基于CC2540的蓝牙4.0物品标签识别系统

强孙源 廖家舟 何壮

摘要：以TI公司CC2540超低功耗蓝牙片上系统为核心器件，设计了一套内置BLE4.0协议物品标签自动识别与报警系统。阐述了蓝牙无线通信物品标签识别的硬件框架及软件流程，该系统可与BLE4.0协议的物品标签进行无缝连接，围绕最小功耗设计，具有功耗低、小型化、可靠性好、生产成本低的特点。

关键词：CC2540;BLE4.0;超距离报警;天线及匹配电路;物品标签识别

中图分类号：TP334         文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）28-0213-02

Abstract： With TI CC2540 ultra-low power bluetooth chip system as the core device， a set of built-in BLE4.0 protocol item label automatic identification and alarm system is designed. The hardware framework and software flow of Bluetooth wireless communication item label recognition are described. The system seamlessly interfaces with the BLE4.0 protocol item label and is designed around minimal power consumption， which has the characteristics of low power consumption， miniaturization， good reliability and low production cost.

Key words： CC2540; BLE4.0; over distance alarm; antenna and matching circuit; item tag recognition

1 背景

在日常生活中，人們容易在不经意间将随身物品遗失，利用超低功耗的蓝牙设备，对物体标签进行识别和监测具有重要的实际意义。基于BLE技术的CC2540[1]蓝牙低功耗SOC作为核心控制器件，与蓝牙4.0协议的物品标签进行无缝连接，进行射频信号的采集与处理，实现对蓝牙数据的收发与存储。该系统体积小、功耗低、易于实现。可实际制作为防丢器，保护易丢失的物件，或者近距离寻找物品。

2 CC2540的简介及蓝牙技术的应用现状

2.1 CC2540芯片介绍

美国德州仪器的CC2540是一款高性价比、低功耗的蓝牙解决方案[2]。内部包含一个工业标准的8051MCU内核、高性能2.4GHZ 射频收发器，已成为市场上灵活的单模式蓝牙低功耗解决方案。

2.2 蓝牙技术的应用现状

蓝牙技术为一种通用的短距离无线连接协议，在各个行业领域都有广泛的运用[3]。国际统一标准的蓝牙产品使公用网络实现高速无线连接，与各类网络实现互联从而方便在网络上浏览信息、共享资源。

3 系统硬件设计

3.1 硬件设计总体框架

本系统主要利用CC2540片上系统对蓝牙射频信号的接收和处理[4]，系统可分为两个部分：

第一部分：接收射频信号，内置BLE4.0的物品标签发出的蓝牙信号，通过天线及蓝牙匹配电路接收。

第二部分：由芯片内部的8051内核对蓝牙信号数据进行处理，寄存器数值表示为强度值，对强度进行周期性检测，判断所标签的物品与系统主机的距离。

除此之外，系统还可以对所连接的物品标签进行定位，通过对外部按键的操作，系统给所连接的物品标签发出信号，从而使物品标签本身蜂鸣器启动。系统的整体硬件设计结构框图如图1所示。

硬件系统可分为接收模块、微处理器模块、电源及人机接口模块。通过蓝牙印制倒F形状的PCB天线来接受原始的射频信号[5，6]。接收数据后将数据存储在寄存器中，根据数据的值来识别物品标签、判断距离。并采用TPS62730芯片为系统提供平稳的电流。

3.2 蓝牙模块主控芯片

主控芯片采用TI公司的CC2540蓝牙单芯片解决方案，实现数据的存储和处理。CC2540芯片外部接口电路如图2所示。

4 软件设计

4.1 软件设计

首先进行系统的初始化，启动操作系统，启动操作系统的里面包含了：检测是否创建任务、开机创建任务、检测任务优先级并进行实时调度。然后开始执行任务。CC2540串口对天线及匹配电路接收到数据进行读取和存储，建立距离与信号强度的关系，定时监测数据值，当数据超出一定范围触发蜂鸣器进行报警。CC2540节点设备与物品标签之间的识别及数据传输操作流程如下：

1）物品标签发起扫描请求，系统节点设备发射广告，两者均为BLE4.0协议可以相匹配，建立连接。

2）物品标签与外设建立连接关系，并等待UUID进入数据服务状态。

3）返回状态数据给标签，进行监测。

物品标签扫描发现节点设备并与之建立连接，即物品标签的识别流程图如图3所示。

物品标签识别CC2540节点设备并与之建立连接后，进行服务发现、信号强度的检测及信号强度传输。实时地检测信号强度值并保存在存储器中，与规定的上限值进行比较，超出范围则启动蜂鸣器进行报警。信号的检测报警流程如图4所示。

4.2 系统测试

系统与内置BLE4.0协议的物品标签互相识别后成功连接，CC2540集中器对接收到物品标签发出的无线数据进行实时监测，在超出预定范围后进行报警。

5 结束语

BLE4.0技术是应用范围广泛的蓝牙技术，继承传统蓝牙短距离传输的可靠性再融入高速、低功耗技术。本文设计的标签识别系统采用小型锂电池作为供电系统，在低功耗技术基础上以极低的运行和待机功耗可以使设备连续工作几个月甚至几年之久。另外，3mS的启动提高传送距离，拥有AES—128安全加密，整个系统安全可靠。可实际应用于体育、医疗、家庭日常生活等众多的领域。

参考文献：

[1] 曹青春， 刘辉. 基于CC2540的蓝牙射频模块设计[J]. 海南师范大学学报， 2013， 26（2）： 173-176.

[2] 余建华， 李有文. 基于CC2540蓝牙4.0的双向寻物报警器设计[J]. 机械工程与自动化， 2018（4）： 173-175.

[3] 徐峰， 刁节涛. 蓝牙技术标准的发展与未来[J]. 电脑知识与技术， 2010， 6（15）： 4057-4059.

[4] 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]. 新器件新技术， 2013（4）： 41-44.

[5] 韦奋. 蓝牙无线通信模块设计[D]. 西安： 西安电子科技大学， 2008： 1-10.

[6] 李茂， 张宏， 李智， 等. 一种适用于无线网络的倒F天线设计[J]. 信息与电子工程， 2006， 4（6）： 464-466.

【通联编辑：谢媛媛】