面向移动终端的蓝牙网关设计与实现

张 毅，叶天翔，马子超

(重庆邮电大学通信学院，重庆 400065)

在近距离无线通信技术中，ZigBee和蓝牙的应用极为广泛。ZigBee所具有的近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率和低成本的特点，使其广泛应用于工业监控、传感器网络、家庭监控和安全系统等无线领域［1－2］。然而，ZigBee传感网络的监控软件大多依赖于PC机的存在，不能满足人们所预期的实时监控要求。而现有的Zig-Bee手持设备价格昂贵、功能简单、体积偏大，携带起来也不方便。

智能手机的出现重新定义了手机的概念。它不仅满足了人们日常通信的需求，并且具有独立的操作系统，像个人电脑一样支持用户自行安装软件、游戏等第三方服务商提供的程序，并通过此类程序不断对手机的功能进行扩充，同时可通过移动通信网络来实现无线网络接入。在硬件方面，智能手机的核心处理器不断升级，已经远远满足了手持设备的硬件需求。因此，可以设想在某些近距离通信场合(家庭、车间、楼道等)，设计一种支持蓝牙与Zig-Bee相互通信的网关，实现手机对ZigBee设备的检测和控制。

1 系统结构和理论分析

1.1 系统结构

整个系统由智能手机、蓝牙网关和ZigBee设备组成。ZigBee设备集成了传感器、微处理器和数据传输接口，分别负责数据的采集、处理、接收和传输。蓝牙网关负责对每个节点设备的管理，接收节点发来的数据信息，并对这些信息进行解析，然后将转换后的信息发送至手机。智能手机将蓝牙网关传送来的数据进行解析和存储，并在手机屏幕上显示。同样，手机也可以通过蓝牙网关的连接向ZigBee设备发送控制指令，实现手机对ZigBee设备状态的监控，其结构如图1所示。

图1 蓝牙网关系统结构图

1.2 蓝牙网关实现可行性

蓝牙与ZigBee同属于2.4 GHz频段，需要考虑如何处理同在有效传输范围内的无线设备之间的相互干扰。

蓝牙协议自带调节性跳频技术，它具有79个相互独立且随机选择的有效通信频率，蓝牙设备可以使用其中的任意一个频率，它可以随时有规律地跳向另一个频率。由于频率之间的跳变每秒钟会产生1600次，即使处于同一频段，其持续的时间也不会超过千分之一秒。因此，调节性调频技术可以将外界设备对蓝牙设备的干扰降低到最低［3］。

ZigBee系统是非跳频系统，所以蓝牙在79次通信中才有1次机会和ZigBee的通信频率产生重叠，且将会迅速跳至另一个频率。因此，蓝牙不会对ZigBee产生严重威胁，而ZigBee对蓝牙系统的影响可以忽略不计。另一方面，IEEE 802.15.4标准中提供了很多机制来保证Zig-Bee在2.4 GHz频段和其他无线技术标准的共存能力。

因此，两种无线协议可以在2.4 GHz频段共存。

2 系统设计

2.1 蓝牙网关硬件设计

蓝牙网关由蓝牙模块与ZigBee模块组成。其连接图如图2所示。

图2 蓝牙网关的设计图

蓝牙模块采用CSR公司的BC417143B芯片，它采用蓝牙2.0协议标准，支持微微网，带有一路USB接口和两路串口，采用BGA封装，能够与手机建立通信，有效传输距离为10 m，数据传输速率最大值为3 Mbit/s［4］。

ZigBee模块采用德州仪器推出的CC2530芯片。它具有如下主要特性［5］:自带8051处理器内核;支持IEEE 802.15.4协议规范;具有强大的抗干扰性能，天线接收灵敏度高;采用3种电源模式，功耗更低;具有8通道14位模/数转换的ADC;支持AES加密;采用QFN封装，便于焊接;自带两路RS－232串口、1个16位计数器和2个8位计数器。

