CN103326750A - 一种基于蓝牙无线控制显示的*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用蓝牙模块进行显示***控制的***，其主要优势在于成本低，可靠性高，携带性强，通用性广。整个***使用Atmega644pa单片机作为主控***，可以通过蓝牙模块接收手机发送到图片，字符，动画等，并显示到LED屏上并且能够完成诸如移动，上下翻等控制操作。***还集成了GPS，温度传感器等外设，能够检测外界状态并反馈到手机端。

Description

一种基于蓝牙无线控制显示的***

技术领域

本发明涉及蓝牙控制领域，尤其涉及蓝牙控制无线显示领域。 

背景技术

蓝牙技术早在1999年就已经形成标准，其最开始是为了替代有线电缆为目的短距离通信协议，旨在取代个人PC，打印机，手机，传真，耳机等设备上的有线，其工作频段为ISM2.4GHz。虽然它拥有众多优点，例如组网方便，支持语音传输，使用跳频技术，但是在2006年以前，由于价格原因都未能得到大量普及。 

从2009年以来，随着智能手机的大量普及，蓝牙模块已经成为手机的标准配置，并且随着协议的进一步完善和加强，当前已经到4.0版本，支持更多种应用场景(profile)。Android，iOS，WM等操作***的大量应用，使得智能机的软件开发越来越简单和迅速，这就使得蓝牙能应用于更多环境中。 

此外，现有显示***体积大不易携带，连接复杂，并需要外接线缆才能进行内容更新，使得现有的显示***内容更新非常不便捷。 

发明内容

基于现有技术存在的问题，本发明提出了一种使用蓝牙控制的LED显示***，其具有功耗低，无线连接使用方便，无需线缆即可更新内容，快捷定制等优点，适用于户外广告，安全指示，信息采集输出等多个领域。 

附图说明

图1为本发明***结构图； 

图2为本发明蓝牙模块与控制***连接图； 

图3为本发明显示模块与控制***连接图； 

图4为本发明供电拓扑结构图； 

图5为本发明外部存储器结构图； 

图6为本发明显示端软件流程图； 

图7为本发明逻辑分层结构图； 

图8为本发明超时检测流程图。 

具体实施方式

下文将参照附图详细描述本发明的优选实施例，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达到技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。 

需要说明的是，如果不冲突，本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合，均在本发明的保护范围之内。另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机***中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些能够解决技术问题并不影响技术效果的情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。 

图1为图示本发明整个***的结构图。整个***包括两部分：手机主机端和LED显示客户端，以下简称为手机端和显示端。手机端主要完成以下功能：生成图案或者字符，读取显示端状态并进行控制；显示端主要功能为显示图案，采集自身(或者环境)状态并反馈给手机端。 

以下详细介绍两端的方案和设计： 

LED显示端***设计 

LED显示端根据***设计要求，需要以下几个部分来实现：控制部分，无线传输，显示 部分，电源部分，状态采集部分。 

控制MCU 

因为需要完成的功能不多，并且对于扩展性要求不高，而对于稳定性，低功耗要求较高，所以控制部分本发明并没有采用流行的arm控制器，而是采用AVR公司的8位ATmega644PA***单片机。它的主要优点如下： 

·***主频高达20MHz，指令执行速度可达20MIPS； 

·有多种low power模式可以切换； 

·集成8通路10bit ADC，集成两路UART，TWI，SPI等多种外设 

·DRQFN封装能充分减小空间； 

这些特点都充分满足了整个***的要求。 

无线传输模块 

无线传输模块使用的是wavesen公司的HC-06蓝牙模块，其主要特性包括 

·支持蓝牙2.0版本 

·符合标注HCI端口(UART) 

·低成本 

该蓝牙模块与***使用UART连接，支持波特率高达115200bps，其与控制***连接如图2所示。 

BT_RXD/BT_TXD为蓝牙与***通信串口，BT_nRST为蓝牙模块复位端口，BT_Status为蓝牙模块状态指示，当其处于配对状态时，输出为50ms的方波；当其处于连接状态时，输出为持续的高电平。 

