控制，通过异步串口与机芯驱动电路模块1进行通信，异步通信工作模式：波特率115200bps，8位，无校验。

   同时该模块又控制音频解码与功放模块4和TF卡存储模块5的上电和断电。通过异步串口与音频解码与功放模块4通信，异步通信工作模式：波特率19200bps，8位，无校验。通过SPI总线与TF卡存储模块5同步通信，由双模蓝牙接口模块10自身提供同步时钟。

    同时双模蓝牙接口模块10负责蓝牙控制芯片的打开和关闭，控制与手机的蓝牙连接和数据交换，手机中下载安装的APP作为一个桥梁负责手机与机芯驱动电路模块1之间的数据交换。

双模蓝牙接口模块10负责与手机蓝牙的通信，并控制TF卡的存储和铃声音乐的下载和播放。双模蓝牙接口模块10的电源可由机芯驱动模块关闭。

双模蓝牙接口模块10采用的蓝牙控制器是TI的CC2564双模蓝牙芯片，集成了BR/EDR/LE并与蓝牙4.0规范（直到HCI层）兼容。CC2564双模蓝牙芯片可以速率高达4Mbps的UART-HCI接口配合MSP430F5438A主机控制及应用程序层工作，同时其板载电源管理、针对各种模式的低功耗优化满足系统需求。

    双模蓝牙接口模块10程序采用基于C/C++编写的Stonestreet One Bluetopia蓝牙协议栈，支持Bluetooth 2.1 + EDR 和 Bluetooth 4.1特性，提供调试接口以及库函数API手册。在与手机蓝牙连接时，如果需要高速数据传输下载铃声文件时则采用传统高速蓝牙模式,在传送时间或其他功能等数据量较少的场合则采用蓝牙低功耗LE模式。

   （14）关于手机（主要是IOS手机和安卓手机）中的APP软件

手机蓝牙APP 的功能实现是本系统的一个至关重要的内容。

    该模块是产品的上位机，获取标准时间，显示传感器数据，设置智能钟各种参数。只能直接和双模蓝牙接口模块10进行无线通信。

第一 系统功能

1时钟信息：

1.1时钟编号名：每个智能钟的名字，名字后缀带有出厂编号，该编号是唯一的，一个手机可以根据该名字对不同的终端进行设置。

1.2硬件版本：硬件版本号用来指示产品的升级换代。

1.3传感器列表功能状态：指示支持的智能钟传感器条目，并标明在当前版本下那些可用，那些不可用。

1.4电量显示及报警：手机APP用数字或滚动条指示智能钟的剩余电量，智能钟这面利用灯光或音乐对电池的剩余电量报警。

实现方式：

时钟信息包括“时钟编号”，“版本”，“传感器列表”，“剩余电量”，平时这些信息存放在智能钟终端内存中，智能钟负责管理这些信息，其中“剩余电量”信息10秒会更新一次，智能钟本身也对剩余电量进行灯光或音乐报警，手机在和智能钟通信获取后可在手机上利用数字或图形指示。

智能钟每次与手机建立连接（默认值是在每个小时的整点及半点时刻）通信校时时，都会顺便把这些信息一同反馈给手机APP，然后手机保存这些信息在本地，并根据这些数据修改界面的显示数值或报警图形等。

2、连接通信模式设置：

为了节省智能钟和手机的耗电，用户可通过手机APP设置每天和智能钟连接获取传感器数据的时刻和周期，系统通信方式默认如下：

第一，手机APP正常默认如下：

APP在每天手机自身时间的整点时刻以及每个小时的半点时刻打开蓝牙尝试与智能钟发起连接，如果在5分钟之内不能连接，说明手机不在智能钟周围，则停止连接，然后等待下一个整点或半点连接时刻。如果在5分钟内与智能钟进行了一次连接，在连接通信完毕后，双方都退出连接，等待过半小时后的下一个连接时刻。

