CN110989375A - 一种基于WiFi和蓝牙5.0的智能窗帘控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于WiFi和蓝牙5.0的智能窗帘控制系统，所述系统包括：主控制芯片模块，用于系统电路的逻辑整体控制；电源模块，为其他模块供电；电机驱动模块，作为直流电机的驱动源；按键控制模块，提供可选的手动控制窗帘操作；光照采集模块，将光照强度按照数值采集提供给主控芯片；数据通讯模块，包含蓝牙与无线WiFi子模块，用于系统与用户的数据交互通讯。本发明简化结构，成本较低，通讯方式丰富，具有可扩展性。
Description
技术领域
本发明涉及单片机嵌入式控制系统、蓝牙数据传输、无线WiFi数据传输、窗帘电机控制，具体涉及一种基于WiFi和蓝牙5.0的智能窗帘控制系统。
背景技术
智能家居从二十世纪九十年代后期开始在国内日益兴起，其中智能窗帘作为智能家居的一个分支，其受欢迎程度虽不及冰箱、电视等数码产品，但随着人们日常生活水平的提升，生活观念已然发生改变，对自动化控制的青睐也推动了遥控窗帘市场的发展。目前自动窗帘系统在国内是一个新兴的行业，也分为全自动窗帘与半自动窗帘。全自动窗帘的感应基础是日照光线和温度，在设定的光线和温度下自动开启窗帘和关闭窗帘；半自动窗帘的操作是不需要走到窗边手动拉动窗帘，只需要通过手持遥控设备就可以操作。这种设备可以是遥控器，也可以是智能手机等产品。
发明内容
现有智能可控制窗帘存在结构复杂、成本高、控制通讯方式偏单一等缺点，为解决现有技术不足，本发明提供一种基于WiFi和蓝牙5.0的智能窗帘控制系统，其使用者可以通过电脑、智能手机等终端控制窗帘拉开的程度，设置一天中开启与闭合窗帘的固定时间，能够根据光照强度选择用户喜好的舒适度，当太阳光过强时能够自动闭合窗帘。相较于传统技术采用无线遥控器控制方式，由现代流行的蓝牙与无线网络控制方式将无疑受到更多青睐，由国际蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)颁布的BLE5.0协议通信速率提升2倍以及广播包的数据承载量是蓝牙4.2版本的8倍。且本设计中的智能窗帘作为家电网络系统子系统，其软件控制协议将兼容其他智能家电，具有可扩展性。
本发明的技术方案如下：
一种基于WiFi和蓝牙5.0的智能窗帘控制系统，所述系统包括：
主控制芯片模块，用于系统电路的逻辑整体控制；
电源模块，为其他模块供电；
电机驱动模块，作为直流电机的驱动源；
按键控制模块，提供可选的手动控制窗帘操作；
光照采集模块，将光照强度按照数值采集提供给主控芯片；
数据通讯模块，包含蓝牙与无线WiFi子模块，用于系统与用户的数据交互通讯。
进一步，所述主控制芯片模块采用STM32F103C8T6微处理器(以下简称单片机)，该32位单片机基于ARM Cortex-M3内核，结合了高性能的RISC内核，运行频率可达72MHz，并且拥有20K字节SRAM高速内嵌存储器,增强范围的强化输入/输出和外部连接至两个APB总线。
所述电源模块采用AMS1117系列稳压器，3号管脚接5V直流电源输入，2号管脚接VCC电源，5V直流电源输入VCC电源分别串联一个1uF电容后与1号管脚相连并且接地。
电机驱动模块采用L298N驱动电路，L298N是恒压恒流式2A驱动芯片，内部含有4通道逻辑驱动电路，适合驱动本设计采用的直流减速电机。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号Vss(4.5-7V电压)，单片可驱动2台电动机，电机驱动电源电压DC 5-35V。系统通过单片机的PA12、PA11管脚分别对驱动芯片5,7脚输入控制电平来控制电机的转动，并且该模块EnA，EnB接地以控制电机的全速运转。其中S2、S3作为行程开关，分别连接单片机的PA3与PA4管脚将在电机运转到最大行程时，停止电机转动，这也表示窗帘已经完全拉开或完全闭合。
再进一步，所述按键控制模块采用S5、S6、S7三个按键分别连接单片机PA5、PA6、PA7三个管脚，按键S5控制电机正转拉开窗帘，按键S6控制电机反转闭合窗帘，按键S7停止窗帘电机转动。
