基于蓝牙4.0技术智能防丢器的设计与实现*

李　娜　季赛花　陈刘洋　张绛丽　石　亮

(江苏科技大学计算机科学与工程学院　镇江　212003)



基于蓝牙4.0技术智能防丢器的设计与实现*

李娜季赛花陈刘洋张绛丽石亮

(江苏科技大学计算机科学与工程学院镇江212003)

为解决当今社会诸如老人、幼童等柔弱人口的丢失问题,达到保护和警示外出柔弱人群的人身安全的目的,文章提出了一种基于蓝牙4.0技术的智能防丢器系统方案。该防丢器为穿戴式设备,其传感器发出无线电波供手机接收,一旦手机与穿戴式设备的距离越过阈值时,手机就会因接收不到传感器发出的无线电波而自动启动报警装置,提醒看护者。系统采用德州仪器CC2540系列低功耗蓝牙芯片,利用IAR集成开发环境,并具有低功耗、低复杂度、低成本等优点。

蓝牙4.0技术; 防丢器; IAR

Class NumberTN8

1　引言

随着社会的发展,柔弱人口的走失现象越来越普遍,且该现象具有随机性、突发性的特点,所以看护者很难及时发现柔弱人口的走失。目前柔弱人口走失问题也越来越受到社会公众的关注,因此研究开发带有紧急声光报警功能的智能防丢器系统有极大的社会价值和广阔的市场前景。本系统在通信方面采用具有低功耗、可靠、无限制、通信安全等优点的蓝牙4.0技术,通过使用CC2540芯片所具有的蓝牙4.0BLE协议进行了设备互联以及无线数据的收发,实现了一种新颖的防丢器的设计。本文将详细介绍基于蓝牙4.0技术的智能防丢器系统的总体设计、硬件模块和软件模块等内容。

2　系统总体设计

2.1功能模块组成

通过手机与柔弱人群身上的穿戴式蓝牙设备连接,实现下述功能：

当柔弱人群与看护者的距离超过预设的阈值,即10m时,手机就会自动启动报警装置,及时有效地提醒看护者注意柔弱人群的动向。

2.2系统设计思路

日常生活中,最常见的无线移动通信技术主要是红外、ZigBee、蓝牙、Wi-Fi等。其中红外传输是一种点对点的无线传输方式,成本低廉,跨平台,安全性高,但红外作为一种视距传输[1],相互通信的设备之间必须对准且不能离得太远或被其他物体阻隔,信息传输的进度不易控制,扩展性差。

ZigBee技术的特点是低功耗、低速率、近距离、低成本、低复杂度、自组织,主要应用在传输速率不高、距离短和功耗低的场合。

蓝牙技术是一种集无线数据和语音通信于一体的开放性全球规范,它提供了一种在低成本的短距离无线连接的基础上的固定或移动终端设备的接入服务[2],其工作频段为全世界公开通用的2.4GHzISM(Industry Science Medicine)频段,抗干扰能力强,能提供10m的传输距离和1Mbps的传输带宽[3],且扩展性好。

Wi-Fi技术是一种可以将终端无线互联的技术,数据速率可达11Mb/s,覆盖范围约100m,功耗较低,但数据安全性差,主要应用在家庭及公共场所。

总之,各种无线移动通信技术各有优缺点。红外技术适用于相对静止和稳定的短距离通信场所,ZigBee技术主要适用于工业控制等场所,Wi-Fi技术适用于对安全性要求不高的场所,而蓝牙技术适用于短距离通信的嵌入式产品,例如各种穿戴式通信设备以及移动电话[4]。

蓝牙4.0相比于以前的蓝牙标准来讲,最大的特点在于低功耗,同时加强不同OEM厂商之间的设备兼容性,并且降低延迟,理论最高传输速度依然为24Mbps(即3MB/s),该标准芯片被大量的手机、平板所采用。

基于以上分析,我们将通过蓝牙4.0技术实现新型智能防丢器的研究和开发。

在本系统中,首先,穿戴式设备与手机进行配对,待连接成功后通过转换距离算法将RSSI值(Received Signal Strength Indication)接收的信号强度指示变换为两者之间的距离发送给手机。一旦距离越过预设的阈值时,手机就会立刻自动启动声光报警装置,从而实现智能防丢器的功能。

3　硬件模块

3.1硬件整体布局

蓝牙4.0技术的智能防丢器由两部分组成——智能手机和穿戴式设备。穿戴式设备主要由蓝牙芯片模块、按键模块、指示灯模块、供电模块、仿真器模块、蜂鸣器模块等组成。其硬件布局如图1所示。