第二，智能钟正常默认方式

智能钟根据自身时间，在每个整点时刻及每小时的半点时刻再延迟10秒后打开蓝牙接口，发出可连接广播，等待手机通过蓝牙和自己连接。如果手机此时正在尝试连接则立即响应连接，并开始通信，通信完毕后，双方退出连接，智能钟关闭蓝牙，等待下一次连接。如果智能钟这面在5分钟后，一直没有接收到手机APP发来的连接请求，说明手机不在周围，则主动关闭蓝牙，然后等待下一次连接。

正常情况下，手机APP所指示的时间与智能钟的时间最多相差几秒，所双方互相等待的时间一般不会超过10秒。连接后的处理过程也非常短暂，每次连接后对时或交换数据的时间，一般在50毫秒以内，双方在此过程中的功耗非常低。

第三，用户如果不采用系统的默认值，也可以修改采用以下连接方式：

(1)手机始终尝试与智能钟进行连接，成功连接后便不再断开，除非手机远离智能钟或者用户主动设置断开连接，或者用户切换到其他连接模式。

（2）手机在每天用户设定的固定时间段内进行连接，一旦连接，就不再断开，除非手机远离智能钟或者用户主动断开连接，或者用户切换到其他连接模式。

（3）选择用户设定的固定时刻尝试与智能钟连接，但要在整点和半点时刻，可以根据自己的情况屏蔽某些时间点，在每次连接并完成通信后，双方退出连接。

 用户在修改手机的设置后，如果要立即生效，可以按下智能钟面板上的“打开蓝牙”按键，该键按下后，智能钟立刻启动蓝牙，然后手机与智能钟连接，自动修改设置。否则，该次设置要等到在双方的下一次连接后才生效。

3蓝牙连接方式

手机APP指示手机支持的蓝牙通信方式：LE低功耗蓝牙或传统BR/EDR模式。

实现方式：

用何种蓝牙模式与智能钟通信，完全取决于手机APP应用程序。手机APP程序会自动查找该手机所支持的蓝牙模式，然后智能地选择哪种模式。不带有LE模式的手机,其APP只能选择单一的传统BR/EDR模式与智能钟通信，而带有BLE模式的手机两种模式都可以，但到底采用哪种模式，由APP应用程序智能决定，在传送数据量较大的音乐文件时APP会采用传统BR/EDR模式，在传送量较少的其他应用时，APP会采用LE低功耗模式，这样会大大降低双方的通信功耗，使智能钟一次充电的使用时间更长。

手机和智能钟的每次连接过程如下：

分两种情况：

第一种，如果采用传统蓝牙BR/EDR方式：

第1步，智能钟打开蓝牙发送“可连接”、“可发现”的广播。

第2步，手机APP打开蓝牙扫描智能钟，如果是手机和智能钟的第一次连接，则在发现智能钟蓝牙设备地址后停止扫描，并记住智能钟的蓝牙设备地址BD_ADDR。

第3步，手机APP通过该蓝牙地址向智能钟发送“密钥连接”请求，与智能钟协商使用“密钥连接”方式。这个密钥即是“配对密码”，事先在智能钟里面保存，可以在双方建立连接后通过手机APP修改。

第4步，如果双方是第一次建立连接，手机这面配对密码用户还没有输入，智能钟则回送不能通过“密钥连接”的响应。

第5步，手机在第一次尝试“密钥连接”时，收到智能钟不能“密钥连接”的信息，接着向智能钟发送“配对请求”，并要求用户在手机上输入“配对密码”，此配对密码在手机上保存作为后面的连接密钥，并发送至智能钟。

第6步，智能钟发现配对密码正确，则记录下手机的蓝牙地址，并向手机发送“配对成功”响应，至此双方配对成功。

第7步，手机向智能钟发送“创建密钥连接”请求。

第8步，智能钟则把刚才配对成功的手机发来的密钥保存，然后发送“创建密钥”成功响应，此后再连接时就不需要配对了。

第9步，然后双方开始交换数据或命令。

第10步，双方数据处理。

第11步，通信完毕，手机发送“断开连接”请求，双方断开连接。智能钟如果在通信完毕后超过30秒，仍没有收到手机发来的“断开连接”请求，则主动断开连接，并关闭蓝牙接口电源。

