摘 要： 基于蓝牙技术的网络空调程控系统，采用蓝牙技术中的RFCOMM协议建立无线虚拟串行口， PC通过无线串口以半双工方式对嵌入蓝牙从模块的家用空调的各种状态进行点对多点的信息交互，并对其实体进行实时控制。该系统除了具有常规空调的全部功能外，还能通过Internet进行远程监控，实现家用空调的无线化与网络化。
关键词： 蓝牙技术； 信息家电； 网络空调； SPP； PG电机
智能家居网络将计算机数字化技术、现代通信技术融入传统的家用电器中，使之智能化并具有网络信息终端主动发布、获取和处理信息等功能[3]。基于蓝牙技术的网络空调是信息家电的一部分，与常规家用空调相比，它具有无线化和网络化的优点。所谓无线化，即不消耗任何的空间资源，在原有的PC上接入无线蓝牙Dongle即可对多部蓝牙空调实现一对多的双工无线网络互动；而网络化就是在网站上建立虚拟空调，通过无线模块以及Internet达到与家用空调的同步控制，实现家庭空调的网络可视化。
目前，许多网络接入方案如参考文献[5]和[6]采用将网卡（Modem）嵌入空调内部，通过外接网线（电话线）直接连接服务器。该方案可以实现信息家电的所有功能，但是必须为每台家电分配专用的网络IP以及接口，而这种方式对于家庭有线线路的重新布局会造成极大不便，嵌入无线网卡可以解决此问题，但是增加空调成本，并且带宽的资源利用率不高。本文使用无线蓝牙模块，只需一台具备上网功能的PC机外接蓝牙Dongle，即能控制室内所有嵌入蓝牙从模块的家用电器，蓝牙（CLASS I）的传输距离一般可达10m，这使蓝牙模块的嵌入式设计成为信息家电系统的最佳选择。
1蓝牙技术
1.1 蓝牙结构
蓝牙协议体系结构具体分为三部分[4]：(1)底层硬件模块，包括射频(RF)、基带层(BB)和链路管理层(LM)，负责在蓝牙单元之间建立物理射频链路；(2)中间协议层，包括逻辑链路控制适配协议(L2CAP)、服务发现协议(SDP)、串行仿真协议(RFCOMM)和电话控制协议(TCS)， 负责为应用层提供通用服务接口；(3)高端应用层，包含通用接入 Profile(GAP)、串行端口Profile(SPP)、头戴式设备Profile(HSP)、通用对象交换Profile(GOEP)、文件传输Profile(FTP)等。蓝牙SPP虚拟串口应用就是以应用层的各Profile相互堆积而成的，呈“金字塔”结构[2]，如图1所示。
图1 蓝牙串口应用结构图
1.2 蓝牙RFCOMM
目前很多传统的应用都是基于有线方式开发的，蓝牙如果不能解决对传统协议的适配问题，就很难成为一个广泛应用的标准了。因此，蓝牙制定了一些“适配协议”，实现对传统应用的支持。电缆替代协议（RFCOMM）是一个简单传输协议，附加了RS-232串口仿真的规定，在蓝牙基带协议（Baseband）上仿真RS232的控制和数据信号。为使用串行线传送机制的上层协议提供服务支持， RFCOMM可以提供一个RS-232的物理接口，通过PIN对PIN的硬件接口进行非RFCOMM部分的流控制操作。
1.3 蓝牙串行口Profile
蓝牙串行通信接口Profile（SPP）是RFCOMM协议的典型应用。在两个设备之间建立虚拟串口，并用蓝牙连接两个设备的有线串口电缆。任何现成的应用都可以在两个设备上运行，使用虚拟仿真串口就像存在一个真正的串口电缆连接两个设备,串口的波特率可达到128kb/s。本设计采用CSR公司的IDE软件bluelab3.5.2对CSR蓝牙模块BlueCore3-Multimedia进行编程，其流程图如图2所示。
1.4 蓝牙传输数据帧格式