图1　硬件整体布局

3.2带LCD的NEW Smart RF开发板

CC2540 低功耗蓝牙模块是基于TI公司 CC2540 芯片研发的低功耗蓝牙射频模块,是一款高性能物联网无线收发器,可直接应用于类似防丢器这种短距离物联网无线通信领域。具有功耗低、体积小、传输距离远、抗干扰能力强等特点。

开发板采用核心板和底板分离的设计,核心板带有板载PCB天线和外接SMA天线两种尺寸。根据智能防丢器功能实现的需要,我们选用的是PCB板载天线,一方面,端口完全对外开放；另一方面,模块采用邮票型接口形式[5]。因此,使用时不仅省去设计射频硬件的问题,而且在产品结构和软件上具有更灵活的扩展性。

该模块特别适合运用于基于蓝牙 4.0技术的智能防丢器的设计与实现。它不仅能增强数据传输的可靠性和抗干扰性,减少信号传递过程中障碍物的影响；还能实现解决穿戴式设备与手机的互操作问题,电池寿命也可显著延长。其硬件布局及接口说明如图2所示。

图2　NEW Smart RF开发板

3.304EB仿真器

在此次开发阶段中,使用04EB仿真器进行软硬件调试。通过仿真器与集成开发环境相结合,不仅可以对系统程序进行单步调试、断点调试、全速调试,还可以观察各类寄存器的实时数据、各种变量的变化、程序的执行情况等。利用04EB仿真器可以实现对软硬件电路的实时调试,快速找到程序中的逻辑错误,从而大大缩短了系统开发周期。总之,04EB仿真器在系统开发中发挥着不可或缺的作用[6]。

连接开发板之后按下仿真器复位键,04EB仿真器的指示灯会由灭变亮,待识别到开发板后再在开始程序下载,否则会损坏仿真器。其硬件布局及接口说明如图3所示。

图3　04EB仿真器

3.4无源蜂鸣器

与有源蜂鸣器不同,在无源蜂鸣器不带震荡源,所以不能采用直流驱动信号[7]。此次,采用的是2K～5K的方波去驱动它。其电路图如图4所示。

图4　无源蜂鸣器电路图

4　BLE协议栈

4.1概述

图5　BLE协议栈

蓝牙4.0技术的智能防丢器通过使用CC2540芯片所具有的蓝牙4.0协议实现蓝牙设备的互联以及无线数据的收发。TI公司制定的蓝牙4.0协议栈主要包含两部分：控制器部分和主机部分[8]。协议栈的实现主要是采用分层思想,具体如图5所示[9]。

程序实现过程如下：

调用Hal_BOARD_INIT()、InitBoard(OB_COLD)、HalDriverInit()函数对硬件模块进行初始化；再调用osal_snv_int()、osal_init_system()函数对系统进行初始化,然后调用HAL_ENABLE_INTERRUPTS()函数开启中断,最后调用osal_start_system()函数开启系统。当开启整个系统后,系统会依照规定处理一个个的任务事件。

协议栈运行流程如图6所示。

图6　协议栈运行流程图

4.2OSAL工作原理

蓝牙为了实现同多个设备相连,或实现多功能以及功能扩充,这就产生了调度问题。虽然软件和协议栈可扩充,但终究最底层的执行部门只有一个。为了实现多事件和多任务的切换,需要处理事件和任务对应的应用,并起一个名字OSAL即操作系统抽象层[10]。

OSAL作为调度核心,BLE协议栈、Profile及所有的应用都围着它来实现。OSAL不是传统大家使用的操作系统,而是一个允许软件建立和执行事件的循环。

为了使用OSAL,在编写代码的时候,我们在main函数的最后编写了一个名叫osal_start_system()的进程,该进程一旦被启动后,就会调用由特定应用决定的启动函数 osalInitTasks()来启动系统。osalInitTasks()逐个调用BLE协议栈各层的启动进程来初始化协议栈。随后,设置一个8bit的任务ID(task ID),跳入循环等待执行任务,这时系统启动完成。在代码编写完成后,对BLE协议栈有以下体会：

1) 任务优先级决定于任务ID,任务ID越小,优先级越高；

2) BLE协议栈各层的任务优先级比应用程序的高；

3) 初始化协议栈后,系统优先处理新到的任务,即越晚调入的任务,其优先级越高,任务ID越小。

不同的子系统通过OSAL的消息机制通信。消息收发过程描述如下：

在接收信息时,调用函数osal_msg_allocate()[11]创建消息占用内存空间(已经包含了osal_mem_alloc()函数功能),同时为该函数指定空间大小,该函数返回内存空间地址指针,利用该指针就可把所需数据拷贝到该空间。

