1绪论
1.1课题研究背景及意义
随着智能科技的进步和人们不断升级的家居消费体验，越来越多的智能产品走入家庭生活中，并影响着生活的各个方面[1]。这些智能电子产品极大的方便了我们的生活，并且能够根据我们的需要控制诸如电视机、空调以及各种家用电器等的自动开关，这便是一种最简易的蓝牙智能家居控制系统[2]。除了品牌和智能化的产品，还有很多传统家电或需要红外控制的产品，品类繁多，控制方式多样且复杂，无法带给用户极致的家居体验[3]。针对不同的用户群体，以及不断提升的智能化消费需求，如何突破现有的行业瓶颈，提升设备智能化水平；如何实现全屋产品互通互联，搭建更加便捷智能的生态家居系统是我们面临的一个问题[4]。
智能化的数字家庭的发展已成为大势所趋[5]。在此背景下，非常有必要研发一套蓝牙智能家居系统[6]。虽然目前市场上不缺智能产品，但多为灯具、空调、冰箱等单品，各品类品牌自有其一套智能交互系统，单品间难以连接互通，甚至让使用步骤更为繁琐[7]。近年随着家电套系化趋势凸显，过去因为不同品牌家电而难以实现的全屋智能反而变得容易。而在蓝牙智能家居领域，智能的发明手机配件，使得精准控制蓝牙智能家居变的得以实现[8]。未来将利用各种智能化手段，来全方面、多维度地构建Z世代的智慧生活方式。通过新品类的推出，让“智慧生活方式”从理念到现实更进了一步，进而从手机品牌向智慧生活方式品牌转身[9]。
1.2蓝牙智能家居研究现状
蓝牙智能家居在国外盛行已久，其在中国的发展近些年的步伐也越来越快。未来蓝牙智能家居的市场之大，应用非常之广。如今的蓝牙智能家居已经上了一个新的台阶，人们对蓝牙智能家居的要求也在逐渐提高，不再是能够简单的实现一些电器的自动控制，更多的要求是能够提升整体的智能联动控制[10]，已经有好多可以远程控制的成功案例在我们身边。很显然，我们的家居生活需要改变，需要更智能化[11]。
万物联网，蓝牙智能家居也不例外，人们通过智能设备或是语音、面部等来控制家电，控制开关灯、调节灯的亮度，背景颜色和旋律，调节室内温度、窗帘
的关合、洗衣机的运行等。蓝牙智能家居当您抬起脚，机器人则会过来清理地板，不同的情景模式，给不一样的体验和感受。蓝牙智能家居利用先进的计算机技术、网络通信技术、综合布线技术，将与家居生活有关的各种子系统有机地结合在一起，通过统筹管理，让家居生活更加舒适、安全[12]。蓝牙智能家居系统致力于为用户营造一个更为安全、灵活、简便、时尚的数字化家居空间，带来全新的、高尚的、智能的生活体验[13]。
蓝牙智能家居设备的主动智能及无感化服务趋势崭露头角，在国内市场中，来自通信、互联网、家电、家居、地产等行业的巨头纷纷发布蓝牙智能家居战略，并布局产品生态，赛道异常火热[14]。据奥维云网地产大数据监测显示，年1-7月全国精装修新开盘项目中，蓝牙智能家居配套率达82.2%，较去年同期上升了7个百分点。可见，疫情之下蓝牙智能家居产业不退反进，“宅经济”的崛起使得消费者对于智能终端的需求更加精细化，也更加严格[15]。
1.3课题研究内容与章节安排
综上所述利用蓝牙无线通讯技术开发一款基于单片机的蓝牙智能家居控制系统非常有必要，它可以大大提高我们生活的自动化程度。基于单片机的蓝牙智能家居控制系统的主要作用是它可以按照我们所发出的控制指令，来驱动家中一些常用的家用电器进行自动打开或者关闭。它不仅可通过相应的按键对其进行就地化控制，还可通过蓝牙与手机建立无线通讯，通过远程发送指令对其进行控制。由于加湿器的开关、空调的开关、热水器的开关、客厅灯的开关、卧室灯的开关、卫生间灯的开关以及门的开关控制起来比较简单一些，我们只需要控制一个继电器的吸合便可实现其工作电源的通与断，而对窗帘的控制与以上几种家用电器有所不同，所以在此利用步进电机来控制更具备一定的灵活性，因此本系统的适用范围比较广，几乎可供适合现代化的每一个家庭使用。本文各章的内容安排如下。
第1章：绪论。阐述本课题的研究背景以及蓝牙智能家居控制的研究现状。
第2章：系统总体设计方案与论证。
第3章：系统硬件电路设计。对本系统中的每个功能模块硬件电路进行设计。