无线通信系统的一对多传输必然会出现隐藏终端和暴露终端的问题， 因此，不同ID的蓝牙空调与PC主机进行通信必须由主机统一分配。在初始化过程中，主机将发送广播信息搜集主机广播范围内所有应答的从机ID，通过不同的ID范围，PC主机可以辨认每一个从机类型，针对不同的家用电器进行相应数据类型的通信。当主机主动发出控制命令时，不需通过广播信息，直接寻址发送控制命令至从机，从机完成相关命令后，发送ACK应答报告命令执行完毕，应答帧中应该包含对应控制命令更改后的参数值，使得主从同步。当从机有事件发生需要报告主机时，必须先发送RTS信号至主机，如果收到CTS信号，则说明主机模块处于空闲状态，从机就可以发送状态数据帧至主机，否则说明主机忙，需回避一段随机时间后再次发送RTS至主机应答为止，这样，就能够避免出现主机与两个或两个以上从机通信时不同从机的干扰。由于数据帧的传输是按需进行的，所以从机碰撞概率很低，采用RTS-CTS的方式已经能很好地实现一主多从的通信模式。
蓝牙主从模块通信的数据帧格式如图3所示，其中器件地址包括从机地址和广播地址。所有从机对广播地址的数据帧都具有接收功能，因此，蓝牙主机可以唤醒216-1=65 535个从机。帧功能传送包括模式切换、温度、开关、风速等信息。数据长度包括帧功能、数据信息和校验码的字节长度。数据信息为传送的数据，包括命令和数据。累加和校验码是数据长度、帧功能和数据信息的累加和。
图3 蓝牙通信数据帧格式
2 网络空调程控系统的硬件设计
2.1 硬件框图
蓝牙空调硬件框图如图4所示。常规空调的控制实体主要有室外风机、压缩机、室内风机、换向阀和风门电机五部分，以红外遥控作为输入，蜂鸣器、数码管（LED灯）作为程控系统的输出。而蓝牙空调加入双工蓝牙模块，实现与PC机的短距离无线通信，能实时获取空调内部状态反馈，通过PC机与空调的交互，增强控制的稳定性与可靠性。
2.2 风门电机
风门电机负责控制空调送风扇页的角度，达到定点送风的目的，一般具备至少5个不同的固定角度以及各角度定时切换到自动和摆动功能。自动模式每隔一段较长的时间就改变一次扇页角度，每次更改均会回摆至最大校正角再返回特定角位；而摆动模式不需要回摆校正角，不断（短间隔）地在中间角度来回摆动，给人一种自然风的感觉。因此，风门电机必须具有比较精确的旋转角度控制，具有正/反转控制功能和慢速调整功能。本系统选用步角距为5.625度/64四相六线式的步进电机，由其步角距可以计算得到步进电机完成一周需要4 096次步进，如果每5ms进行一次步进，则正转一周需要20s，而且5.625度/64的精度也能达到上述要求。步进电机的原理如图5所示，对于单片机控制来说，四相引脚按照A、AB、B、BC、C、CD、D、DA八个节拍循环的顺序以5ms的间隔进行赋值并用寄存器实时计算步进角即能达到空调扇页的精确控制[7]。值得注意的是，一般的TTL电平很难产生足够的扭力转动扇页，所以必须加入ULN2003提高驱动电流来带动扇页运转，如图6所示。
图6 蓝牙网络空调原理图
2.3 PG电机的控制
PG电机负责室内风机强风、中风和微风三种不同风速的相互切换，利用反馈信号产生闭环控制达到无级调速的目的[8]。PG电机每转动一圈，反馈端将产生一个或三个脉冲，这样就能及时测出电机的转速。对于PG电机的平稳调速[9]，本文分用户层和底层两个层次进行控制。在用户层，每隔1s MCU利用实测的转速和用户设定的转速的差值调整调制深度，如表1所示。粗调可以节省调制时间，加快空调的响应速度，微调可以增加精度，这样不断地从反馈转速中获取应变原则，不断修正转速曲线以平稳地达到用户要求的修正值。
PG电机底层可以分为三个部分：过零检测、转速检测和风速驱动部分。如图6所示，单片机每25ms由过零检测电路检测到相线零点后开始计时，延时用户层中设定延迟时间后，由单片机启动可控硅导通，通过每秒钟步进导通角（间隔125μs）的次数即可以达到调速的目的。
2.4 压缩机和室外风机
