基于藍(lán)牙技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)空調(diào)程控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
2008-07-25
作者：麥漢榮， 廖勁光， 韓 波， 廖
??? 摘 要： 基于藍(lán)牙技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)空調(diào)程控" title="網(wǎng)絡(luò)空調(diào)程控">網(wǎng)絡(luò)空調(diào)程控系統(tǒng)，采用藍(lán)牙技術(shù)中的RFCOMM協(xié)議建立無(wú)線(xiàn)虛擬串行口， PC通過(guò)無(wú)線(xiàn)串口" title="串口">串口以半雙工方式對(duì)嵌入藍(lán)牙從模塊的家用空調(diào)的各種狀態(tài)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的信息交互，并對(duì)其實(shí)體進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。該系統(tǒng)除了具有常規(guī)空調(diào)的全部功能外，還能通過(guò)Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)家用空調(diào)的無(wú)線(xiàn)化與網(wǎng)絡(luò)化。
??? 關(guān)鍵詞： 藍(lán)牙技術(shù)； 信息家電" title="信息家電">信息家電； 網(wǎng)絡(luò)空調(diào)； SPP； PG電機(jī)
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??? 智能家居網(wǎng)絡(luò)將計(jì)算機(jī)數(shù)字化技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)融入傳統(tǒng)的家用電器中，使之智能化并具有網(wǎng)絡(luò)信息終端主動(dòng)發(fā)布、獲取和處理信息等功能[3]。基于藍(lán)牙技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)空調(diào)是信息家電的一部分，與常規(guī)家用空調(diào)相比，它具有無(wú)線(xiàn)化和網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)點(diǎn)。所謂無(wú)線(xiàn)化，即不消耗任何的空間資源，在原有的PC上接入無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙Dongle即可對(duì)多部藍(lán)牙空調(diào)實(shí)現(xiàn)一對(duì)多的雙工無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互動(dòng)；而網(wǎng)絡(luò)化就是在網(wǎng)站上建立虛擬空調(diào)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)模塊以及Internet達(dá)到與家用空調(diào)的同步控制，實(shí)現(xiàn)家庭空調(diào)的網(wǎng)絡(luò)可視化。
??? 目前，許多網(wǎng)絡(luò)接入方案如參考文獻(xiàn)[5]和[6]采用將網(wǎng)卡（Modem）嵌入空調(diào)內(nèi)部，通過(guò)外接網(wǎng)線(xiàn)（電話(huà)線(xiàn)）直接連接服務(wù)器。該方案可以實(shí)現(xiàn)信息家電的所有功能，但是必須為每臺(tái)家電分配專(zhuān)用的網(wǎng)絡(luò)IP以及接口，而這種方式對(duì)于家庭有線(xiàn)線(xiàn)路的重新布局會(huì)造成極大不便，嵌入無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡可以解決此問(wèn)題，但是增加空調(diào)成本，并且?guī)挼馁Y源利用率不高。本文使用無(wú)線(xiàn)藍(lán)牙模塊，只需一臺(tái)具備上網(wǎng)功能的PC機(jī)外接藍(lán)牙Dongle，即能控制室內(nèi)所有嵌入藍(lán)牙從模塊的家用電器，藍(lán)牙（CLASS I）的傳輸距離一般可達(dá)10m，這使藍(lán)牙模塊的嵌入式設(shè)計(jì)成為信息家電系統(tǒng)的最佳選擇。
1藍(lán)牙技術(shù)
1.1 藍(lán)牙結(jié)構(gòu)