第4章：系统软件程序设计，包括主程序与部分子程序的设计。
第5章：系统实现与调试，包括系统的仿真测试以及软硬件的调试。
第6章：总结与展望。
2系统总体方案设计与论证
2.1系统总体方案设计
根据以上系统的功能需求分析，设计系统总体实现方案如下图所示，本系统可对家中的加湿器的开关、空调的开关、热水器的开关、客厅灯的开关、卧室灯的开关、卫生间灯的开关、窗帘的拉合以及门的开关等进行自动控制。它不仅可通过相应的按键对其进行就地化控制，还可通过蓝牙与手机建立无线通讯，通过远程发送指令对其进行控制。整个控制系统的核心是STC89C52单片机，除主控制器外还有蓝牙无线通讯模块、按键输入模块、控制电动窗帘的步进电机模块以及继电器模块。从图中可以看出，除了单片机的主控制器模块之外，主要输入模块有供电电源模块、蓝牙模块以及按键输入模块。本系统的设计以单片机为控制核心，为更好地说明设计过程，下文将对构成系统的各个功能模块进行详细的设计说明，系统总体方案设计框图如下图2-1所示。
图2-1系统总体方案设计框图
2.2单片机的选型
在本设计中根据功能需求分析，所用到的复杂的技术其实并不多。其中按键系统传输的都是数字量，因此只需要对按键的引脚高低电平做识别即可实现按键信息的输入功能。综上所述，对整个项目的功能分析后，整个项目所需的技术其实并不复杂，只需一组通信引脚以及几个I/O口即可实现上述功能。因此无需占用太多的外设资源即可，因此在选型时本着只需要考虑外设足够且可靠使用的原则即可。
综合考虑到本文设计难度以及开发成本问题，因此本文在此使用STC89C52系列单片机作为主控制芯片。STC89C52单片机在简单的工商业中的控制系统中使用非常之多，其管脚接口根据功能的不同，大体上可以分为以下四个部分：其中第一个部分是VCC（芯片的电源）和VSS（接地端）。第二个部分为晶体振荡电路。第三个部分便是具有控制功能的管脚；第四部分是具有并行功能的I/O口共有32个，其中又可分为4组端口，每组有8位。第一组P0口是三态双向口，在开发时需要外挂一个10千欧的上拉电阻，第二组P1口是准双向口，如图2-2所示。
图2-2STC89C52芯片引脚图
2.3蓝牙模块的选型
蓝牙技术应用非常广泛，常常应用于工商业的各个领域，用它来实现短距离的传输十分方便。本系统实现的功能之一便是可利用手机实现对家用电器的远程操控，因此必须是手机与本系统建立无线通讯，本设计选用JDY-31型蓝牙模块，JDY-31是基于蓝牙3.0SPP设计而成，这种协议是非常经典的一种协议，这样可以支持多种协议的数据透传，它与我们的电脑主机或者手机的连接十分方便，其实物如下图2-3所示。
图2-3JDY-31蓝牙模块实物
2.4步进电机的选型
我们日常的生产生活中，经常需要使用到步进电机，步进电机是一种极其容易控制的驱动设备，因此有它参与的各类控制系统，实现起来简单而可靠。它的工作原理极其简单，它是靠脉冲信号来进行以步为单位的转动，可以简单的理解为收到一个脉冲信号，他就会前进或者倒退一步，这个一步到底是多少距离，是依靠相应的传动机构来决定的。步进电机有一个非常明显的特点就是，它的应用场合往往伴随着驱动模块的应用，也就是说没有相关的驱动模块，它是不可能运转起来的。必须有驱动信号才可以运转，而且必须是脉冲信号。另一方面步进电机的相关知识结构容易被理解，也拓展了它的运用场景，本设计驱动窗帘自动拉合的电机选用四相步进电机，其实物如下图2-4所示。
图2-4步进电机实物
2.5驱动模块的选型
驱动模块的主要作用是使步进电机可以正常工作，本系统使用的8位的STC89C52型单片机，要想使它控制步进电机能够正常的工作，必须有相应的驱动模块参与进来，否则依靠单片机自身的驱动能力远远不够。本设计选用驱动步进电机的驱动器是ULNA，它是一种驱动能力比较强的驱动芯片，主要应用于各种各样需要驱动电机的场合，可以说它是一种专门为电机的驱动而诞生的一种模块，ULN的实物如下图所示。
图2-5ULNA驱动器实物
2.6本章小结