其在手机蓝牙模块连接完成前，其与单片机交互接口为AT模式；而当其与蓝牙配对并连接后，其功能就相当于透明的串口，可以和手机端进行数据通信直到链路断开。蓝牙模块 处于待机模式时，已配对过的手机可直接向蓝牙模块发送图片，而未配对的手机需先进行配对，输入正确的PIN码(即配对密码)即可配对。此蓝牙模块的出场厂PIN码是″1234″，其PIN码可通过向蓝牙模块发送AT指令进行修改。 

显示模块 

传统的点阵式显示屏，采用的是行列扫描方式。在屏幕比较小的情况下，可以采用74HC595等驱动芯片来完成控制；但是当行列数目比较多的时候，例如16x32，可能需要多达十几到二十片驱动控制芯片。这就会产生几个问题，走线会比较复杂导致电路可靠性不高，芯片和制作成本会变高，加重了单片机控制芯片的负担，并且不利于小型化和便携化的设计。为了克服以上缺点，本发明选用的是奥地利微电子公司(AMS)的AS1130LED点阵驱动芯片。在驱动方式上其采用的Cross-Plexing方式，能够大大地减少控制线的数目。其基本原理就是在一条线上正向和反向并接两个LED灯，当输出正向电压时，正向的LED灯亮，当输出反向电压时，反向的LED灯亮。这样一个11x12的点阵只需要12根控制线和1颗控制芯片。并且它可以在不占用mcu时间的情况下完成诸如闪烁，左移，右移等功能。 

本发明使用两颗AS1130组成了11x24共264个点的LED点阵显示。其与MCU连接结构图如图3所示。每一颗LED的驱动电流可以单独设置，从0-30mA共分为256级(8bit)，这使得。单片机通过I2C接口与进行通信。 

电源*** 

整个***共有264颗LED，但是瞬间同时亮起的灯只有22颗，而每颗LED灯最大驱动电流为30mA，所以其最大电流约为660mA。下表列出了各个模块的大概耗电量： 

***耗电估计 

序号	模块	耗电(VDD＝3.3V)mA
			1	ATmega64	20mA

[0042] 

2	蓝牙模块	50mA，配对中
			3	AS1130	340mA×2＝640mA
4	EEPROM	2mA
				总计：	700mA

根据以上估计，本发明只需要1A左右的Buck型DC to DC变换器就能够满足要求。本发明选择的是Analogic Tech公司的AAT1145，最大输出电流为1.5A，外部只需要一个22uFMLCC电容。 

设计开关变换器时，因为整个***的电流比较大，这就使得电源地(PGND)回流的电流很大。因此需要把电源地(PGND)和模拟地(AGND)分开，然后在***电源输入端一点接地。 

***的供电拓扑结构如图4所示。BT3V3是为HC-06模块供电的电源，因为蓝牙模块在进行修改密码操作时，需要完全掉电，以达到清空内部记忆的目的。 

其他硬件设备 

外部存储器 

虽然ATmega644PA已经集成了2Kbit内部EEPROM，但是为了提高字库和图片存储容量以及后续的代码升级要求，本发明依然在外边加上了64Kbit的EEPROM。本发明选用的是ON Semiconductor公司的CAT24C64，如图5所示。它使用I2C接口与单片机进行连接，最大时钟速度达1MHz，其中芯片A0，A2，A3引脚为I2C地址选择脚。 

温度及电池电量采集 

为了能够检测外界温度，本发明加上了热敏电阻并使用MCU自带ADC进行温度采集； 同时为了保证电池电压能正常工作并计算出剩余电量，mcu使用分压电路进行检测电池电压。 

GPS模块 

GPS模块直接通过串口输出需要的经纬度。波特率为9600bps。 

显示端***软件设计 

显示端的软件主要完成以下几个功能： 

·***初始化 

·与手机端通信 

·LED显示控制 

·外部状态监测和控制 

ATMega644PA的***初始化内容主要包括：1)***时钟初始化，选择片外的16MHz时钟；2)外部引脚配置：配置PD2～PD3为UART接口与蓝牙模块进行通信，PC0～PC1为I2C接口与AS1130通信；3)中断、定时器/计数器和FLASH等相关寄存器初始化。4)蓝牙模块初始化，把蓝牙模块放置到等待连接状态。 