第12步，此后每一次连接，手机不再需要扫描蓝牙设备，只需根据已经保存的智能钟蓝牙地址和配对密钥，尝试向智能钟发送“密钥链接”请求。

第13步，APP由于第一次连接时已经和智能钟协商好了通过“密钥连接”方式，同时智能钟这面也保存了手机发来的密钥和其蓝牙地址，所以不需要再次向智能钟发出配对请求。

手机只要向智能钟发出密钥连接请求，并在请求中夹带正确密钥，等待智能钟返回响应即可；智能钟这面如果收到，便会发送执行成功响应。

第14步，双方又开始传输数据

第15步，完毕后断开连接。依次类推。。。。

第二种，采用LE低功耗蓝牙方式：

  手机在LE蓝牙链路层中作为主设备，智能钟在LE链路层中作为从设备。在蓝牙属性协议层上手机作为客户端，智能钟作为服务器。

第1步，智能钟发送“可连接”、“可发现”的广播。

第2步，手机APP打开蓝牙扫描智能钟，如果是双方的第一次连接，则在发现智能钟蓝牙地址后停止扫描，并记住智能钟的蓝牙地址BD_ADDR。此后再次连接时省略该步。

第3步，手机作为客户端根据保存的智能钟蓝牙地址向智能钟服务器发起LE链接请求事件。

第4步，智能钟设备收到LE连接请求事件后，进入连接状态并回送响应，使得双方都进入LE连接状态。

第5步，手机向智能钟发送查询服务事件命令，智能钟则给出服务UUID和特性UUID。手机在第一次查询后保存智能钟的UUID，其后再次连接时不再进行查询。

第6步，手机根据智能钟的服务和特性UUID，向智能钟发出读或写请求。

      第7步，智能钟根据收到的读或写请求事件执行命令，回送响应实现数据交换。

第8步，通信完毕后，手机发送“断开连接”请求。

第9步，智能钟断开连接，然后关闭蓝牙，等待下一次连接。

第10步，此后每一次连接后，手机不再需要查询智能钟的服务特性，只需根据已经保存的智能钟蓝牙地址和保存的服务及特性UUID，与智能钟进行通信。

第11步，智能钟在下一次连接时，再次开启“可连接”、“可发现”广播。

第12步，手机作为客户端根据保存的智能钟蓝牙地址向智能钟服务器发起LE链接请求事件，智能钟响应后，双方进入连接状态。

第13步，在连接状态下，手机根据已经保存的智能钟的服务UUID和特性UUID，向智能钟发出读或写请求。

第14步，然后双方通信处理

第15步，通信完毕后，手机发送“断开连接”命令，智能钟断开链接，关闭蓝牙，等待下一次连接。以此类推…

3，广播时间设置：

3时区设置：

手机向智能钟的发送时间有一下几种：

（1）用户当前所在的时区时间；（2）当前的其他时区时间，如纽约时间，东京时间等。（3）通过手机互联网获取的其他时间。

5、整点报时+夜间止报

 用户可以设定手机音乐报时或灯光报时的整点时刻，夜间或白天哪些整点报时可以屏蔽等。

6、环境报警设置

   环境报警设置，包括温湿度的上下限，PM2.5粉尘报警浓度值，有毒和可燃气体浓度报警值。

  实现方式：

在每一个默认通信连接过程中，智能钟都会把传感器的采集数据发送给手机，手机根据设定的上下限和当前手机保存的数据进行报警处理或历史数据曲线显示。

7、来电提示设置

   设定手机来电未接提示功能：使能或不使能。

   实现方式：

要开启本功能，应该设置智能钟蓝牙接口始终打开，手机APP与智能钟始终处于连接状态。

7、数据采集设置

   设定智能钟的传感器数据采集周期，默认为15秒钟采集一次，采集的数据保存在机芯驱动单片机的内存缓冲区中，同时该数据和采集该数据的时刻也同时保存到TF卡中，以备手机APP读取。