2.2 蓝牙网关软件设计

蓝牙网关的软件结构主要包括ZigBee传感器网络的初始化、蓝牙传感器网络的初始化、数据传输3个部分。

ZigBee传感器网络的初始化包括ZigBee系统时钟、堆栈、LED、按键、Flash、硬件模块、MAC层、应用框架层、操作系统等初始化。

蓝牙传感器网络的初始化是通过串口向蓝牙模块发送AT指令实现的。其中包括设置蓝牙模块的工作角色、获取模块蓝牙地址、设置配对密码、设置串口参数、初始化SPP规范库、进入节能模式等。

手机与蓝牙网关绑定地址后，进行一对一的数据传输。在网关管理层中，蓝牙网关将来自手机的数据进行解析，根据节点类型获取ZigBee节点的短地址。然后通过单播的方式向对应的节点发送控制信息。节点收到指令后，对数据进行解析，获取功能指令和操作类型，再产生相应的操作，实现手机对ZigBee节点的操控。同样的，该信息的传递也是可逆的，ZigBee设备可以将节点的传感器信息通过蓝牙网关上传到手机，实现手机对ZigBee设备的监测。蓝牙/ZigBee协议的模型如图3所示。网关管理层负责两种协议的转换。

图3 蓝牙/ZigBee协议的模型

2.3 移动终端软件设计

这里采用Windows Mobile操作系统的智能手机作为监控端，它界面类似于PC上的Windows，便于熟悉电脑的人操作。手机端的软件开发工具为Microsoft Visual Studio，它具有丰富的插件，可以提高开发人员的工作效率。

软件在架构上分为蓝牙虚拟串口驱动、数据解析与存储、界面功能实现。其软件结构如图4所示。

图4 手机监控端应用软件结构图

串口的驱动是通过构造一个serialPort类来实现的。serialPort的构造函数中首先以读写的方式打开串口，用一个用于控制以及配置串口通信设备的数据结构来进行串口配置。其中，包括串口的串口号、波特率、数据位、校验位、停止位的配置。串口读和写是通过serialPort.Read-Byte()和serialPort.Write()函数来实现的。

根据节点的类型、编号、功能指令的不同，将信息分类，然后将解析后的传感器数据进行存储。最后，在手机屏幕上显示数据。

根据功能的需求，在应用层添加功能函数，实现手机对ZigBee节点的控制。

3 通信协议

根据ZigBee节点的类型、编号、功能指令、操作类型等参数，定义相应的数据包格式。在智能终端和ZigBee节点通信时，按照统一的指令传输数据。通信协议指令包格式如表1所示。

表1 通信协议指令包格式 byte

4 系统测试

运用上述方案完成蓝牙网关的设计，并对该设计进行了测试。

首先，将移动终端与蓝牙网关建立连接。然后，通过手机对相应的ZigBee节点发送控制指令。最后，对手机端接收的信息进行实时解析，并在手机上显示ZigBee节点当前的状态。测试结果如图5所示。

图5 手机端监控界面

测试表明，经过蓝牙网关的转换，可以实现手机对ZigBee设备的控制和检测。经过后期功能的丰富和完善，可以实现智能手机对ZigBee手持设备的替换。

5 小结

现代家庭中，各式各样的遥控器琳琅满目，而且每家拥有的遥控器数量越来越多，造成了使用上的不便。用手机替代现有控制器是一种很好地解决办法，不仅给人们带来诸多的便捷，而且避免了闲置和丢弃的遥控器产生的大量电子垃圾。

本文设计的蓝牙网关实现了蓝牙与ZigBee信息的转换，向移动终端添加了ZigBee手持设备的功能。不仅节省了ZigBee手持设备开发的成本，而且使人们对ZigBee节点的监控更加方便。同时，也证明了在近距离无线通信领域，ZigBee和蓝牙不是相互竞争，而是互相补充，可以利用其在各自应用领域的优点，将二者更好地结合，扩展应用方案。

［1］高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2009.

［2］王锐华，于全.浅析 ZigBee技术［J］.电视技术，2004，28(6):33－35.

［3］金纯，林金朝，万宝红.蓝牙协议及其源代码分析［M］.北京:国防工业出版社，2006.

［4］BC417143B Data Sheet［EB/OL］.［2011－02－22］.http://www.datasheetarchive.com/pdf.

［5］CC2530 Data Sheet［EB/OL］.［2011－02－22］.http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.