图6示出了***软件流程。初始化后***将主动读取EEPROM内部指定地址范围内的数据，并将数据拷入4k内存中，然后将该数据写入到AS1130中，进而AS1130将点阵数据送给LED点阵屏并控制点阵屏将数据显示出来。 

在普通的工作状态下，蓝牙模块处于配对等待状态。当手机蓝牙主动进行配对时，手机只有输入正确的PIN码后，才可成功配对。配对成功后，手机使用软件向蓝牙发送图片数据，蓝牙模块将接收数据并通过I2C接口写入EEPROM对应位置。之后MCU会把得到的更新数据通过AS1130显示到LED点阵屏上。 

因为***不仅仅需要完成显示单幅图片的功能，并且要完成例如增加图片，删除图片， 上/下翻图片，移动图片，闪烁显示等功能，这就需要在通信过程中加入一些命令包以能够实现以上功能。 

当手机端发过来的数据不是图片包时，单片机接收数据，如果识别到有效数据的开始位为标志位″0x05″，那么***将认为该数据包传输的是控制命令，即控制LED显示的亮度、速度、移动方向。控制命令的格式可以自主定义。例如″0x05 0x10 0x08 0x01″，代表的意思为：″0x05″为控制标志位，″0x10″控制亮度(亮度可控制范围为0x00-0xFF，0x00代表熄灭，0xFF代表最亮，数值越大亮度越高)；″0x08″用来控制闪烁速度(控制范围0x00-0x09，数字越大闪动速度越慢)；″0x01″为方向控制位(0x01为移动方向向左移，0x02代表向右移，0x00代表停止)。如果有效数据的开始位不为″0x05″，那么将默认此次数据为LED显示要显示的新图片，***将把数据按顺序存入指定的EEPROM地址范围内。 

此外在通信协议上，显示端支持手机端查询当前状态，例如当前显示为第几幅，当前温度，当前电池电量以及当前位置等等。 

此外由于蓝牙的传输不稳定性，整个***不是单向传输***，需要显示端反馈回来状态信息等内容。这就需要本发明在传输过程中需要加入更多的包以保证稳定的传输。 

以下是本发明传输过程中的通信协议： 

每次传输都由手机端发起，通信数据为成对的“请求-应答”模式。应答超时为1秒。 

请求包内容如下： 

【Re-sync】+【Type】+【Length】+【Rand】+＊＊＊Type specific data＊＊＊＊+【EOP】+【Rand】； 

LED显示端应答： 

【ACK】+【Length/ESC】+＊＊＊Short Data if Length≠0＊＊＊+【EOP】+【Rand】； 

包内各段格式含义如下： 

【Re-sync】为请求发起包，是一个固定的bit图案； 

【EOP】为传输截止包，代表传输结束； 

【ACK】为LED显示端应答包头； 

【Length】＝＊＊＊之间的数据长度，不超过254 

【Rand】＝在单次交互中一致，并用于区分不同交互的随机数 

【Type】＝【IMG】传入图片(静态或动画取决于帧数)；返回长度为零。 

【SET】设置参数或修改信息；返回长度为零。 

【GET】获取参数或配置信息；返回长度不为零。 

单次交互不完整时，体现为手机端的超时，交互将被丢弃并重新由手机发起。 

手机端设计 

手机端主要负责跟显示端通信并提供用户操作界面，手机端的软件主要完成以下几个功能： 

·图案获取及生成 

·响应用户操作，对显示端进行控制的操作界面 

·其他扩展模块 

·根据协议和显示端通信的协议层 

根据不同层次的功能在实现的时候进行逻辑分层，如图7所示。 

手机端图案获取与生成 

显示端显示的图案可以从多方面获取，以不同的方式获取到图案内容后，可以在手机端显示预览效果并通过操作将图案发送到显示端进行显示； 

调用手机***接口从手机彩信、网络、本地存储获取图片，通过手机端的彩信、网络或者本地存储卡等方式获取到的一般是BMP、JPG、PNG等标准格式的图片文件，用户可以通过放缩、剪裁等编辑操作后形成和LED显示点阵大小一致的图片，然后将标准格式的图片 上对应点的像素值按照协议格式重新组织成符合显示端接收协议格式的数据； 