??? 藍(lán)牙協(xié)議體系結(jié)構(gòu)具體分為三部分[4]：(1)底層硬件模塊，包括射頻(RF)、基帶層(BB)和鏈路管理層(LM)，負(fù)責(zé)在藍(lán)牙單元之間建立物理射頻鏈路；(2)中間協(xié)議層，包括邏輯鏈路控制適配協(xié)議(L2CAP)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議(SDP)、串行仿真協(xié)議(RFCOMM)和電話(huà)控制協(xié)議(TCS)， 負(fù)責(zé)為應(yīng)用層提供通用服務(wù)接口；(3)高端應(yīng)用層，包含通用接入 Profile(GAP)、串行端口Profile(SPP)、頭戴式設(shè)備Profile(HSP)、通用對(duì)象交換Profile(GOEP)、文件傳輸Profile(FTP)等。藍(lán)牙SPP虛擬串口應(yīng)用就是以應(yīng)用層的各Profile相互堆積而成的，呈“金字塔”結(jié)構(gòu)[2]，如圖1所示。
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圖1 藍(lán)牙串口應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖
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1.2 藍(lán)牙RFCOMM
??? 目前很多傳統(tǒng)的應(yīng)用都是基于有線(xiàn)方式開(kāi)發(fā)的，藍(lán)牙如果不能解決對(duì)傳統(tǒng)協(xié)議的適配問(wèn)題，就很難成為一個(gè)廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)了。因此，藍(lán)牙制定了一些“適配協(xié)議”，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)應(yīng)用的支持。電纜替代協(xié)議（RFCOMM）是一個(gè)簡(jiǎn)單傳輸協(xié)議，附加了RS-232串口仿真的規(guī)定，在藍(lán)牙基帶協(xié)議（Baseband）上仿真RS232的控制和數(shù)據(jù)信號(hào)。為使用串行線(xiàn)傳送機(jī)制的上層協(xié)議提供服務(wù)支持， RFCOMM可以提供一個(gè)RS-232的物理接口，通過(guò)PIN對(duì)PIN的硬件接口進(jìn)行非RFCOMM部分的流控制操作。
1.3? 藍(lán)牙串行口Profile
??? 藍(lán)牙串行通信接口Profile（SPP）是RFCOMM協(xié)議的典型應(yīng)用。在兩個(gè)設(shè)備之間建立虛擬串口，并用藍(lán)牙連接兩個(gè)設(shè)備的有線(xiàn)串口電纜。任何現(xiàn)成的應(yīng)用都可以在兩個(gè)設(shè)備上運(yùn)行，使用虛擬仿真串口就像存在一個(gè)真正的串口電纜連接兩個(gè)設(shè)備,串口的波特率可達(dá)到128kb/s。本設(shè)計(jì)采用CSR公司的IDE軟件bluelab3.5.2對(duì)CSR藍(lán)牙模塊BlueCore3-Multimedia進(jìn)行編程，其流程圖如圖2所示。
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1.4 藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)幀" title="數(shù)據(jù)幀">數(shù)據(jù)幀格式
??? 無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的一對(duì)多傳輸必然會(huì)出現(xiàn)隱藏終端和暴露終端的問(wèn)題， 因此，不同ID的藍(lán)牙空調(diào)與PC主機(jī)進(jìn)行通信必須由主機(jī)統(tǒng)一分配。在初始化過(guò)程中，主機(jī)將發(fā)送廣播信息搜集主機(jī)廣播范圍內(nèi)所有應(yīng)答的從機(jī)ID，通過(guò)不同的ID范圍，PC主機(jī)可以辨認(rèn)每一個(gè)從機(jī)類(lèi)型，針對(duì)不同的家用電器進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)類(lèi)型的通信。當(dāng)主機(jī)主動(dòng)發(fā)出控制命令時(shí)，不需通過(guò)廣播信息，直接尋址發(fā)送控制命令至從機(jī)，從機(jī)完成相關(guān)命令后，發(fā)送ACK應(yīng)答報(bào)告命令執(zhí)行完畢，應(yīng)答幀中應(yīng)該包含對(duì)應(yīng)控制命令更改后的參數(shù)值，使得主從同步。