基于蓝牙技术的可穿戴式智能环境参数采集系统

基于蓝牙技术的可穿戴式智能环境参数采集系统

孙广维,杨小天

(吉林建筑大学电气与电子信息工程学院，长春130018)

摘要：提出了一种基于蓝牙技术的无线可穿戴式环境参数获取系统，其采用智能手持终端(例如手机)，实现了将个人用户周边环境信息的实时采集，融合了可穿戴式传感器、物联网技术以及智能终端等技术。系统集成了多种传感器，可检测温湿度、光照、气压、PM2.5等。另外，该系统很容易通过增加传感器种类和数目实现扩展，还可以与其他系统通过广域网进行无线组网，实现一个大型环境参数监测无线传感器网络，将会在环境监测、天气、自然灾害预警方面得到广泛发展。

关键词：蓝牙技术；可穿戴式；采集系统

收稿日期:2014-12-20

作者简介:孙广维(1982-)，男，吉林农安人，讲师，硕士研究生，主要从事多媒体技术方面研究；杨小天(1969-)，男，吉林长春人，研究员，博士，主要从事电子功能材料合成、生长，电子器件制备，液晶显示驱动电路设计等方面研究。

中图分类号：TP 8文献标志码：A

0引言

可穿戴式智能系统是近年来刚刚兴起的热点产业，例如谷歌眼镜、Apple iWatch、智能服饰等，可以成为人体的一部分，为个人用户提供专属化、个性化的智能服务[1]，其主要特点还包括：可在运动状态下使用；具有智能控制能力；可以长时间使用等。随着技术的进步，可穿戴式智能设备逐渐在工业、医疗、军事、教育、娱乐等诸多领域表现出重要的研究价值和应用潜力，到2016年全球穿戴式智能设备市场的规模将达到60亿美元。

随着社会的发展，生活水平的不断提高，人们对自己周边环境的了解需要也日益迫切。但通常情况下，人们了解环境状况的方式比较单一，只能依靠天气预报等传统方式来了解周边环境状况，但这种传统方式是基于大范围的测量，无法针对个体环境参数进行实时测量，其准确性会大幅度降低。在本文中，我们提出了一种基于蓝牙技术的可穿戴式智能环境参数采集系统，将利用多种紧凑型传感器进行可穿戴式整合，进行环境参数的实时测量，然后通过蓝牙方式将数据传输给人人都具备的智能手持终端(例如手机)，再将结果处理和反馈给用户。在本文中，采用了基于Android系统的智能手机进行数据处理和显示。

1系统设计

系统的实现框图如图1所示。本系统可分解成两个子系统，即可穿戴式多传感器系统，基于Android系统的显示和处理系统，二者通过蓝牙模块进行通讯和数据交互。其中可穿戴式多传感器系统集成了温度测量、光照强度测量、湿度测量、气压测量和PM值测量功能。各个模块将采集到的参数首先发送到可穿戴式多传感器系统中央处理器来进行处理，然后处理器将数据打包后传递给蓝牙模块，蓝牙模块再将数据无线传输的方式传递给手持智能终端[2]。智能手持终端搭载的Android系统会将数据获取并在自己的应用层进行显示。本系统具有以下几个特点：

1)便携性：本可穿戴式系统的传感器可采用分布式布线，即多个传感器可分布于衣服的不同位置，从而使穿戴系统不会对原有衣物的舒适性造成影响。传感器管理用处理器与智能手持终端之前采用基于蓝牙技术的无线传输方式，可进行短距离数据传输，极大地提高了系统的便携性。

2)操作人性化：该系统采用智能手持设备进行人机交互，初步工程采用广泛使用的Android系统，图形化、触摸化操作，具有良好的交互性，非常人性化。

3)可扩展性：本系统核心是基于单片机的多传感器数据获取系统，与智能终端构成了星型总线连接的局部传感器网络，所集成的传感器可进行分布式布局，这种布局具有非常良好的可扩展性，可以通过增加传感器来扩展系统。另外，本系统可扩展性还体现在手持智能终端应用上，可以将从传感器接受的信息处理后通过无线数据连接提供给上层网络系统及应用，从而构成一个大型分布式、多人参与的移动无线传感器网络系统，不仅可提供基本环境参数的采集、分析，还可以对突发天气、事故等进行及时播报。

图1　系统的实现框图

2系统实现

2.1　主控模块的处理器

主控模块本设计采用由单片机作为主控芯片而构成的系统，单片机型号选用STC12C5A60S2, STC12C5A60S2是由国内的生产厂商宏晶科技生产的新一代8051系列单片机[3]。它运用了增强型8051内核，其运行速度比普通的8051单片机快8-12倍，内部包含有60K字节的程序存储器和1280字节的随机存储器。此外该系列的单片机还包含了8通道的高速十位ADC，两路PWM，以及四个16位的定时器。该系列的单片机默认情况下是完全兼容普通的8051单片机并且兼容普通的8051指令集。