让用户手动输入字符串，然后根据字体文件将字符串转化成高度和显示端LED高度相同的点阵BMP图像，然后将得到的BMP图像转换成符合显示端接收协议格式的数据； 

利用手机触摸屏，在屏幕上放置一块“模拟”的LED点阵屏幕，用户用手指可以操作点亮或者熄灭不同的LED点：当“模拟”的LED点阵屏幕处于“绘制”状态时，用户手指画过“模拟”的LED点阵的所有点将点亮，当“模拟”的LED点阵屏幕处于“擦除”状态时，用户手指画过“模拟”的LED点阵的所有点将熄灭；这样便可以方便地生成图案； 

以其他方式生成图案，例如事先生成符合显示端接收协议格式的数据并保存成相应的格式，在手机端打开后可以直接发送到显示端进行显示； 

手机端界面交互控制 

手机端交互控制界面能方便用户进行各项操作和控制显示端并可以增强显示端的显示效果； 

通过快捷的手势操作便捷地操作显示端；可以定义一系列的手势操作控制显示端，如向上推将显示图案发送到显示端进行显示，在手机端向左滑动则使得显示端展示图案向左移动动画，向右滑动则显示端展示图案向右移动动画；双击则显示端展示闪烁动画等； 

通过手机端界面增强显示端的显示效果，如显示端支持左右平移以及闪烁动画，支持不同图像间的切换，但是不直接支持帧动画，可以制作一系列连续的图案序列，然后按顺序将各个图案连续设置到显示端，然后在不同的图像间连续切换就能显示连续的动画效果； 

利用手机里面的方位传感器和加速度传感器获知用户的运动状态，当用户向前走动的时候显示“前行”的图案，当用户左、右拐弯的时候显示左、右拐弯的图案，当用户停止的时候显示停止图案； 

利用手机摄像头检测用户脸部并自动对显示端进行自动控制，用户可以选择在使用手机端控制显示端的时候打开摄像头并对准用户脸部，摄像头检测到脸部后判断用户表情，当用 户眨左眼的时候显示向左图案，当用户眨右眼的时候显示向右图案，当用户微笑的时候显示微笑图案，当用户皱眉的时候显示停止图案。 

其他扩展模块 

手机端和显示端进行通信可以向显示端发送不同的指令，设置显示图像以及不同的参数，并且可以从显示端获取数据；例如显示LED点阵宽高、电量等，由于显示端和手机端采用蓝牙进行通信，可以发送各种类型的数据，当显示端增加其他模块的时候也可以通过相同的通信协议交换获取数据，如在显示端加上高精度的GPS模块，连接到手机端时可以从显示端读取当前的经纬度信息进行导航； 

手机端协议层实现 

手机端与显示端通信主要包括向显示端发送指令以及接收显示端返回的信息，主要分为：指令发送、手机端监听接收显示端数据以及超时检测； 

指令发送过程是将各类指令进行封装，上层手机端向显示端发送指令时，命令执行时记录当前***时间，供后续超时检测使用； 

超时检测检测所有未返回数据的指令是否已经超时，检测时根据***当前的时间和指令发送时记录的时间进行对比，如果已经超时，则向上发送超时信息，否则进行下一次超时检测，具体流程如图8示出； 

手机端应用在蓝牙连接成功后开启后台线程一直监听显示端是否有数据发送过来；如果接收到一个没有转义的【ACK】指令则丢弃之前接收的数据重新开始包数据解析，如果接收数据组成一个完整的响应包，则向上层发送消息进行通知，流程如图8示出。 

Claims (10)

1.一种基于蓝牙无线控制显示的***，其特征在于：所述蓝牙无线控制显示***包括手机主机端和LED显示客户端；其中，所述显示客户端通过蓝牙模块接收所述手机主机端发送的图片或字符，此外，所述显示客户端还采集自身或环境的状态并反馈给所述手机主机端；所述手机主机端读取所述显示客户端反馈的状态以实现对显示客户端进一步的控制。