當(dāng)從機(jī)有事件發(fā)生需要報(bào)告主機(jī)時(shí)，必須先發(fā)送RTS信號(hào)至主機(jī)，如果收到CTS信號(hào)，則說(shuō)明主機(jī)模塊處于空閑狀態(tài)，從機(jī)就可以發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)幀至主機(jī)，否則說(shuō)明主機(jī)忙，需回避一段隨機(jī)時(shí)間后再次發(fā)送RTS至主機(jī)應(yīng)答為止，這樣，就能夠避免出現(xiàn)主機(jī)與兩個(gè)或兩個(gè)以上從機(jī)通信時(shí)不同從機(jī)的干擾。由于數(shù)據(jù)幀的傳輸是按需進(jìn)行的，所以從機(jī)碰撞概率很低，采用RTS-CTS的方式已經(jīng)能很好地實(shí)現(xiàn)一主多從的通信模式。
??? 藍(lán)牙主從模塊通信的數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示，其中器件地址包括從機(jī)地址和廣播地址。所有從機(jī)對(duì)廣播地址的數(shù)據(jù)幀都具有接收功能，因此，藍(lán)牙主機(jī)可以喚醒216-1=65 535個(gè)從機(jī)。幀功能傳送包括模式切換、溫度、開(kāi)關(guān)、風(fēng)速等信息。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度包括幀功能、數(shù)據(jù)信息和校驗(yàn)碼的字節(jié)長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)信息為傳送的數(shù)據(jù)，包括命令和數(shù)據(jù)。累加和校驗(yàn)碼是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、幀功能和數(shù)據(jù)信息的累加和。
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圖3 藍(lán)牙通信數(shù)據(jù)幀格式
2 網(wǎng)絡(luò)空調(diào)程控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1?硬件框圖
??? 藍(lán)牙空調(diào)硬件框圖如圖4所示。常規(guī)空調(diào)的控制實(shí)體主要有室外風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、室內(nèi)風(fēng)機(jī)、換向閥和風(fēng)門(mén)電機(jī)五部分，以紅外遙控作為輸入，蜂鳴器、數(shù)碼管（LED燈）作為程控系統(tǒng)的輸出。而藍(lán)牙空調(diào)加入雙工藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的短距離無(wú)線(xiàn)通信，能實(shí)時(shí)獲取空調(diào)內(nèi)部狀態(tài)反饋，通過(guò)PC機(jī)與空調(diào)的交互，增強(qiáng)控制的穩(wěn)定性與可靠性。
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2.2?風(fēng)門(mén)電機(jī)
??? 風(fēng)門(mén)電機(jī)負(fù)責(zé)控制空調(diào)送風(fēng)扇頁(yè)的角度，達(dá)到定點(diǎn)送風(fēng)的目的，一般具備至少5個(gè)不同的固定角度以及各角度定時(shí)切換到自動(dòng)和擺動(dòng)功能。自動(dòng)模式每隔一段較長(zhǎng)的時(shí)間就改變一次扇頁(yè)角度，每次更改均會(huì)回?cái)[至最大校正角再返回特定角位；而擺動(dòng)模式不需要回?cái)[校正角，不斷（短間隔）地在中間角度來(lái)回?cái)[動(dòng)，給人一種自然風(fēng)的感覺(jué)。因此，風(fēng)門(mén)電機(jī)必須具有比較精確的旋轉(zhuǎn)角度控制，具有正/反轉(zhuǎn)控制功能和慢速調(diào)整功能。本系統(tǒng)選用步角距為5.625度/64四相六線(xiàn)式的步進(jìn)" title="步進(jìn)">步進(jìn)電機(jī)，由其步角距可以計(jì)算得到步進(jìn)電機(jī)完成一周需要4 096次步進(jìn)，如果每5ms進(jìn)行一次步進(jìn)，則正轉(zhuǎn)一周需要20s，而且5.625度/64的精度也能達(dá)到上述要求。步進(jìn)電機(jī)的原理如圖5所示，對(duì)于單片機(jī)控制來(lái)說(shuō)，四相引腳按照A、AB、B、BC、C、CD、D、DA八個(gè)節(jié)拍循環(huán)的順序以5ms的間隔進(jìn)行賦值并用寄存器實(shí)時(shí)計(jì)算步進(jìn)角即能達(dá)到空調(diào)扇頁(yè)的精確控制[7]。值得注意的是，一般的TTL電平很難產(chǎn)生足夠的扭力轉(zhuǎn)動(dòng)扇頁(yè)，所以必須加入U(xiǎn)LN2003提高驅(qū)動(dòng)電流來(lái)帶動(dòng)扇頁(yè)運(yùn)轉(zhuǎn)，如圖6所示。