本章主要完成了以下几个方面的工作：单片机的选型是STC89C52系列芯片；与手机端建立无线通讯的蓝牙模块选用是JDY-31型；驱动窗帘自动拉合的是选用四相步进电机；驱动电机的驱动模块选用的是ULN型；由于本系统设计到的按键功能并不复杂，按键输入模块选择独立按键方式；报警模块选择利用蜂鸣器来实现；控制家用电器电源的通断块选择方案是通过驱动继电器来实现。
3系统硬件电路设计
3.1单片机的最小系统
STC89C52单片机的优点是与工商业中常使用产品的研发指令和硬件引脚完全兼容。由于片上Flash存储器的集成，使得52系列单片机可以高效率的解决各种控制应用方案。在硬件配置和软件层面均与51可以彻底兼容。由于它选用的是闪存技术，并且具备电可擦除的优良特征。与此同时，它基本上拓展了其内部的储存空间，为许多单片机技术的设计和开发项目都提供了很大的便利。单片机的硬件电路设计其实单片机的最小系统，其工作系统如图3-1所示。
图3-1单片机的最小应用系统
3.2蓝牙模块硬件电路
JDY-31蓝牙模块与单片机的连接电路非常简单，它与单片机主控单元采用的是串行通讯方式，该蓝牙模块的引脚也极其简单，除了用于稳定工作的电源端口与接地端口，其余的便是串行通讯线RXD与TXD，将这两根串行通讯线分别与单片机的P3.0与P3.1相连接，便可完成相应的通讯，这样节省了单片机的硬件资源。蓝牙模块的硬件电路设计如图3-2所示。
图3-2蓝牙模块的硬件电路
3.3继电器负载硬件电路
本系统需要增加继电器模块控制加湿器的开关、空调的开关、热水器的开关、客厅灯的开关、卧室灯的开关、卫生间灯的开关、窗帘的拉合以及电动门的开关等功能，当需要对这些家用电器需要控制时，则单片机引脚会输出低电平，而后通过三极管驱动中间继电器，当继电器吸合后实现家用电器的状态转换。为了保护电路，特地增加了一个电阻R9进行限流。当继电器接收到驱动信号时，便会实现驱动家用电器工作的目的。由于中间继电器的吸合过程需要较大的电压，所以本设计采用三极管作为驱动器，继电器控制硬件电路的设计如下图3-3所示。
图3-3继电器控制硬件电路
3.4步进电机驱动电路
根据本系统总体设计方案分析可知，蓝牙智能家居中需要对电动窗帘进行自动控制，执行部分采用的便是步进电机，步进电机是一种容易被控制的电器，但是控制它转动的脉冲信号，必须依靠一个专门驱动各类电机的驱动芯片。因此本部分硬件电路设计，主要是对驱动模块进行设计，将驱动模块的输入端口分别与单片机的P3.4、P3.5、P3.6以及P3.7相连；将驱动模块的输出端口分别与步进电机相连，便可完成控制系统对窗帘的控制功能，其硬件电路设计如图3.4所示。
图3-4步进电机的驱动硬件电路
3.5按键输入硬件电路
在本蓝牙智能家居系统中可通过按键开关控制不同的家用电器。如果按下相应的按键时，则单片机驱动相应的家用电器工作。由于本设计实现的功能不复杂，且需要用到的按键也不多，在这里选用独立按键的模式便可满足设计的要求。本系统中按键的主要作用是，可以通过按下相应的按键去控制对应的电器去工作或者是停止工作，该部分的硬件电路设计如下图3-5所示。
图3-5按键模块硬件电路
3.6报警硬件电路设计
根据蜂鸣器内部是否有源可将其分成两大类，鉴于无源蜂鸣器的内部没有震荡源，我们直接给它一个直流电平信号不能将其驱动，而有源蜂鸣器就不同了，只需要直接给它一个高电平或者低电平，就能使它发出响亮的警报声音，所以最终方案采用低电平对其有效的蜂鸣器模块。蜂鸣器广泛应用于各种电子产品开发中，使用它可发出相应的警报声。报警模块蜂鸣器工作的硬件电路设计电路如下图所示，图中与蜂鸣器连接的单片机管脚是P2.1，为了保护电路的安全性特串联了一个R14电阻起限流的作用，报警模块的硬件电路设计如下图3-6所示。
图3-6报警模块蜂鸣器硬件电路设计
3.7本章小结
