基于CC2540的防丢器设计与实现

王仕元，杨晓明

(中原工学院，河南 郑州 450007)

0 引言

在当今社会丢失儿童、宠物的事件屡见不鲜，随身重要物品遗失的情况更是层出不穷，这些都对人们的正常生活、工作造成了不同程度的影响。为有效防范类似事件的发生，设计一款便捷有效的防丢器势在必行。蓝牙技术以其自身的特点在防丢器设计领域受到青睐，它是一种短距离无线通讯技术，具有兼容性强、功耗低、传输速率高、响应迅速、安全稳定性好等优点。本防丢器的设计利用蓝牙技术中的RSSI技术(Received Signal Strength Indicator，通过接收到的信号强弱来测定信号点与接收点的距离，进而根据相应数据进行定位计算的一种定位技术)，以CC2540BLE芯片实现核心构架。

1 防丢器设计方案

本防丢器以蓝牙4.0低功耗芯片CC2540BLE为核心，辅以外围设备来实现防丢功能。在硬件结构中设置一个主机模块(拥有者随身携带)和一个从机模块(防止丢失的儿童、宠物或随身携带物品携带)。要求从机离开主机一定距离后，从机和主机报警，实现防丢功能。在软件逻辑判断中，由于两个CC2540BLE芯片间可实时获取RSSI(信号强度指示)信号，以此RSSI信号的强弱推算两个CC2540BLE芯片间的距离，进而判定从机与主机的距离是否大于设定值，如大于设定值则防丢器发出报警控制信号，达到防丢效果。

1.1 主机部分设计

防丢器主机硬件包括按键模块、复位模块、电源模块、CC2540模块、LED灯和蜂鸣器模块。主机硬件组成如图1所示。

各模块功能如下：①按键模块：通过按键对CC2540模块进行操作，关闭主机的报警；②复位模块：使器件恢复到初始状态；③电源模块：由电池和稳压芯片AMS1117-3.3 V组成，为整个电路提供电能，供电电压为3.3 V；④CC2540模块：进行主机和从机之间的无线连接并根据这两块芯片的RSSI值做出相应的处理，是整个电路的处理器；⑤蜂鸣器：声音报警；⑥LED灯：光报警。

图1 主机硬件组成图

1.2 从机部分设计

防丢器从机硬件包括复位模块、电源模块、CC2540模块、LED灯和蜂鸣器模块。从机硬件组成如图2所示。各模块功能与主机相同。

图2 从机硬件组成图

1.3 外围器件选择

1.3.1 电源模块的选择

依据系统框架选择电源模块。系统框架的主要用电器件为CC2540模块，因此电源模块的选择主要视CC2540而定。CC2540工作电压为2 V～3.6 V，故选择压降较小、标准输出电压为3.3 V的AMS1117-3.3 V稳压芯片作为电源模块。

1.3.2 报警器的选择

为便于及时发现警报、方便寻找遗失人或物，报警方式采用声报警和光报警。出于低功耗、低成本的考虑，在能够完成声光报警任务的前提下，确定选用蜂鸣器作为声音报警模块的核心，选用LED灯作为光报警模块的核心。

2 硬件设计

2.1 CC2540BLE模块

以最小系统板为母板，将CC2540全部GPIO通过两个12P 1.27间距的排针引出。最小系统板由CC2540F256主芯片、32 MHz金属壳晶振、32.768 kHz晶振、PCB天线、SMA外接天线座、天线选择跳线电阻、1.27间距排针和村田电容电感等组成。此模块中的PCB天线充当此系统信号的接收和发射天线，32 MHz金属壳晶振为整个系统提供时钟信号，32.768 kHz晶振充当系统处于睡眠状态的时钟信号。模块引脚如图3所示。

图3 CC2540BLE模块引脚图

2.2 电源电路设计

电源电路采用AMS1117-3.3 V稳压芯片和3节5号电池相结合的模式。电路中设置一个LED灯作为电源指示灯；为减小输入电压波动幅度，在电源电路输入端设置一个电容C2；为提高AMS1117-3.3 V供电质量，在其输出端同样增设一个电容C3。电源电路图如图4所示。