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圖6 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)空調(diào)原理圖
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2.3?PG電機(jī)的控制
??? PG電機(jī)負(fù)責(zé)室內(nèi)風(fēng)機(jī)強(qiáng)風(fēng)、中風(fēng)和微風(fēng)三種不同風(fēng)速的相互切換，利用反饋信號(hào)產(chǎn)生閉環(huán)控制達(dá)到無(wú)級(jí)調(diào)速的目的[8]。PG電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，反饋端將產(chǎn)生一個(gè)或三個(gè)脈沖，這樣就能及時(shí)測(cè)出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。對(duì)于PG電機(jī)的平穩(wěn)調(diào)速[9]，本文分用戶(hù)層和底層兩個(gè)層次進(jìn)行控制。在用戶(hù)層，每隔1s MCU利用實(shí)測(cè)的轉(zhuǎn)速和用戶(hù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速的差值調(diào)整調(diào)制深度，如表1所示。粗調(diào)可以節(jié)省調(diào)制時(shí)間，加快空調(diào)的響應(yīng)速度，微調(diào)可以增加精度，這樣不斷地從反饋轉(zhuǎn)速中獲取應(yīng)變?cè)瓌t，不斷修正轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)以平穩(wěn)地達(dá)到用戶(hù)要求的修正值。
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??? PG電機(jī)底層可以分為三個(gè)部分：過(guò)零檢測(cè)、轉(zhuǎn)速檢測(cè)和風(fēng)速驅(qū)動(dòng)部分。如圖6所示，單片機(jī)每25ms由過(guò)零檢測(cè)電路檢測(cè)到相線(xiàn)零點(diǎn)后開(kāi)始計(jì)時(shí)，延時(shí)用戶(hù)層中設(shè)定延遲時(shí)間后，由單片機(jī)啟動(dòng)可控硅導(dǎo)通，通過(guò)每秒鐘步進(jìn)導(dǎo)通角（間隔125μs）的次數(shù)即可以達(dá)到調(diào)速的目的。
2.4?壓縮機(jī)和室外風(fēng)機(jī)
??? 壓縮機(jī)和室外風(fēng)機(jī)的控制信號(hào)由ULN2003提供。值得注意的是，頻繁啟動(dòng)對(duì)壓縮機(jī)的損害很大，為了更好地延長(zhǎng)壓縮機(jī)的壽命，最好先啟動(dòng)室外風(fēng)機(jī)，再啟動(dòng)壓縮機(jī)，并在壓縮機(jī)關(guān)閉后，必須延時(shí)一段時(shí)間后才允許重新啟動(dòng)，所以，本設(shè)計(jì)做出以下規(guī)定：(1)當(dāng)室溫-設(shè)定溫度≥1℃時(shí)，壓縮機(jī)滿(mǎn)足3min延時(shí)條件，室外風(fēng)機(jī)先啟動(dòng)5s，接著壓縮機(jī)工作; (2)室溫-設(shè)定溫度≤1℃,壓縮機(jī)停機(jī)，室外風(fēng)機(jī)延時(shí)20s停機(jī)，壓縮機(jī)需延時(shí)3min，才能再次啟動(dòng)。
3 網(wǎng)絡(luò)空調(diào)程控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