本章是在上一章的基础之上进行了相关功能电路的设计，主要包括主控制器STC89C52单片机的最小系统硬件电路设计、蓝牙模块JDY-的硬件电路设计、步进电机的驱动硬件电路设计、按键输入模块硬件电路设计以及继电器输出控制的硬件电路设计。其中在设计步进电机驱动的硬件电路是遇到了如下问题，由于STC89C52单片机的输出功率不够，为了使电动窗帘能够正常运转，因此需要使用专用的驱动模块来实现，这里选用最常用的ULNA驱动器来完成。
4系统软件程序设计
4.1主程序软件设计
主程序的设计思路是开机后，系统进行初始化，首先开始扫描键盘，判断有没有就地控制家用电器的指令输入，如果就地有相应的控制指令，则对相应的家用电器进行控制；如果就地没有相应的控制指令，则不对相应的家用电器进行控制，并判断有没有收到手机发来的操控指令，如果有远程发来的操作指令，则对相应的家用电器进行控制；如果远程没有相应的控制指令，则不对相应的家用电器进行控制，主程序的总流程如下图所示。
图4-1系统主程序软件实现流程图
4.2蓝牙远程控制软件设计
远程控制主要通过蓝牙技术来实现的。当接收的指令为对湿继器进行控制，则改变加湿器的工作状态；当接收的指令为对热水器进行控制，则改变热水器的工作状态；当接收的指令为对空调进行控制，则改变空调的工作状态；当接收的指令为对卫生间灯进行控制，则改变卫生间灯的工作状态；当接收的指令为对卧室灯进行控制，则改变卧室灯的工作状态；当接收的指令为对客厅灯进行控制，则改变客厅灯的工作状态；当接收的指令为对电动窗帘进行控制，则改变电动窗帘的工作状态；当接收的指令为对电动门进行控制，则利用输出继电器改变电动门的工作状态；当串口接收的指令为报警指令，则此时报警功能被触发，蓝牙远程控制软件实现流程如下图所示。
图4-2蓝牙远程控制软件实现流程图
4.3按键模块软件设计
在本蓝牙智能家居系统中可通过按键开关手动控制家用电器的工作状态，因为按键被按下或松开时会有一段非常短暂的电压不稳定的时期，所以必须对按键进行一个延时防抖处理。当按键被按下时，蜂鸣器便会响一声，这样在键盘被按下时会有一个短暂的蜂鸣响声提示，按键软件程序实现流程如下图4-3所示。
图4-3按键模块软件实现流程图
4.4本章小结
上一章已完成了相关功能电路的硬件设计，在此基础上本章进行了详细的软件实现流程图的设计，主要包括主程序的软件实现流程图、蓝牙远程控制模块的软件实现流程图以及手动按键控制模块的软件实现流程图。设计完相关的软件实现流程图就可以使用keil软件利用C51语言开发本系统的相关程序代码了。
5系统仿真与调试
5.1系统仿真测试
本系统设计的蓝牙智能家居主要可以分为接收端和发送端，接收端组成包括STC89C52单片机及其组成的最小系统、四相步进电机模拟窗帘、按键控制、客厅灯、卧室灯、蜂鸣器报警、继电器控制加湿器、继电器控制空调、继电器控制热水器、继电器控制门；发送端由STC89C52单片机及其最小系统以及手机遥控，下面对其分别进行仿真。
5.1.1发送端仿真测试
通过发送端的手机遥控可以控制室内的加湿器、空调、热水器、客厅灯、卧室灯、卫生间灯、门、窗帘、报警等的开关，需要控制相应的电器按下对应的按键，图5-1按下控制加湿器的开关，可以看到加湿器等的继电器工作。
图5-1手机发送端仿真测试效果
5.1.2接收端仿真测试
通过接收端的按键可以控制室内的加湿器、空调、热水器、客厅灯、卧室灯、卫生间灯、门、窗帘、报警等的开关，需要控制相应的电器按下对应的按键，图5-2按下控制加湿器的开关，可以看到加湿器等的继电器工作，如图5-2所示。
图5-2接收端仿真测试效果
5.2系统调试分析
5.2.1软件调试
本设计所用到的编程软件为Keil，其界面如图5-3所示，该软件是嵌入式系统开发领域中十分常见的一款软件，它具有多种调试方式。软件调试最重要的一个环节便是程序的编写；其次是将编写好的代码利用Keil软件进行编译，编译的主要作用是及时发现代码中的错误；三是改正错误。在软件调试过程中，必须严格执行上述三个环节，最后的调试结果才会取得良好效果。
图5-3Keil5开发界面
5.2.2硬件调试