压缩机和室外风机的控制信号由ULN2003提供。值得注意的是，频繁启动对压缩机的损害很大，为了更好地延长压缩机的寿命，最好先启动室外风机，再启动压缩机，并在压缩机关闭后，必须延时一段时间后才允许重新启动，所以，本设计做出以下规定：(1)当室温-设定温度≥1℃时，压缩机满足3min延时条件，室外风机先启动5s，接着压缩机工作; (2)室温-设定温度≤1℃,压缩机停机，室外风机延时20s停机，压缩机需延时3min，才能再次启动。
3 网络空调程控系统的软件设计
从软件层面来说该系统可以分为三大部分，分别是(1)控制实体：压缩机模块、风门电机模块、室内风机模块、室外风机模块和换向阀模块；(2)输入输出部件：E2PROM存储模块、数码管显示模块、温湿度采集模块;(3)接口：UART串口模块、红外接收模块。三大部件统一由多任务调配模块和定时器分配模块进行任务的调度，由任务调度定时器产生从5ms～1min不同等级的定时中断标志，设定时间到则激活相应的任务标志位，主线程检测到标志位为1时运作相应的模块，这样，就可以避免模块间的相互干扰，利用时分复用方法呈现多任务并行的表现形式。主线程不断循环检测标志位，在入口处先判断空调的操作模式，一般空调分为制冷、制热、除湿、送风及温感自动（即根据室温判断冷热模式）五种模式，然后根据操作模式的不同激活相应的模块。以制冷模式为例，其流程图如图7所示，充分体现了以上原则；该图中，由于制冷模式是温感模式中的一部分，故程序入口必须判断室温是否达到温感控制的要求退出制冷模式；程序以轮询的方式分别从E2PROM获得默认参数，设定风门电机的正反方向的摆动角度，设置内风机的风速大小，外风机的启动时间以及压缩机的限时保护等。系统按步骤独立地高速运行，以达稳定性要求。
单片机内部资源的利用率达到90%以上，其中外部中断0用于PG电机转速反馈的计数；外部中断1用于过零检测启动控制PG电机的可控硅导通计时；定时器0采用定时方式3，上半部TH0产生125μs即8kHz的采样频率计算可控硅导通时间以及红外接收的占空比大小；TL0将定时器中断作为外部中断判断红外接收占空比计数的开始与结束；定时器1被用作串口的波特率发生器；定时器2是程序的核心，产生5ms～1min不同级别的定时要求。应该注意的是不同模块的兼容性问题，例如μs级精确延时（如18B20单总线温度采集、红外接收）可能存在被长延时中断或外部中断截断而导致模块失控甚至系统崩溃，因而必须提高μs级延时的中断优先权以及在执行前暂停其他的中断允许位，避开不稳定因素。
在广东江门金羚集团的支持下，本系统采用蓝牙无线通信技术，构造了信息家电系统的整体框架，并在此基础上设计了新型的网络空调程控系统，试验样机表明：该样机能达到较好的制冷效果和较高的监控性能。与常规的全自动空调相比，样机除了具备普通空调功能外，还实现了无线的蓝牙双工信息传输功能以及远程的网络监视功能，无须在空调外围添加任何设备或专线、在PC上外接蓝牙主模块就能异地对样机进行无线监视与控制。
参考文献
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[2] Bluetooth SIG. Specification of the bluetooth system: Specification Volume 2-Profile. Version 1.1[S].
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[8] 石文星, 李先庭, 邵双全. 变频空调系统运行特性的研究[C]. 2000年中国家用电器技术大会论文集, 2000:129-136.
[9] 肖灿, 江永清, 肖耀友. 利用脉宽调制实现PG电机的平稳调速[J]. 微特电机, 2006,34(04):27-29.
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