更进一步，所述光照采集模块采用BH1750FVI光电传感器。利用它的高分辨率可探测较大范围的光强度变化。接近人眼视觉灵敏的光谱灵敏度特性，输出对应光照度的数值较宽；通过50Hz/60Hz的除光噪音功能实现稳定的测量。光源依赖性弱(太阳光、白炽灯，荧光灯，卤素灯，白光LED)，可根据光学窗口调整测量结果，受红外线影响很小。该模块共4个管脚，其中1号管脚接电源VCC，2号管脚作为I2C的SCL引脚与单片机PB10连接，3号管脚作为I2C的SDA引脚与单片机PB11连接，该模块使用模拟I2C方式与单片机通讯，通过配置参数能够读取光照强度数据。
所述数据通讯模块采用蓝牙5.0通讯子模块与无线WiFi通讯子模块相结合的方式。其中，蓝牙5.0通讯子模块采用德州仪器TI-CC2640R2F芯片。CC2640R2F芯片的3号管脚与单片机PB12管脚相连接，将通过指定的IO口数据通讯协议实现蓝牙数据对单片机指令的转换，并且CC2640R2F芯片的30号管脚外接绿色状态指示灯，将在蓝牙处于可连接状态时点亮，在蓝牙数据发送与接收状态时闪烁，在蓝牙功能关闭时熄灭；无线WiFi通讯子模块采用乐鑫ESP-8266芯片集成的ATK-ESP8266MOD，其7号管脚RXD与8号管脚TXD分别与单片机的PA9/TX1、PA10/RX1连接，采用UART异步串口的方式进行数据通讯且波特率指定为115200，数据位8位，停止位1位。ATK-ESP8266MOD的13号管脚外接蓝色状态指示灯，将在WiFi处于可连接状态时点亮，在WiFi数据发送与接收状态时闪烁，在WiFi功能关闭时熄灭。双通讯子模块结合，CC2640R2F的36号管脚与ATK-ESP8266MOD的14号管脚共同外接一个校验学码按键S1，用于对控制端智能手机或设备的蓝牙、无线网络mac地址进行学码校验，在第一次使用该智能窗帘控制系统时将必须通过按下S1按键以保存记忆控制端设备mac地址，直至其中一种颜色的状态指示灯保持闪烁状态5秒即为校验成功。软件通讯控制协议具有一定的兼容性，将进一步提升本设计中控制系统的稳定性。
本发明的有益效果表现在：简化结构，成本较低，通讯方式丰富，具有可扩展性。
附图说明
图1为本发明设计中智能窗帘控制系统原理框图。
图2为主控制芯片模块原理图。
图3为电源模块原理图。
图4为电机驱动模块原理图。
图5为按键控制模块原理图。
图6为光照采集模块原理图。
图7为无线WiFi通讯子模块原理图。
图8为蓝牙5.0通讯子模块原理图。
图2-8中标号说明：R1、R2、R3、R4、R8、R9、R10、R11、R12、R13为电阻，C1、C2、C4、C5为电容，S1、S5、S6、S7为按钮开关，S2、S3为单刀单掷开关，U1为STM32F103C8T6主控芯片，U2为L298N驱动芯片，LED1为绿色发光二极管，LED2为蓝色发光二极管，D1、D2为二极管，M1、M2为数据通讯模块。
图9为无线WiFi通讯软件流程图。
图10为蓝牙芯片CC2640R2F软件控制流程图。
图11为蓝牙通讯子模块与主控制芯片之间的IO数据通讯协议。
图12为主控制芯片软件流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图12，一种基于WiFi和蓝牙5.0的智能窗帘控制系统，包括主控制芯片模块、电源模块、电机驱动模块、按键控制模块、光照采集模块与数据通讯模块这六大模块的相互关系。其中电源模块为主控制器、数据通讯模块、L298N电机驱动模块提供稳定的电压源；光照采集模块通过模拟I2C读取方式向主控制器提供采集到的光照数据值；按键信息由主控制器通过IO输入方式获取；数据通讯模块与主控制器存在串口与IO通讯两种协议。
无线WiFi子模块的软件配置方法图9所示。利用主控制器STM32程序中中的ATK_WiFi初始化函数，通过串口通讯将无线WiFi子模块按照如下具体步骤进行设置：
第一步，首先进入ATK-ESP8266MOD的AT状态，能够通过AT指令集来进行所有的配置，一般烧写固件后上电默认为AT状态。
第二步，进入AT状态后需要设置无线网络子模块为WiFi中的Station模式，通过串口发送语句“AT+CWMODE_DEF＝1”。
