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[第二届] 第二届UEAL第四轮主观题--儿童防丢器

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本帖最后由秦时茗月于 2016-5-27 09:40 编辑

第四轮主观题——儿童防丢器

--冰城雪狸队starysoul

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视频链接： http://pan.baidu.com/s/1cp3iWm
密码：mpf4

简介：本次设计了一个基于BlunoM3控制器实现儿童防丢器设计。该系统的硬件单元包括报警电路，接收器件和发射器件，液晶显示电路等。此次设计完成了全部基本功能，但由于没有GPS等拓展模块加上时间不够，故而没有进行发挥部分的设计。

1、器件简介及方案论证

1.1 Bluno M3 控制器简介

Bluno M3 是一款基于ARM处理器并且兼容Arduino接口的开源硬件平台。一款集成了蓝牙4.0通信模块和32位主控芯片STM32F103RET6的微控制器。作为Bluno 家族新的一员， Bluno M3继承了Bluno系列的几个特点：支持蓝牙通信、支持无线编程和支持手机控制等。在此基础上BlunoM3 也新增了新的功能——更强大的处理性能，更大的存储空间和更多的接口资源。这完全得益于它现在采用的32位主控芯片。

32位主控器相比传统的8位单片机，在性能上拥有显著的优势，但它的开发环境较为复杂，开发难度也相对较高。Bluno M3不同于以往其他的32位主控，在保留了其强大性能的同时，也兼容了Arduino的简单方便的使用方法。

Bluno M3拥有39个数据输入/输出口，管脚分布兼容了Arduino UNO 管脚，提供SPI和I2C通信接口，支持无线烧录功能及其BLE通信功能，可与手机APP配合"走你"APP使用。板载电源管理系统支持USB和外接电源自动切换，可直连USB供电或7-12v的宽电压供电。并支持传统STM32 SWD编程调试。

1.1 方案论证

通信方案设计：

方案一：采用两块bluno M3板卡进行通信。
方案二：采用bluno M3板卡与Bluetooth模块进行通信
方案三：使用安卓手机与之bluno M3进行通信

此次设计要求了必须采用给定板卡进行设计，而bluno M3是采用蓝牙4.0技术，bluetooth却是采用的蓝牙2.0技术，理论上无法进行通信，而手中只有一块m3的板卡，因此，本设计采用方案三。

2、显示电路的选择

方案一：采用LCD1602。
方案二：采用OLED12864。

由于此次设计需要显示的数据较多，采用LCD1602可能需要滚屏显示，这样会增加软件设计的复杂程度。显示器件采用wavesheer公司的 12864OLED模块，同等条件下，该器件显示效果要比LCD好。因此采用方案二。采用4线SPI方式进行数据传输，这样做的目的是节省IO，使硬件连接上也更为简洁。

3、收发信号装置的选择

此次设计采用了Bluno M3控制器板卡作为发射装置。Bluno M3控制器而这款控制器集成了蓝牙4.0通信模块和32位主控芯片STM32F103RET6的微控制器，因此，可以使用板载蓝牙模块与接收端通信。

接收端则选用的是安卓手机。安卓手机可以连接Bluno M3，通过二者间的蓝牙通信判断发射与接收端距离。当手机距离开发板3至5米时，蜂鸣器将报警并持续5秒。而在10米至20米后，蜂鸣器将持续报警。

4、报警的实现

电路图如下：

用了三极管来驱动蜂鸣器， R38 主要用于防止蜂鸣器的误发声。当 BEEP 输出高电平的时候，蜂鸣器将发声，当 BEEP 输出低电平的时候，蜂鸣器停止发声。

5、系统设计

5.1 接受与发射装置间通信的实现

首先解释一下通过蓝牙进行距离的测定方法：
距离计算公式：

d = 10 ^ ((abs(RSSI) - A) / (10 * n)

其中d为距离，RSSI是接收到的信号强度。 A是发射端和接收端相距1米时的信号强度。 n则是指环境衰减因子。

在信号传输时，控制器接收到RSSI值之后，返回距离。在设计时，A值和n值通过调试后分别取了70和1.8。

实现的代码如下：

将蓝牙进行连接，arduino 端先通过UART端口实现对蓝牙写如下指令：

AT + BAUD4 :配置波特率为115200 （在Bluno M3中能够自动连接上手机）
AT + MODE2 :设置为透传及遥控模式
AT + ROLE1:主从设置