在完成了测试之后就需要准备实物的焊接和调试。在完成硬件的焊接与组装之后，接下来就是硬件的调试了，总体来说硬件的调试相对简单一些，因为都是摸的着看得见的一些事物。硬件调试的时候需要按照功能模块分别进行调试。通电之前检查所有的电路，避免因为线路或者其他细节问题导致电路板的损坏。通电之后观察整个系统的工作是否正常，如果遇到问题，仔细排查直到符合设计的各方面为止，实物如下图所示。
图5-4系统实物的搭建
（1）通过按键可以控制室内的加湿器、空调、热水器、客厅灯、卧室灯、卫生间灯、门、窗帘、报警等的开关，需要控制相应的电器按下对应的按键，图5-5按下控制加湿器的开关，可以看到加湿器的继电器工作。
图5-5按键控制实物测试
（2）手机端控制家用电器。通过发送端的手机遥控可以控制室内的加湿器、空调、热水器、客厅灯、卧室灯、卫生间灯、门、窗帘、报警等的开关，需要控制相应的电器按下对应的按键，图5-6按下控制加湿器的开关，可以看到加湿器的继电器工作。
图5-6手机端控制实物测试
5.3本章小结
本章开始对系统的调试分析，主要从系统软件调试与硬件调试两个方面来实施的。软件调试分别从程序的编制以及编译进行了仔细的调试；硬件调试主要是根据个功能不同的模块分开进行调试，确保每一个最小系统都能实现各自应该的功能，这是实现整个系统的基础。本章还对系统的实际功能调试进行了测试，并详细的阐述了测试的方法。通过以上的分析与调试结果可知，本系统完全实现了预定的目标，并且运行平稳。
6结论与展望
6.1总结
本系统是设计一种基于单片机控制的蓝牙智能家居系统，主要实现对家用电器进行自动控制的功能。除了以上硬件的技术论证分析外，这里对本次设计需要使用到的软件说明如下：制作原理图使用AltiumDesigner软件、程序的开发选用keil软件。首先是对总体的方案进行论证分析，包括了对各个模块的功能技术选型以及对系统相关硬件电路的设计；根据设计好的总体方案，提出了系统软件设计的思路，分别绘制了主程序、蓝牙远程控制程序以及按键设置阈值的软件实现流程图。本系统在调试所遇问题及解决方法总结如下：
（1）下载程序的时候，由于对烧写软件的不熟悉，导致必须进行多次烧录才能成功，相应的解决办法是多查看该软件的相关说明书。
（2）控制按键按下去没有反应。首先排除是硬件电路的连接问题，经检查硬件连接良好，那么可以推断是程序的问题，经过仔细的阅读程序发现，对键盘的读取程序出了错误，只是用了一条读取语句，这就导致了有时候按键的时候恰好读不到，相应的解决措施是，采用一直循环的方法去采集按键，因为单片机能够识别按键被按下的程序应该是一直扫描。
6.2展望
毫无疑问，我国消费结构正在随着年龄结构的改变逐步升级，如今80后、90后已经成长为消费主力，其对于蓝牙智能家居以及整体智能化服务的接受度更高、需求更加明确，同时也更加注重价值与体验。而年轻群体对生活品质的追求也将进一步推动蓝牙智能家居布局向专业化和灵活化发展。在开始构建“智慧生活方式”的蓝图中，未来的智慧之家，将生活安全置于首要的位置。智能安防、智能联动等功能，能够全天候地监测房屋内及周边环境的变动，一旦有不明身份的人出入便会报警。而屋内用水、用电、用气等安全，也有相应的设备进行重点“盯防”监测，防止漏水、漏电、电压过荷过载、煤气泄漏等，确保水电气等24小时正常安全工作。
蓝牙智能家居设备将向一体化连接升级，综合多种通信协议的同时，简化连接操作步骤，实现快速、广泛的设备连接。据推测将来37%蓝牙智能家居设备将支持两种及以上连接方式。在蓝牙智能家居场景中，蓝牙、WiFi、ZigBee、总线技术、PLC-IoT等通信技术各有千秋，适配不同的终端与应用，未来也很难出现某一种通信技术“一统天下”的局面。所以，在全场景智能的趋势下，智能终端势必要综合多种协议，以便实现不同系统间的互联。向全屋智能解决方案倾斜趋势也来越明显。全屋智能解决方案市场将迎来快速发展，率先从环境管理和安防看护场景展开布局，带动渠道合作向家装渠道拓展。所以在某种程度上，“全屋智能”是用户需求转变之下的必然结果。
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附录一原理图
附录二元件清单