第三步，进入无线网络station模式后需要将窗帘机设置为一个单独的WiFi站点，并且开启station模式下的DHCP动态地址池分配功能，通过串口发送语句“AT+CIPSTA_DEF＝"192.168.6.100","192.168.6.1","255.255.255.0"”之后再发送“AT+CWDHCP_DEF＝1,1”。本发明实例中以192.168.6.***网段为家用路由器网段进行说明。
第四步，设置无线wifi网络站点名称与密码，通过串口发送语句“AT+CWJAP＝"Curtain","12345678"”，本发明实例中以Curtain为WiFi名称SSID，以12345678为密码。
第五步，开启无线网络子模块的透传功能，将用户端协议直接通过串口方式与主控制器进行数据交互，通过串口发送语句“AT+SAVETRANSLINK＝1,"192.168.6.101",1002,"TCP"”。本发明实例中以192.168.6.101为具体设备IP地址，建立TCP连接并且设置通讯端口号为1002。
第六步，具体设备按照如表1所示的16进制数据通讯协议与主控制芯片进行数据，以达到通过WiFi软件设置光照舒适度、拉开闭合窗帘电机、设置电机行程、读取位置信息等功能。
蓝牙5.0通讯子模块的软件程序逻辑如图11所示，CC2640R2F采用TI-RTOS嵌入式实时操作系统，该RTOS任务概念上等同于在单个C程序中并行执行函数的独立线程，它存在优先级Priority的分配、以及任务信号量Semphore的设计，从程序main函数的入口开始，具体如下配置步骤
第一步，调用RegisterAssertCback(AssertHandler)，使得全局中断禁止，并且为新的应用层各接口函数注册新的回调函数接口，以捕获储存在BLE5-Stack协议栈中的中断向量。
第二步，调用PIN_init(UserGpioInitTable)，对芯片上不同管脚映射的GPIO口做初始化操作，对应不同的功能性IO口，分别设置输入输出方向、输入输出模式、以及IO口通讯速率等参数。
第三步，调用Power_setConstraint(PowerCC26XX_IDLE_PD_DISALLOW)，使能CC2640R2F的电源低功耗管理，。
第四步，初始化并注册ICall消息模块组件，蓝牙5.0软件程序设计由于兼容原因分为App和Stack两个工程区，所以它们之间的通信需要重新设计，ICall组件基于TI-RTOS提供服务(例如，同步线程、消息、事件)，完成BLE协议栈和应用程序在两个工程间的信息交互。
第五步，调用GAPRole_createTask()，在创建的GAP协议使能任务中初始化蓝牙广播，设置广播关闭时间，并调节advertOffTime参数为0，代表一直进行广播。设置广播响应数据，设置广播数据，设置参数更新请求，设置广播连接间隔，设置广播从机延迟，设置连接超时等信息。蓝牙5.0核心规范协议允许蓝牙通讯中存在多种角色，本发明实例中将蓝牙芯片设定为Peripheral从机角色，也可理解为蓝牙外围设备，由智能手机、电脑终端等产品作为Central角色发起蓝牙连接。
第六步，调用User_createTask()，将自定义的用户主函数以任务形式创建，并将该任务优先级设置为第3级，作为应用层在RTOS系统中使用。其中包含蓝牙芯片与主控制芯片IO口数据协议格式初始化，通用IO口逻辑控制，蓝牙数据收发处理等功能。
第七步，调用BIOS_start()，使能全局中断向量，开启SYS/BIOS系统运转。
特别需要说明的是，WiFi路径、蓝牙5.0路径与设备之间的通讯协议格式相同，均如表1所示。其中设备代表智能手机、电脑终端等产品，主机代表窗帘控制系统。所有数据包的末尾都采用16位CRC校验数据，用以防止传输时数据包格式出错并且提升空中数据安全性。
表1为设备通讯协议
表1
主控制芯片的软件流程如图12所示，STM32的时钟初始化部分采用倍频系数为9，串口、IO、按键也需要进行初始化。在中断中加入两种协议的收发序号标志位，并且由对应的处理函数进行响应处理，两个处理函数都置于主循环中，并且设立缓冲区以满足数据包传输需要。
Claims (8)
1.一种基于WiFi和蓝牙5.0的智能窗帘控制系统，其特征在于，所述系统包括所述系统包括：