在发送数据时,调用函数osal_msg_send(),需为该函数指定发送目标任务,OSAL通过SYS_EVENT_MSG告知目标任务,目标任务的处理函数调用osal_msg_receive()来接收发来的数据。每个OSAL任务都有一个消息处理函数,每当任务收到一个消息后,通过消息的种类来确定需要本任务做相应处理。消息接收并处理完成,调用函数osal_msg_deallocate()来释放内存(已经包含了osal_mem_free()函数功能)。

4.3硬件抽象层HAL

硬件抽象层是旨在将硬件抽象化的位于硬件电路和内核之间的接口层[12]。当一个硬件平台做好后,根据实际需要,不需要修改HAL之上的应用程序和协议栈的其他组件,只需修改HAL即可,从而隐藏硬件接口细节以便于开发。

5　蓝牙传输原理

蓝牙传输过程[13]如图7所示。

图7　蓝牙传输原理

1) 当从机设备发出广告信号(包括设备地址和设备名称之类的附加信息),主机设备接收到该广告信号后向从节点发起扫描请求[14]；当从机设备回应扫描请求时,就完成了设备搜索过程。

2) 主机设备向从机设备发出建立连接请求(包括连接时隙,从机设备待机次数,连接超时值),从机设备回应建立连接应答,就完成了建立连接过程。

3) 为了安全起见,一些数据的访问需要认证,它的完成是这样的：一方(可以是从机设备,也可以是主机设备)向另一方索要6位数字的密码,之后,通过主从机设备交换128位安全密钥用于加密和认证[15]。上述过程称为配对。

4) 认证的过程比较繁琐,BLE协议栈支持主从机设备保存认证的安全密钥(一般是非易失性存储器中),以便于主从机设备下次连接后快速认证,这就是绑定技术。

综上所述,蓝牙传输要经历设备发现,建立连接,配对以及绑定这四个过程。

6　系统测试

6.1测试步骤

将IAR中的程序烧写进开发板进行测试,具体步骤如下：

1) 对IAR上写好的代码进行编译：在工程名处右击鼠标,然后点击Rebuild All；

2) 代码编译成功后,将电脑上的USB接口与仿真器用数据线连接,仿真器与开发板用杜邦线连接；

3) 连接后一定要按仿真器复位键,然后打开鼠标点击debugging按钮(或是用Flash programmer直接将调试或产生的hex文件烧录到单片机中)后进行下载。这样就可以将代码烧写进开发板了；

4) 烧写成功后就可以用仿真器进行开发板的调试或模拟功能的实现。

6.2测试结果

给开发板上电后,蓝牙CC2540模块开始广播,此时显示屏上显示从机周围的温度值和湿度值[16]。打开手机应用开始搜索穿戴式设备,这时绿灯亮；当智能手机与穿戴式设备配对时,显示屏上会显示配对密码,若验证通过,黄灯亮表示配对成功；若验证未通过,红黄绿三灯同时亮且蜂鸣器会一直长叫,提醒重新配对。在无障碍情况下,当手机和穿戴式设备之间的距离超过阈值[17],即10m时便会断开连接,此时三灯都亮且蜂鸣器会长叫报警。

6.3结果分析

在无障碍物情况下,当智能手机与穿戴式设备的距离超过10m时,智能手机就接收不到穿戴式设备发出的信号,蜂鸣器就会报警。在实际应用中,一旦用户和看护者的距离超过预定的阈值时,蜂鸣器就会发出警报,提醒看护者看管柔弱人群。这很好地起到了防丢器的作用。

6.4特色与创新

蓝牙4.0的智能防丢器具有以下特色：

1) 使用方便：无需外界网络的支持,穿戴式设备与手机配对连接后便可自动实现相应功能；

2) 人性化设计：穿戴式设备,适于柔弱人群随身携带；

3) 紧急的声光报警功能：在无障碍物情况下,一旦持有手机的看护者与佩有穿戴式设备柔弱人群的距离超过10m时,手机就接收不到穿戴式设备发出的信号,蜂鸣器就会报警；

4) 节能环保：蓝牙4.0技术本身具有低功耗特性,一枚纽扣锂电池能使防丢器工作不少于三个月；

5) 安全：低功耗蓝牙4.0技术釆用AES-128算法来对数据进行加密或解密,同时,在数据的传输方面采用由许多蓝牙设备组成的网络大大提高了安全性[18],使用户更放心；

