蓝牙技术在小区警情无线监测中的应用设计

徐 晓 罗 剑

（1、湖南科技学院电子工程系，湖南 永州425100；2、湖南潇湘技师学院，湖南 永州 425001）

蓝牙技术在小区警情无线监测中的应用设计

徐 晓1罗 剑2

（1、湖南科技学院电子工程系，湖南 永州425100；2、湖南潇湘技师学院，湖南 永州 425001）

蓝牙技术目前是最先进的无线网络技术,它以低成本、近距离、微功耗的无线连接为基础,取代电缆,将一定范围的计算机通信电路及设备连接起来,实现不同设备之间的快速互连。应用蓝牙技术与蓝牙芯片 ROK101007相结合,提出了“智能小区警情监控系统”方案,这种 高效、快速 低耗、稳定、可靠 ”的方案,具有广阔的应用前景。

蓝牙技术；警情监控系统；大楼监控中心；蓝牙终端

引 言

伴随着迅猛发展的数字通信技术和数字集成芯片 ,以蓝牙技术为代表的局域无线移动通信技术 ,正在不断地应用于工农业生产、百姓生活和科学实验等各个领域。居民住宅小区、大型商场、宾馆、车站、学校等场所的警情 (火灾、煤气泄漏、盗窃、求救等 )时有发生 ,公安、物业管理和居民都希望有一种“快速、实用、可靠 ”的系统来实现全天候无线自动监测 ,以便及时得到警情信息 ,采取相应措施 ,确保人民生命财产的安全。蓝牙技术具有成本低、距离近、功耗微、抗干扰能力强 组网灵活等优势 ,是实现上述功能要求的理想选择。

1 蓝牙技术 (Bluetooth)

蓝牙设备工作在 2. 4～2. 5GHz的 IS M 频段多数国家为 2400～2. 4835GHz,使用 79个频道通道带宽为 1MHz,频率偏移在 140～175KHZ之间 ;采用时分双工(TDD )工作方式 ;采用 BT = 0. 5的高斯滤波最小频移键控 (GFSK)调制方式 ;最大发射功率为 100mw ( 20dBm )、2. 5mw ( 4dBm )和1mw ( 0dBm ) 3个等级。在 0～20dBm 的范围内采用功率控制。因此蓝牙最适合的通信距离为 10～100m ,增加高频功放可增加到千米以上。蓝牙的基带符号速率为 1Mbit /s,采用数据包的形式按时隙传送 ,每时隙 0. 3625μs。跳频技术使得蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力和多址能力 ,对于单时隙包 ,蓝牙的跳频速率为 1600跳 / s;对于多时隙包 ,跳频速率有所降低 ,但在建立链接时 (包括寻呼和查询 ) ,则提高到 3200跳 / s。[1]

蓝牙根据网络的概念 ,提供点到点和点到多点的无线链接 ,在任意有效的通信范围内 ,利用时分多址 ( TDMA ) ,一个主设备 (提出通信要求的设备 )最多可以同时与 7个从设备 (被动通信设备 )进行通信并和多个设备 (可超过200个 )保持同步 ,但不通信。1个主设备和多个从设备间存在通信所构成的网络称为蓝牙微微网络 ; 2个以上的微微网络存在设备间的通信 ,则构成蓝牙分散网络。任一蓝牙设备在微微网络或分散网络中 ,既可作为主设备又可作为从设备 ,或同时既是主设备又是从设备 ,因此 ,蓝牙系统是无中心网络 ,具有自然灵活的组网方式。[2]

图1 智能小区警情监控系统结构框图

2 智能小区警情监控系统设计

所谓智能小区 ,就是将现代计算机技术、自动控制技术、通信与信息处理技术、多媒体技术等先进技术与传统的土木建筑技术相结合的居民生活小区。目前国内的智能小区构建 ,有利用电话网 , 利用有线电视网和单独布线三种方案。其中以应用 LonWorkS现场总线而单独布线的方案被广泛推广和采用 ,但是 ,这种单独布线的方案要将整个小区实现无缝隙的监控 ,设备投入的成本和运行维护的费用自然很高。如何解决这一难题呢 ?

本文提出了图1所示“有线 /无线混合网络方案 ”,在图 1将整个小区划分为上层 (小区监控中心 ) ,中层 (大楼监控中心 ) ,下层 (用户蓝牙终端 )三个层次。中上层间构成有线 (局域网 )网络 ,中、 下层间构成蓝牙无线网络。用户蓝牙终端(见图 2 )主、从设备间可以采用有线、无线相结合的连接方式 ,主设备负责对用户或公用设施监控点中各个从设备 (包括各类传感器、信号处理器、蓝牙模块和家电设备等 )进行控制、管理 ,同时通过蓝牙分散网络及时和楼房监控中心进行无线通信 ,蓝牙终端的主、从设备构成蓝牙微微网络。大楼监控中心，既要对楼内用户与楼内公用设施监控点的蓝牙终端进行连接与控制,又要负责完成与小区监控中心的连接与控制。小区监控中心则负责整个小区的公用设施与各大楼的用户蓝牙终端的信息进行分析、处理和控制。