8、网络时间源选择：

   网络时间源：（1）人工输入NTP网络地址（2）从列表里选择（3）手机系统自身时间。

9、音乐管理

   下载和删除音乐。

    两种实现方式：

(1)人工将智能钟TF卡取出，拷贝MP3铃声音乐事先到TF卡，通过手机设置选择哪种音乐作为闹铃。

(2)也可以手机通过传统蓝牙方式下载MP3音乐到TF卡。

第二 环境监测：

（1）手机显示传感器的最新数据，此数据是最近一次连接时获取的传感器数据。

（2）显示传感器在48小时内的历史数据曲线。

（3）根据传感器数据对环境进行参考分析。

第四 闹钟

（1） 手机设置闹钟名称

（2） 手机设置智能钟的提醒方式：音乐/灯光

（3） 设置响铃时长及周期和重复次数

第五 事件

 事件名称：

（1）用户重要事件的时间提醒功能。

设定在手机上记录重要事件的简单备忘录和并设置智能钟的提醒时间。

（2）设置智能钟的提醒方式：音乐或灯光

第六 提醒开关按钮

  提醒功能的打开或关闭。

第七 小助手

（1）关于

（2）帮助

（3）升级

（4）购买产品。

Claims (10)

1.一种指针式多功能智能时钟的设计方法，包括将在钟面上的指针与钟面后的机芯相连接，机芯是由机芯齿轮箱和机芯驱动电路模块组成，机芯驱动电路模块由电池模块供电，其特征在于机芯驱动电路模块还与备用时钟模块、温湿度传感器模块、可燃和有毒气体检测模块、PM2.5颗粒检测模块和双模蓝牙接口模块相连接，其中双模蓝牙接口模块还连接音频解码与功放模块、TF存储卡模块。

2.根据权利要求1所述的指针式多功能智能时钟的设计方法，其特征在于所述的机芯驱动电路模块以单片机为主处理器，单片机平时主要处于睡眠模式，每隔15.625毫秒唤醒一次，唤醒后检查当前的工作状态，根据工作状态决定是否需要输出脉冲驱动齿轮机芯的时分马达、秒马达等操作，同时检查是否有按键按下、电池电压是否满足要求，随后进入睡眠；同时机芯驱动电路模块每隔15秒采集一次温湿度传感器模块及有毒可燃气体的检测模块及PM2.5颗粒检测模块，并对当前的温湿度，及可燃气体的浓度值进行保存和更新或送手机APP显示；在每天规定的时间和机芯驱动电路模块通过蓝牙接口和手机通信时，将所采集的传感数据发到手机APP上更新；机芯驱动电路模块可以控制蓝牙接口模块、音频解码和功放模块、TF卡模块、温湿度传感器的电源；在各模块不需要工作时完全切断该模块的电源供给，以防止静态电流的消耗。

3.根据权利要求1所述的指针式多功能智能时钟的设计方法，其特征在于所述的系统中的PM2.5颗粒检测模块与可燃和有毒气体报警器模块，由独立的5V直流开关电源供电。

4.根据权利要求1所述的指针式多功能智能时钟的设计方法，其特征在于所述的备用时钟模块通过I2C总线与单片机通信，可提供年月日时分秒等备用信息，在石英钟初始上电冷启动时，在规定的时间内，如果手机蓝牙没有发布时间，则读取备用时钟模块作为石英钟指针时间；每次在智能钟和手机连接获取标准时间后，以新的时间为校准时间，在整数秒的时刻对备用时钟模块的备用时间进行校准。

5.根据权利要求1所述的指针式多功能智能时钟的设计方法，其特征在于所述的温湿度传感器模块，采用传感器，每隔15秒上电一次，单片机通过IO口模拟单总线时序读取传感器数据，温湿度传感器模块可以在用户不需要时通过手机设置而关闭电源；默认传感器数据每隔15秒更新一次，手机通过蓝牙通信时，获取的是内存中保存的最近一次的传感器数据。