2.如权利要求1所述的***，所述显示客户端包括控制模块，蓝牙模块，显示模块，电源模块，状态采集模块，外部存储器，GPS模块；具体地，所述控制模块采用低功耗的8位单片机；所述显示模块采用以Cross-Plexing方式驱动的LED点阵驱动芯片；所述电源模块采用最大输出电流为1.5A的电源模块；所述状态采集模块用于采集所述LED显示客户端状态用以反馈给所述手机主机端，该状态采集模块包括热敏电阻和分压电路；其中，所述热敏电阻用于进行温度采集；所述分压电路用于检测电池电压；所述外部存储器采用64Kbit的EEPROM；所述GPS模块用于输出经纬度以实现定位。

3.如权利要求2所述的***，进一步包括，在普通工作状态下，所述蓝牙模块处于配对等待状态，当所述手机主机端的蓝牙模块主动进行配对时，所述手机主机端只有输入正确的PIN码后才能成功配对；配对成功后，所述显示客户端从所述手机主机端接收多媒体数据后将数据通过I2C接口写入所述外部存储器对应位置，所述控制模块将该数据通过所述显示模块显示到LED点阵屏上。

4.如权利要求3所述的***所述***通过自定义控制命令格式实现控制LED显示亮度，显示速度，移动方向；以及增加图片，删除图片，上/下翻图片，闪烁显示。

5.如权利要求2所述的***，所述***中的通信数据为成对的请求-应答模式，应答超时为1秒；其中，手机主机端的请求包为：

【Re-sync】+【Type】+【Length】+【Rand】+***Type specific data***+【EOP】+【Rand】；LED显示客户端的应答包为：

【ACK】+【Length/ESC】+***Short Data ifLength≠0***+【EOP】+【Rand】；

包内各段格式含义如下：

【Re-sync】为请求发起包，是一个固定的bit值；

【EOP】为传输截至包，代表传输结束；

【ACK】为LED显示端应答包头；

【Length】为***之间的数据长度，不超过254；

【Rand】为在单次交互中一致，并用于区分不同交互的随机数；

【Type】为【IMG】时，传入图片，静态或动画取决于帧数，返回长度为零；

【Type】为【SET】时，设置参数或修改信息；返回长度为零；

【Type】为【GET】时，获取参数或配置信息；返回长度不为零；

【ESC】为0xFF，当数据中包含【Re-sync】时，此时手机客户端要将长度做相应调整，即减去【ESC】；

单次交互不完整时，体现为手机主机端的超时，交互将被丢弃并重新由手机发起。

6.如权利要求1所述的***，所述手机主机端包括交互控制接面，用户能够通过该交互控制界面利用快捷的的手势操作操作显示客户端；具体地，向上推将显示图案发送到显示客户端进行显示；向左滑动使得显示客户端展示图案向左移动动画；向右滑动使得显示客户端展示图案向右移动动画；双击使得显示客户端展示闪烁动画。

7.如权利要求1所述的***，所述手机主机端包括方位传感器和加速度传感器，其均用于感知用户的运动状态，当用户向前走动时显示前行相关图案；当用户左/右拐弯时显示左/右拐弯相关图案；当用户停止时显示停止相关图案；以及，手机主机端自动将这些相关图案发送给显示客户端。

8.如权利要求1所述的***，所述手机主机端包括摄像模块，所述摄像模块用于检测用户脸部并自动对所述显示客户端进行控制；具体地，用户打开摄像模块并对准脸部，所述摄像模块检测到脸部后判断用户表情，当用户眨左眼时显示向左相关图案；当用户眨右眼时显示向右相关图案；当用户微笑时显示微笑相关图案；当用户皱眉时显示停止相关图案；以及，手机主机端自动将这些相关图案发送给显示客户端。

9.如权利要求6所述的***，所述手机主机端除了从网络或本地存储器获取图片或字符串外，还能够让用户手动输入图片或字符串；具体地，在手机主机端利用所述交互控制界面，在所述交互控制界面上设置一块模拟显示客户端显示屏的LED点阵屏幕，用户用手指操作点亮或熄灭不同LED点以生成图片或字符串。

10.如权利要求2所述的***，所述手机主机端能够从已连接的显示客户端获取显示客户端当前经纬度信息并进一步进行导航。

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