?? 從軟件層面來(lái)說(shuō)該系統(tǒng)可以分為三大部分，分別是(1)控制實(shí)體：壓縮機(jī)模塊、風(fēng)門(mén)電機(jī)模塊、室內(nèi)風(fēng)機(jī)模塊、室外風(fēng)機(jī)模塊和換向閥模塊；(2)輸入輸出部件：E2PROM存儲(chǔ)模塊、數(shù)碼管顯示模塊、溫濕度采集模塊;(3)接口：UART串口模塊、紅外接收模塊。三大部件統(tǒng)一由多任務(wù)調(diào)配模塊和定時(shí)器分配模塊進(jìn)行任務(wù)的調(diào)度，由任務(wù)調(diào)度定時(shí)器產(chǎn)生從5ms～1min不同等級(jí)的定時(shí)中斷標(biāo)志，設(shè)定時(shí)間到則激活相應(yīng)的任務(wù)標(biāo)志位，主線(xiàn)程檢測(cè)到標(biāo)志位為1時(shí)運(yùn)作相應(yīng)的模塊，這樣，就可以避免模塊間的相互干擾，利用時(shí)分復(fù)用方法呈現(xiàn)多任務(wù)并行的表現(xiàn)形式。主線(xiàn)程不斷循環(huán)檢測(cè)標(biāo)志位，在入口處先判斷空調(diào)的操作模式，一般空調(diào)分為制冷、制熱、除濕、送風(fēng)及溫感自動(dòng)（即根據(jù)室溫判斷冷熱模式）五種模式，然后根據(jù)操作模式的不同激活相應(yīng)的模塊。以制冷模式為例，其流程圖如圖7所示，充分體現(xiàn)了以上原則；該圖中，由于制冷模式是溫感模式中的一部分，故程序入口必須判斷室溫是否達(dá)到溫感控制的要求退出制冷模式；程序以輪詢(xún)的方式分別從E2PROM獲得默認(rèn)參數(shù)，設(shè)定風(fēng)門(mén)電機(jī)的正反方向的擺動(dòng)角度，設(shè)置內(nèi)風(fēng)機(jī)的風(fēng)速大小，外風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間以及壓縮機(jī)的限時(shí)保護(hù)等。系統(tǒng)按步驟獨(dú)立地高速運(yùn)行，以達(dá)穩(wěn)定性要求。
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??? 單片機(jī)內(nèi)部資源的利用率達(dá)到90%以上，其中外部中斷0用于PG電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋的計(jì)數(shù)；外部中斷1用于過(guò)零檢測(cè)啟動(dòng)控制PG電機(jī)的可控硅導(dǎo)通計(jì)時(shí)；定時(shí)器0采用定時(shí)方式3，上半部TH0產(chǎn)生125μs即8kHz的采樣頻率計(jì)算可控硅導(dǎo)通時(shí)間以及紅外接收的占空比大?。籘L0將定時(shí)器中斷作為外部中斷判斷紅外接收占空比計(jì)數(shù)的開(kāi)始與結(jié)束；定時(shí)器1被用作串口的波特率發(fā)生器；定時(shí)器2是程序的核心，產(chǎn)生5ms～1min不同級(jí)別的定時(shí)要求。應(yīng)該注意的是不同模塊的兼容性問(wèn)題，例如μs級(jí)精確延時(shí)（如18B20單總線(xiàn)溫度采集、紅外接收）可能存在被長(zhǎng)延時(shí)中斷或外部中斷截?cái)喽鴮?dǎo)致模塊失控甚至系統(tǒng)崩潰，因而必須提高μs級(jí)延時(shí)的中斷優(yōu)先權(quán)以及在執(zhí)行前暫停其他的中斷允許位，避開(kāi)不穩(wěn)定因素。
??? 在廣東江門(mén)金羚集團(tuán)的支持下，本系統(tǒng)采用藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，構(gòu)造了信息家電系統(tǒng)的整體框架，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了新型的網(wǎng)絡(luò)空調(diào)程控系統(tǒng)，試驗(yàn)樣機(jī)表明：該樣機(jī)能達(dá)到較好的制冷效果和較高的監(jiān)控性能。與常規(guī)的全自動(dòng)空調(diào)相比，樣機(jī)除了具備普通空調(diào)功能外，還實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)的藍(lán)牙雙工信息傳輸功能以及遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)視功能，無(wú)須在空調(diào)外圍添加任何設(shè)備或?qū)＞€(xiàn)、在PC上外接藍(lán)牙主模塊就能異地對(duì)樣機(jī)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)監(jiān)視與控制。
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