之后arduino端通过发送AT + RSSI监听UART口的返回的数据。使用sring函数处理并提取设备的RSSI值。

值得注意的是，在室内信号传输时，信号在传输过程中会受到由于障碍物形成的反射和散射信号的影响，因而得到的结果可能有些偏差，需要对数学模型进行修正，在室内条件下，可以考虑用正态分布模型。

5.2 Bluno AT指令集

AT 指令列表见附录1

6、系统总体框图

7、软件设计流程

8、结语

能够完成此轮比赛我真的是感到非常幸运，期间咨询了很多进行过相关项目开发的同学，也获得了社区中大神们的辅助。在通过蓝牙测距的实现上，以前一直只知道蓝牙用来通信，多方打探才知道了蓝牙测距的原理和实现方法，期间学习的过程真是充满艰辛，惊喜和满足的。在此，我对他们表示衷心的感谢。此外，还要感谢云汉集团给予我们高校学子的锻炼机会，你们所组织的这个高校电子竞赛也让我们受益匪浅。虽然所学不多，但会尽力为支持你们的这个活动做出自己的成果，为支持你们这种活动和精神贡献出自己的一份力。不论最后结果如何，这次比赛让我见识到了其他学校优秀的同学们，也深刻认识到了自己在求知的路上还需兢兢业业，刻苦学习。最后，祝愿此次大赛圆满成功！

9、实物展示

视频链接： http://pan.baidu.com/s/1cp3iWm
密码：mpf4

附录1

<CR+LF> 即回车+换行，所有的AT指令都是以windows下的回车作为结束符
不要把“<CR+LF>”这几个字符当做AT指令的一部分

1. "AT+FSM" 设置BLE芯片工作模式
AT+FSM=FSM_TRANS_USB_COM_BLE<CR+LF>       设置USB转串口模式，开启BLE功能。
AT+FSM=FSM_HID_USB_COM_BLE_AT<CR+LF>       设置USB转串口模式，开启BLE HID功能
AT+FSM=?<CR+LF>       查询当前BLE芯片的工作模式（默认：FSM_TRANS_USB_COM_BLE）

2. "AT+ROLE" 设置BLE芯片主从机状态
AT+ROLE=ROLE_CENTRAL<CR+LF>       设置BLE工作在主机状态下
AT+ROLE=ROLE_PERIPHERAL<CR+LF>       设置BLE工作在从机状态下
AT+ROLE=?<CR+LF>       查询当前BLE芯片的主从机状态。（默认值为ROLE_PERIPHERAL）

3. "AT+MIN_INTERVAL" 设置BLE芯片最小通信间隔，以毫秒为单位
AT+MIN_INTERVAL=10<CR+LF>       对于PC和Android，建议设为为10。
AT+MIN_INTERVAL=20<CR+LF>       对于iOS设备，建议设置为20。
AT+MIN_INTERVAL=?<CR+LF>       查询当前BLE芯片的通信间隔。默认值为10

4. "AT+MAX_INTERVAL" 设置BLE芯片最大通信间隔，以毫秒为单位
AT+MAX_INTERVAL=10<CR+LF>       对于PC和Android，建议设为为10。
AT+MAX_INTERVAL=40<CR+LF>       对于iOS设备，建议设置为40。
AT+MAX_INTERVAL=?<CR+LF>       查询当前BLE芯片的通信间隔。默认值为10

5. "AT+UART" 设置物理串口波特率
AT+UART=115200<CR+LF>       设置物理串口波特率为115200
AT+UART=?<CR+LF>       查询当前BLE芯片物理串口的波特率。默认值为115200

6. "AT+BIND" 设置BLE芯片绑定蓝牙地址
AT+BIND=0x0017ea9397e1<CR+LF>       设置BLE芯片绑定的蓝牙地址为0x0017ea9397e1
AT+BIND=?<CR+LF>       查询当前BLE芯片绑定蓝牙地址。默认值为0x000000000000

7. "AT+CMODE" 设置BLE芯片连接模式
AT+CMODE=UNIQUE<CR+LF>       设置连接模式为指定蓝牙地址连接模式（指定蓝牙地址由BIND命令设置，见"AT+BIND" ）
AT+CMODE=ANYONE<CR+LF>       设置连接模式为任意蓝牙地址连接模式（不受BIND命令设置地址的约束，见"AT+BIND"）
AT+CMODE=?<CR+LF>       查询当前BLE芯片连接模式。默认值为ANYONE