6) 可靠：由于采用了跳频技术,蓝牙4.0智能防丢器在性能上稳定可靠,即通信设备会不断搜索干扰比较小的信道,可能每隔一段时间会从一个频率转换到另一个频率[19],从而保证了数据传输的可靠性；

7) 无限制：一部手机可以与多个穿戴式设备建立连接,便于看护者对柔弱群体进行一对多的看管；

8) 廉价：在协议栈的设计方面,低功耗蓝牙比标准蓝牙更精简,制造工艺不断进步,所以它的研发和生产成本方面费用相对较低[20]。另外,低功耗蓝牙工作在无需申请的2.4GHz频段,所以,相对于其他需要缴纳专利或版权费用的技术而言,又一次降低了它的成本；

9) 有极大的社会价值：能有效防止柔弱人口走失。

7　结语

在系统开发过程中,我们查阅了大量的相关文献和数据,包括蓝牙4.0协议原理、IAR编译器的使用,单片机C语言的编写等内容,收获颇多。

蓝牙4.0技术的智能防丢器有很广的发展前景。蓝牙4.0的低功耗无线网络通信技术,相比较其他无线通信技术而言,BLE具有安全性高的优点,所以不会对使用者产生任何安全威胁。用户可以放心使用。设备使用的是纽扣电池,一颗纽扣电池至少可以使设备工作不少于三个月,绿色节能更环保,而且本文穿戴式的设计简单轻巧,方便携带。

这次设计体现了对柔弱群体的关爱,希望能对柔弱群体的人身安全起到一定的作用。生活中,看护者并不是时时刻刻都待在柔弱人群身边,导致柔弱人口走失的情况时常发生,本文的防丢器能极大地避免类似事件的发生,使用户能及时地了解到柔弱人群的动向,解决用户们的后顾之虑,从而进一步推动了社会的和谐发展。

[1] 王斌.基于Android终端的蓝牙台球对战游戏的研究与实现[D].昆明:昆明理工大学,2013:13-14.

WANG Bin.Research and implementation of the Android terminal based on the Bluetooth billiards game[D].Kunming:Kunming University of Science and Technology,2013:13-14.

[2] 高立克,吴智丁,吴丽芳等.近距无线技术在智能配电网终端产品的应用[J].机电信息,2013(3):82-83.

GAO Keli,WUZhiding,WULifang.Application of close wireless technology in the intelligent distribution network terminal products[J.]Journal of Mechanical and Electrical Information,2013(3):82-83.

[3] 周杨.基于ZigBee的短距离通信技术研究[D].武汉:湖北工业大学,2009:18-18.

ZHOU Yang.Research on short distance communication technology based onZigBee[D].Wuhan:Hubei University of Technology,2009:18-18.

[4] 王磊.基于蓝牙4_0技术的防丢器的研究与设计[D].太原：太原理工大学,2013:4-4.

WANG Lei.Research and design of the anti-theft device based on Bluetooth technology 4.0[D].Taiyuan:Taiyuan University of Technology,2013:4-4.

[5] 叶云广.基于Android平台的远程医疗家庭监护系统研究[D].广州:广东技术师范学院,2013:30-31.

YE Yungung.Research on Remote Medical Home Monitoring System Based on Android Platform[D].Guangzhou:Guangdong Polytechnic Normal University,2013:30-31.

[6] 孙逸洁,刘素芳.单片机仿真器设计[J].电子商务,2013(11):60.

SUN Yijie,LIU Sufang.Design of the MCU simulator[J].Journal of Electronic Commerce,2013(11):60.

[7] 王希娟.基于Arduino&Android的家庭智能浇花系统设计与实现[D].西安:长安大学,2013:11-15.

WANG Xijuan.Design and implementation of smart home system based on Arduino&Android[D].Xi’an:Chang’an University,2013:11-15.

[8] 陈子龙,张红雨,李俊斌.CC2540和SHT11的无线温湿度采集系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2013,13(4)：41-44.

CHEN Yulong,ZHANG Hongyu,LI Junbin.Wireless Temperature and Humidity Collection System Based on CC2540 and SHT11[J].Journal of Microcontrollers & Embedded Systems,2013,13(4):41-44.

[9] 徐金苟.低能耗蓝牙4.0协议原理与实现方法[J].微型电脑应用,2012,28(10):16-19.

XU Jinggou.Principles and Implementation of Low Energy Bluetooth 4.0 Protocol[J].Journal of Microcomputer Applications,2012,28(10):16-19.