6.根据权利要求1所述的指针式多功能智能时钟的设计方法，其特征在于所述的可燃和有毒气体检测模块，可燃气体检测采用烟雾气敏传感器模块，用来探测液化气、丁烷、丙烷、甲烷、酒精、氢气、烟雾等；有毒气体检测采用半导体式VOC气体传感器，侦测0.1ppm以上的气体，用于检测空气中的甲醛、苯、二甲苯等多种有机挥发成分，默认采集时间为15秒一次，由机芯驱动模块处理器控制。

7.根据权利要求1所述的指针式多功能智能时钟的设计方法，其特征在于所述的PM2.5颗粒检测模块，采用灰尘传感器，用来测量0.8微米以上的微尘粒子,感知烟草产生的咽气和花粉,房屋粉尘等，默认采集时间为15秒一次，由机芯驱动模块处理器控制。

8.根据权利要求1所述的指针式多功能智能时钟的设计方法，其特征在于所述的机芯齿轮箱模块由机芯驱动模块处理器控制，齿轮箱有2个马达，分别驱动秒针和时分针，秒针的归零反馈光耦为S2，时分针的归零反馈光耦为S1；S2和S1不能同时工作，当秒针归零时S2工作，分针归零时S1工作；VIN引脚为光耦LED电流，接电阻R8用来限制光耦发光管电流小于4毫安，VOUT引脚为光耦光敏三极管输出电流信号，接电阻R9用来在指针达到归零点时，将输出的脉冲电流，转换为大于2.5V的脉冲电压；机芯归零时，光耦以16HZ的方波脉冲形式工作，先秒针归零，然后分针归零；秒针在55秒左右，光耦S2通过Vout输出光脉冲电压信号；分针归零时，在51.5分左右，光耦S1通过Vout输出光脉冲电压信号；秒马达驱动秒针步进工作，秒针走一步0.375度；“正常工作”或“追时”时都以16Hz速度工作；秒马达以正负脉冲形式驱动，驱动电流小于150UA，脉冲占空时间31.25毫秒；时分马达驱动时针和分针步进工作，分针走一步1度；“追时”时最快以16Hz速度工作，正常运行时10秒针走一步；分钟马达驱动走360步则时针走1小时；分马达以正负脉冲形式驱动，电流小于310微安，脉冲占空时间46.875毫秒；机芯的归零和追时校时先秒针归零，启动秒光耦和秒马达，秒针以16HZ脉冲驱动快走，在检测到有效秒光耦脉冲后，立刻关闭秒光耦，在计步M步后，秒归零结束；然后启动分光和分马达，指针以最大16HZ脉冲驱动快走，在检测到有效分光耦脉冲后，继续走N步，关光耦，归零结束；归零时，还要考虑到接收到无效光耦脉冲情况：秒针在55秒前启动秒归零，在1秒内接收到光反馈，即认为是无效反馈；分归零时，在4秒内接收到光反馈，即认为时无效反馈；同时，分归零检测到光反馈信号要保持一定时间，才能计步继续走N步，然后归零结束；归零结束后，读取单片机自身实时时间，然后进入追时阶段，秒针的追时实际是等待单片机自身时间与秒针所指示时间相等时，启动秒驱动脉冲；分针的追时，最大以16HZ的分脉冲驱动；只要单片机时间与指针指示时间不等，就要进入追时，追时时，如果指针所指示时间大于实际时间，且在5分钟内，则采取等待模式，等时间到达后，再发出分脉冲，否则直接追时。

9.根据权利要求1所述的指针式多功能智能时钟的设计方法，其特征在于所述的低功耗双模蓝牙接口模块负责与手机蓝牙的通信，并控制TF卡的存储和铃声音乐的下载和播放；低功耗双模蓝牙接口模块的电源可由机芯驱动模块关闭；该接口采用的蓝牙控制器是TI的CC2564双模蓝牙芯片，集成了BR/EDR/LE并与蓝牙4.0规范兼容。

10.根据权利要求1所述的指针式多功能智能时钟的设计方法，其特征在于还设计有一个与所述双模蓝牙接口模块相连接想对应的IOS手机和安卓手机模块，IOS手机和安卓手机模块通过手机APP安装到手机上，实现时钟与手机间的互动操作。