图2 蓝牙终端硬件图

3 用户蓝牙终端设计

设计思想是依据蓝牙协议中的串口应用模型( SPP) ,实现对传统串行电缆的替代。如图 3所示 ,它包括单片机系统、显示、报警、发射 /接收、看门狗、通信接口等。单片机系统中的 CPU可选用 AT89C2051 ,内带 2KB 的 Flash ,可重复擦写 1000次 ,便于研制阶段反复调试和修改。为了提高系统的可靠性 ,采用 X25045实现硬件看门狗功能 ,他也提供 512B 的 E2 PROM 保存重要的系统参数。每当系统掉电、再上电后 ,通过串行时钟输出端将重要的系统参数读到特定的 RAM 区 ,使程序恢复正常运行 ,串行 E2 PROM 93C46保存终端设备号码与相关数据资料。同时设备会自动搜索附近的蓝牙接入点 AP (微微网络中的主设备 )并与之链接 ,建链后就可以进行透明的数据传输。用户编写的应用程序和协议栈一起运行在嵌入式环境中。在开发嵌入式蓝牙设备和应用系统时 ,可以采用 2种方式 :一种是采用只提供无线接口的简单模块 ,再针对该芯片组自行开发主芯片 ,该主芯片包括从基带层到应用层的完整蓝牙协议栈 ,这种开发方式较为复杂 ,但不一定需要 HCI层。另一种方法是购买由供应商提供已通过认证测试的完整的蓝牙芯片组进行应用开发 ,即自己注重开发应用部分 ,这样 ,可以简化开发过程和缩短开发周期。

4 大楼监控中心设计

大楼监控中心的硬件，值班室监控服务器一侧主机( PC机 ) ,既可以采用模块化设计,又可以将蓝牙模块作为添加的附件和插卡与主机连接。蓝牙模块和主机的接口采用USB接口, USB 接口不仅速度快 ,而且支持 pnp (即插即用 )。如 果 采 用 PC 标 准 串 行 口 中, 则要用 MAX 232进行电平转换。另外,还需要用蓝牙链接来对用户进行鉴权 ,鉴权过程需提供 P I N 或链路密钥,不能完成连接过程将被禁止传输数据业务。

5 单芯片蓝牙模块

用户终端主机从设备上和大楼监控中心都用到的ROK101007芯片是 Ericss on公司生产的单芯片蓝牙模块 ,他支持 USB、 UART和 I2C接口 ,具有声音和数据传输的功能。该模块符合蓝牙 1. 1版本 ,并通过了 FCC / ETSI类型认证。包括了 3个部分 :射频模块、基带控制器和 Flash存储器[3]。

( 1 )射频模块用来实现设备间的无线连接 ,具体要完成频率的合成 ,基带模块的数据比特信号的无线电信号的转换过滤 ,并负责将无线电信号以一定的功率和跳频频率发送出去。该模块由蓝牙射频芯片来实现射频信号收 /发 ,它包括环路滤波器、 压控振荡器、 射频专用集成电路、 晶体管振荡器、 接收 /发送电路、RX / TX 开关及无线过滤器。其中环路滤波器、压控振荡与射频专用集成电路组成了锁相环路 ( PLL )。发送和接收 ( RX /TX)部分共享 PLL ,数据的发送和接收分别在不同的时隙进行。根据给定的时间,PLL 可在不同的载波频率上跳变。

6 结 语

上述应用蓝牙技术智能小区的警情无线有线混合监测系统有五大优势:采集信息速度快;中上层间的局域网成本低 ,尤其是中下层用蓝牙无线链路取代复杂电缆连线,实现透明数据传输、抗干扰能力强 ;非人工的全天候自动监测 ,不会出现链路中断或数据出错的情况,可靠性高 ;蓝牙芯片的价格相对较低 ,功耗微 ,运行成本低 ;不需要充电。它是一种高效、可靠、快速、安全、稳定的监测系统。蓝牙技术将引起无线连接的测控系统和信息家电的大发展和变革,具有广阔的应用前景。

[1]金纯,等.蓝牙技术 [M].北京：电子工业出版社,2005.

[2]侯春萍,宋俊德,宋梅译.蓝牙核心技术[M].北京：机械工业出版社, 2004.

[3]张禄林.蓝牙协议及其实现[M].北京:人民邮电出版社,2002.

O59

A

1673-2219（2010）12-0018-02

2010－09－15

本文为湖南科技学院资助重点研究项目。

徐晓（1974－），男，湖南岳阳人，副教授，从事自动控制方面的研究与教学。罗剑（1980－），女，湖南湘潭人，讲师，从事机电一体化方面的研究与教学。

（责任编校：何俊华）