单片机的VCC引脚 要接+ 5V电源，GND 引脚+接地，增加两个滤波电容电压保持恒定。这样就能够为单片机提供正常的工作电压。

本设计采用11.0592M的晶振， XTAL1引脚和XTAL2引脚分别是放大器的输入端和输出端。外接的石英晶体作为反馈元件与该放大器恰好构成自激振荡电路。石英晶体与两个电容构成并联谐振电路。这两个电容的大小这里选用30pF。

根据STC12C5A60S2的特性，在单片机工作时，当RST引脚被给予两个振荡周期以上的高电平，将会触发单片机的复位指令。

2.2　蓝牙芯片BC417173

当采用蓝牙方式进行传输时，单片机对传感器数据采集完毕后，会将数据通过串口传递给蓝牙模块，蓝牙模块作为主机会通过蓝牙协议将数据进行无线传输，发送给智能手持终端。

本设计采用的蓝牙串口模块选用CSR的蓝牙芯片BC417173以及相应的解决方案。其电路如图2所示：

图2　蓝牙芯片BC417173电路图

该芯片上电之后首先会进行初始化工作，初始化完毕之后会对蓝牙的相关参数进行相应的配置，如波特率、晶振频率等。该设计中采用的波特率为9600bps，晶振频率为11.0592MHZ。蓝牙的参数配置完毕之后芯片会加载相关的蓝牙固件，蓝牙的固件为蓝牙的硬件设备与通信协议之间提供相应的驱动。这些准备工作完成之后，该芯片会按照预定的格式将单片机采集到的数据进行传递。

2.3　实现涉及的传感器

该系统目前已经集成有温度传感器DS18B20、光照强度传感器bh1750、湿度传感器DHT11、气压传感器BMP085和PM2.5传感器，采用星型网络模型，可以继续扩展其他环境参数测量装置[5]。

主控系统要采集各传感器采集到的数据，然后按照规定的通信格式与智能手持终端进行通信。手持终端将数据处理后通过安卓系统上的应用进行显示[4]。本设计的软件设计主要包括：主控模块与传感器的通信设计、主控系统与智能手持终端的通信设计、智能手持终端的操作界面与数据显示设计三部分。

智能手持终端的蓝牙接收流程图如图3所示：

图3　系统实现流程图

3结语

本设计将可穿戴式传感器、物联网技术以及智能终端技术融合在一起，实现了一种可扩展的分布式环境参数采集系统。该系统目前已经集成有温度传感器DS18B20、光照强度传感器bh1750、湿度传感器DHT11、气压传感器BMP085和PM2.5传感器，采用星型网络模型，可以继续扩展其他环境参数测量装置。环境参数首先通过传感器系统中央处理器STC12C5A60S2进行处理后，经由蓝牙模块BC417173，以无线方式发送给手持智能终端，然后由运行在智能终端上的App(目前实现了Android操作系统下)将结果显示，或以声音、震动等形式反馈给用户。经测试，运行状况良好，各项参数采集实时、准确。本系统还具有良好的扩展性，不仅可以体现在传感器种类、数目的可扩展性，而且还体现在本设计还是大型无线传感器的一个节点。这个节点的核心是手持智能终端App，它可以将获得的环境参数信息与地理信息相结合，然后进行加工、处理，再通过无线数据信息网络将数据发送给更高一层的节点或中心处理单元上，从而完成一个大型无线传感器网络的组网工作。本论文所给出的系统建成后，不仅可以应用在个人用户所关心的环境参数获取，还可以应用到异常天气监测、自然灾害报警、智能环境控制等。本设计与柔性太阳能电池技术、柔性电路技术相结合将是未来几年产业界发展的方向。

参考文献:

[1]方琨,张娟,蔡振江,等.基于DS18B20数字温度传感器的温室环境采集系统设计及应用[J].安徽农业科学,2010(1):12792-12794.

[2]蒋梁中,许勇,卞青青.基于arm7环境监测数据采集系统的开发[J].微计算机信息,2009 (1)：14:20-26.

[3]金建设．单片机系统与应用[M]．北京：北京邮电大学出版社, 2013:138-170．

[4]余荣发.基于Android的移动视频监控系统的设计与实现[D].广州：华南理工大学.2011.

[5]王建,毛腾飞,陈英革. 基于BH1750芯片的测光系统设计与实现[J]. 常熟理工学院学报,2011 (2):117-120.

责任编辑：吴旭云

Wearable Intelligent Environment Parameters Acquisition System Based on Bluetooth Technique

SUN Guangwei，YANG Xiaotian

(School of Electrical and Electronic Information Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun 130018, China)

Abstract：This paper presents a wearable environment parameters acquisition system based on Bluetooth technique, which achieves the individual user environment information acquisition by using intelligent handheld terminal (such as a mobile phone), showing the fusion of technologies of wearable sensors, network of things and intelligent terminal. The system with many sensors integrated can detect the temperature and humidity, light, pressure, PM2.5, etc. In addition, the system is very easy to achieve expansion by adding types and numbers of sensors, also form wireless network with other systems through wide area network. The realization of a large-scale wireless sensor network of environment parameters monitoring will be widely developed in environmental monitoring, weather and natural disaster prediction.

Keywords：Bluetooth technique； wearable; acquisition system