主控制芯片模块，用于系统电路的逻辑整体控制；
电源模块，为其他模块供电；
电机驱动模块，作为直流电机的驱动源；
按键控制模块，提供可选的手动控制窗帘操作；
光照采集模块，将光照强度按照数值采集提供给主控芯片；
数据通讯模块，包含蓝牙与无线WiFi子模块，用于系统与用户的数据交互通讯。
2.如权利要求1所述的基于WiFi和蓝牙5.0的智能窗帘控制系统，其特征在于，所述主控制芯片模块采用STM32F103C8T6微处理器，该32位单片机基于ARM Cortex-M3内核，结合了高性能的RISC内核，运行频率可达72MHz，并且拥有20K字节SRAM高速内嵌存储器，增强范围的强化输入/输出和外部连接至两个APB总线。
3.如权利要求1或2所述的基于WiFi和蓝牙5.0的智能窗帘控制系统，其特征在于，所述电源模块采用AMS1117系列稳压器，3号管脚接5V直流电源输入，2号管脚接VCC电源，5V直流电源输入VCC电源分别串联一个1uF电容后与1号管脚相连并且接地。
4.如权利要求1或2所述的基于WiFi和蓝牙5.0的智能窗帘控制系统，其特征在于，所述电机驱动模块采用L298N驱动电路，L298N是恒压恒流式2A驱动芯片，内部含有4通道逻辑驱动电路，适合驱动本设计采用的直流减速电机。L298N可接受标准TTL逻辑电平信号Vss，单片可驱动2台电动机，电机驱动电源电压DC 5-35V；通过单片机的PA12、PA11管脚分别对驱动芯片5,7脚输入控制电平来控制电机的转动，并且该模块EnA，EnB接地以控制电机的全速运转，其中S2、S3作为行程开关，分别连接单片机的PA3与PA4管脚将在电机运转到最大行程时，停止电机转动，这也表示窗帘已经完全拉开或完全闭合。
5.如权利要求1或2所述的基于WiFi和蓝牙5.0的智能窗帘控制系统，其特征在于，所述按键控制模块采用S5、S6、S7三个按键分别连接单片机PA5、PA6、PA7三个管脚，按键S5控制电机正转拉开窗帘，按键S6控制电机反转闭合窗帘，按键S7停止窗帘电机转动。
6.如权利要求1或2所述的基于WiFi和蓝牙5.0的智能窗帘控制系统，其特征在于，所述光照采集模块采用BH1750FVI光电传感器，通过50Hz/60Hz的除光噪音功能实现稳定的测量，该模块共4个管脚，其中1号管脚接电源VCC，2号管脚作为I2C的SCL引脚与单片机PB10连接，3号管脚作为I2C的SDA引脚与单片机PB11连接，该模块使用模拟I2C方式与单片机通讯，通过配置参数能够读取光照强度数据。
7.如权利要求1或2所述的基于WiFi和蓝牙5.0的智能窗帘控制系统，其特征在于，所述数据通讯模块采用蓝牙5.0通讯子模块与无线WiFi通讯子模块相结合的方式。
8.如权利要求7所述的基于WiFi和蓝牙5.0的智能窗帘控制系统，其特征在于，所述蓝牙5.0通讯子模块采用德州仪器TI-CC2640R2F芯片。CC2640R2F芯片的3号管脚与单片机PB12管脚相连接，将通过指定的IO口数据通讯协议实现蓝牙数据对单片机指令的转换，并且CC2640R2F芯片的30号管脚外接绿色状态指示灯，将在蓝牙处于可连接状态时点亮，在蓝牙数据发送与接收状态时闪烁，在蓝牙功能关闭时熄灭；无线WiFi通讯子模块采用乐鑫ESP-8266芯片集成的ATK-ESP8266MOD，其7号管脚RXD与8号管脚TXD分别与单片机的PA9/TX1、PA10/RX1连接，采用UART异步串口的方式进行数据通讯且波特率指定为115200，数据位8位，停止位1位；ATK-ESP8266MOD的13号管脚外接蓝色状态指示灯，将在WiFi处于可连接状态时点亮，在WiFi数据发送与接收状态时闪烁，在WiFi功能关闭时熄灭；
双通讯子模块结合，CC2640R2F的36号管脚与ATK-ESP8266MOD的14号管脚共同外接一个校验学码按键S1，用于对控制端智能手机或设备的蓝牙、无线网络mac地址进行学码校验，在第一次使用该智能窗帘控制系统时将必须通过按下S1按键以保存记忆控制端设备mac地址，直至其中一种颜色的状态指示灯保持闪烁状态5秒即为校验成功。
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