[10] Augusdi.BlueTooth:浅析CC2540的OSAL原理.2014.5.15[2015.11.10].http://blog.csdn.net/augusdi/article/details/25883811(Augusdi.BlueTooth:Simple analysis of the CC2540’s principle of OSAL.2014.5.15[2015.11.10].http://blog.csdn.net/augusdi/article/details/25883811)

[11] 谭浩强.C程序设计(第四版)[M].北京:清华大学出版社,2010：170-219.

TAN Haoqiang.C programming ( fourth Edition )[M]. Beijing: Tsinghua University Press,2010：170-219.

[12] 管希萌.基于嵌入式数据库的家庭网关设计与实现[D].南京：南京理工大学,2008:17-18.

GUAN Ximeng.Design and Implementation of Home Gatewaybased on the embedded database[D].Nanjing: Nanjing University of Science and Technology,2008:17-18.

[13] 杨战社.基于蓝牙技术的数据传输[D].西安：西安科技大学,2005:33-46.

YANG Zhanshe. Data transmission based on bluetooth technology[D]. Xi’an: Xi’an University of Science and Technology,2005"33-46.

[14] 范晨灿.基于蓝牙4.0传输的Android手机心电监护系统 [D].杭州:浙江大学,2013:44-48.

FAN Chencan.Android mobile phone ECG monitoring system based on Bluetooth transmission 4.0 [D].Hangzhou: Zhejiang University,2013:44-48.

[15] 张雪.基于蓝牙的室内智能停车场管理系统设计[D].赣州：江西理工大学,2013:35-52.

ZHANG Xue.Design of Indoor Intelligent Parking Management System based on Bluetooth[D].Ganzhou: Jiangxi University of Science and Technology,2013:35-52.

[16] 赵政华,吴磊,黄建林.基于ZigBee技术的无线温、湿度监测系统的设计与实现[J].微型机与应用,2009,28(17):36-38.

ZHAO Zhenghua,WU Lei,HUANG Jianlin.Design andrealizationof wirelessmonitoring systemof temperature and humidity based on ZigBee technology[J].Journal of Microcomputer & Its Applications,2009,28(17):36-38.

[17] 莫倩,熊硕.基于蓝牙4.0的接近度分类室内定位算法[J].宇航计测技术,2014,34(6):66-67.

MO Qian,XIONG Shuo.Close Degree Classification of Indoor Positioning Algorithm Based on Bluetooth 4.0[J].Journal of Astronautic Metrology and Measurement,2014,34(6):66-67.

[18] 霍丙坤,罗涛,李剑锋.基于蓝牙4.0的防丢器的研究与设计[J].软件,2014,35(9)：94-97.

HUO Bingkun,LUO Tao,LIJianfeng.Research and Design of the anti-thiftBased on the Bluetooth Technology 4.0[J].Journal of Software,2014,35(9)：94-97.

[19] 杨延强.基于ARM和蓝牙技术图像传输系统研究[D].镇江：江苏科技大学,2013:6-7.

YANG Yanqiang.Theoretical Research on Image Transmisson System based on ARM and Bluetooth Technology[D].Zhenjiang: Jiangsu University of Science and Technology,2013:6-7.

[20] 刘勇.基于ZigBee无线传感网络系统设计与实现[J].电脑知识与技术,2014(3X):2100-2101.

LIUYong.Design and Implementationof wireless sensor network system based on ZigBee[J].Journal of Computer Knowledge and Technology,2014(3X):2100-2101.

Design and Implementation of the Intelligent ANTI-THEFT Device Based on Bluetooth Technology4.0

LI NaJI SaihuaCHEN LiuyangZHANG JiangliSHI Liang

(School of Computer Science and Engineering,Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang212003)

In order to solve the problem of the loss of the weak people such as the elderly and children,and to protect and warn the weak people’s personal safety when they go out,an anti-theft system based on the bluetooth technology 4.0 is put forward in the paper. The anti-theft device is a wearable device,whose sensor sends wireless radio wave for the phone to receive.Once the distance between the phone and the wearable device exceeds the threshold,the phone will automatically start the alarm device to set alarm for the caregiver because it can not receive the radio wave.The system uses the TI CC2540 Series low power bluetooth chip and IAR integrated development environment, and it has the advantages of low power consumption, low complexity,lowcost,etc.

bluetooth technology 4.0, anti-theft device, IAR

2016年3月2日,

2016年4月23日

李娜,女,研究方向：通信工程。张绛丽,女,硕士,副教授,研究方向：无线通信及嵌入式应用。

TN8DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.09.050