图4 电源电路图

2.3 复位电路设计

复位电路由上电复位电路和手动复位电路组成，电路图如图5所示。

上电复位电路的工作流程为：VCC电源接通时电容C1需经历一个充电过程，在此过程中RESET端会维持一段时间的低电平，起到低电平复位信号的作用；随着VCC电源向C1充电，C1两端的电压增大，一段时间后RESET端变为高电平，上电复位结束。

图5 复位电路图

手动复位电路的工作流程为：在VCC电源作用下，当按键S1按下时，电容C1被短路放电，RESET端呈低电平状态，松开按键S1后，RESET端低电平状态会维持一段时间，起到低电平复位信号的作用；随着VCC电源对C1充电，C1的端电压差增大，一段时间后RESET端再次变为高电平，手动复位结束。

2.4 声报警设计

声报警电路由一个扬声器与一个NPN型三极管共同构成。三极管将报警信号放大，使蜂鸣器在低电压下也能产生很强的报警信号。

2.5 光报警设计

光报警电路由一个LED灯与一个电阻串联构成。电路以高电平点亮LED灯，电阻起到限流作用，避免输出电流过大烧坏LED灯。

2.6 按键电路设计

按键电路仅在主机电路中存在，电路主要由按键、电阻组成。按键未按下时，相对应的引脚处于低电平状态；按键按下时，使引脚处于高电平状态，引脚高电平有效。主机以引脚的电平判断按键是否按下。

3 软件设计

3.1 BLE协议栈

该防丢器的软件是基于TI公司CC2540芯片的BLE协议栈进行二次开发的。TI公司为 CC2540提供BLE协议栈，CC2540可以单芯片实现 BLE 蓝牙协议栈的所有组件，开发人员通过协议栈来使用协议，在主机和从机提供的原始程序基础上进行应用程序二次开发[1-4]。

3.2 主机软件设计

主机程序流程如图6所示。主机程序的任务：对从机所发出的广播信号进行扫描，获取从机信息，然后向从机发出连接请求，从机接收到主机发出的连接请求后建立连接；连接成功后，主机获取主机与从机之间的信号强度指示值(RSSI), 并与RSSI设定值进行比较，当RSSI值大于设定值时，向主机的报警电路发出信号，并通过主机的CHAR向从机的报警电路发出信号(CHAR值为1)，这时主机、从机均处于报警状态；当RSSI值不大于设定值时，不产生报警信号(CHAR值为0)。这里报警信号包括声报警信号和光报警信号。

长按按键模块可解除主机的报警信号，此时仅从机处于报警状态，可根据声、光报警信号迅速确定从机位置。

图6 主机程序流程图

3.3 从机软件设计

从机程序流程如图7所示。从机开机后先进行初始化，然后向主机发出广播信号，等待主机的连接信号；若主机未发出连接信号，从机将一直处于广播状态并等待主机发送连接信号，当收到主机的连接信号后建立连接；之后从机处于等待主机发送CHAR值的状态，从机通过所获得的CHAR值来判断是否产生报警信号。从机未设置按键模块，其报警信号的解除只能通过主机的CHAR值来完成。防丢器功能的实现需要主机和从机共同完成，因此两者建立连接是整个功能实现的基础。

图7 从机程序流程图

4 防丢器试验结果

经过软件和硬件的调试、整改和优化，目前防丢器在试验室运行良好。

5 结语

通过合理设计，将CC2540芯片及其外围电路有机地结合成为一个整体，通过对BLE蓝牙协议栈的二次开发，达到了设计本防丢器目的，充分体现了其使用便捷、功耗低、安全稳定、响应迅速的特点。

参考文献：

[1] 韩江洪，段玲琳，张建军，等.嵌入式信息家电系统中蓝牙子系统的研究与开发[J].系统仿真学报,2004,16(12):2825-2827.

[2] 林挺.蓝牙核心协议栈的研究[D].北京：北京交通大学，2006 ：28-57.

[3] 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.

[4] 金纯.超低功耗(ULP)蓝牙技术规范解析[M].北京：国防工业出版社，2010.