8. "AT+MAC"查询BLE芯片MAC地址
AT+MAC=?<CR+LF>       查询当前BLE芯片MAC地址

9. "AT+NAME" 设置和查询当前设备名称
AT+NAME=DFBLEduinoV1.0<CR+LF>       设置模块名称为“DFBLEduinoV1.0”。ascii码形式，小于等于13字节
AT+NAME=?<CR+LF>       查询当前模块名称，默认值为DFBLEduinoV1.0

10. "AT+RESTART" 重启BLE芯片
AT+RESTART<CR+LF>       重启BLE芯片
11. "AT+SETTING" 改变或恢复默认设置 (BLE firmware 1.6 新功能)
AT+SETTING=DEFAULT<CR+LF>       恢复初始设定，和“PERIPHERAL”初始设定相同
AT+SETTING=DEFPERIPHERAL<CR+LF>       恢复成从机模式的初始设定
AT+SETTING=DEFCENTRAL<CR+LF>       恢复成主机模式的初始设定
AT+SETTING=?<CR+LF>       询问初始设定 (默认: DEFPERIPHERAL). 如果使用了AT指令更改了一些设置，BLUNO将会回复 "UNKNOWN"

12. "AT+BLUNODEBUG" 控制蓝牙已连接状态下，BLE芯片串口接收到的数据是否通过usb串口打印出来。这样就可以通过Arduino的串口监视器得到BLUNO发送的串口数据(BLE firmware 1.6 新功能)
AT+BLUNODEBUG=ON<CR+LF>       控制蓝牙已连接状态下，BLE芯片串口接收到的数据通过usb串口打印出来。
AT+BLUNODEBUG=OFF<CR+LF>       控制蓝牙已连接状态下，BLE芯片串口接收到的数据不通过usb串口打印出来。
AT+BLUNODEBUG=?<CR+LF>       查询蓝牙已连接状态下，BLE芯片串口接收到的数据是否通过usb串口打印出来 (默认: ON)

13. "AT+USBDEBUG" 控制蓝牙数据是否通过USB口打印出来 (BLE firmware 1.6 新功能)
AT+USBDEBUG=ON<CR+LF>       开启蓝牙数据通过USB串口打印开关。
AT+USBDEBUG=OFF<CR+LF>       关闭蓝牙数据通过USB串口打印开关。
AT+USBDEBUG=?<CR+LF>       R查询当前蓝牙数据开关的状态 (默认: OFF)

14. "AT+TXPOWER" 设置蓝牙发射功率. (BLE firmware 1.6 新功能)
AT+TXPOWER=0<CR+LF>       设置发设功率。 (4, 0, -6 或 -23)
AT+TXPOWER=?<CR+LF>       查询当前发射功率 (默认: 0)

15. "AT+IBEACONS" 是否开启iBeacons功能(BLE firmware 1.6 新功能)
AT+IBEACONS=ON<CR+LF>       开启ibeacons广播
AT+IBEACONS=OFF<CR+LF>       关闭ibeacons广播。
AT+IBEACONS=?<CR+LF>       查询当前ibeacons广播的状态（默认：ON）

16. "AT+VERSION" 查看固件版本(BLE firmware 1.6 新功能)
AT+VERSION=?<CR+LF>       查看当前固件版本

17. "AT+RSSI" 返回当前的RSSI值 (BLE firmware 1.6 新功能)
AT+RSSI=?<CR+LF>       返回当前的RSSI值(未连接状态下返回-000)

18. "AT+MAJOR" 设置iBeacons的MAJOR号 (BLE firmware 1.6 新功能)
AT+MAJOR=0<CR+LF>       设置iBeacons的MAJOR号为 "0". (0-65535)
AT+MAJOR=?<CR+LF>       查询当前iBeacons的MAJOR号(默认： "0")

19. "AT+MINOR" 设置iBeacons的MINOR号(BLE firmware 1.6 新功能)
AT+MINOR=0<CR+LF>       设置iBeacons的MINOR号为"0". (0-65535)
AT+MINOR=?<CR+LF>       查询当前iBeacons的MINOR号.(default "0")

20. "AT+PASSWORD" 设置和查询匹配后AT指令密码(BLE firmware 1.7 新功能)
AT+PASSWORD=?<CR+LF>       查询蓝牙匹配后AT指令密码（一般通过USB连接查询）
AT+PASSWORD=abc<CR+LF>       设置蓝牙匹配后AT指令密码（一般通过USB连接设置）

21. "AT+EXIT" 退出AT指令模式(BLE firmware 1.8 新功能)
AT+EXIT<CR+LF>       退出AT指令模式

处理器, 控制器, 单片机, 防丢器, 主观题