基于藍牙的自組網(wǎng)裝置設計

邊 際,吳恩銘（中國民航大學,天津 300300）

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基于藍牙的自組網(wǎng)裝置設計

邊 際,吳恩銘
（中國民航大學,天津 300300）

摘 要：設計并實現(xiàn)了一種基于藍牙的自組網(wǎng)裝置，將若干個該藍牙自組網(wǎng)裝置布置在一定區(qū)域內(nèi)，這些藍牙自組網(wǎng)裝置能夠自動形成Ad-Hoc網(wǎng)絡。網(wǎng)絡中的藍牙自組網(wǎng)裝置可通過串口與其他設備進行通信，從而將其他設備加入無線物聯(lián)通信網(wǎng)絡中。本文闡述了該裝置的工作原理，軟硬件設計等。

關鍵詞：藍牙；物聯(lián)通信網(wǎng)絡；Ad-Hoc

1 藍牙技術

藍牙是一種使用ISM（Industrial Scientific Medical）波段的無線技術標準。藍牙無線技術系統(tǒng)分為BR（Basic Rate）和LE（Low Energy）兩大系統(tǒng)。LE系統(tǒng)相比BR系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率較低，但其具有超低的功耗以及更快的連接速度。

目前，藍牙核心協(xié)議尚未對藍牙組建Ad-Hoc網(wǎng)絡做出具體的描述。如何基于藍牙通信技術組建多節(jié)點通信網(wǎng)絡仍然是一個開放性的問題，也是當前研究的熱點之一。

2 系統(tǒng)功能及設計

2.1 系統(tǒng)功能

該藍牙的自組網(wǎng)裝置支持藍牙LE系統(tǒng)。使用若干個該藍牙自組網(wǎng)裝置能夠在一定區(qū)域內(nèi)快速組建無中心、自組織、多跳路由、動態(tài)拓撲的Ad-Hoc網(wǎng)絡。同時，該裝置支持串口通信功能，可以通過串口與其他設備進行有線通信，使這些設備加入物聯(lián)通信網(wǎng)絡中。該裝置可用于組建智能家居無線通信網(wǎng)絡、工業(yè)無線通信網(wǎng)絡。

2.2 工作原理

該藍牙自組網(wǎng)裝置在初次通過串口與其他設備連接時，其他設備需通過串口向藍牙自組網(wǎng)裝置發(fā)送設備識別碼。本藍牙自組網(wǎng)裝置在工作過程中不斷發(fā)出廣播，以被周圍其他藍牙自組網(wǎng)裝置發(fā)現(xiàn)。廣播內(nèi)容中包含藍牙自組網(wǎng)裝置同意的特定識別碼，以便其他藍牙自組網(wǎng)裝置過濾其他類型的藍牙設備。

當與該藍牙自組網(wǎng)裝置通過串口連接的其他設備需要發(fā)送信息時，需要發(fā)送信息的設備直接將待發(fā)送信息（信息中包含信息接收方設備識別碼）通過串口發(fā)送到與之連接的藍牙自組網(wǎng)裝置。藍牙自組網(wǎng)裝置接收到來自串口的信息之后，對信息進行封包（包含信息唯一編號、發(fā)送方設備識別碼、接收方設備識別碼）處理，再發(fā)送給其通信范圍內(nèi)的其他藍牙自組網(wǎng)裝置。

藍牙自組網(wǎng)裝置接收到封包處理后的信息之后，提取出數(shù)據(jù)包中的識別碼，若接收方識別碼與和該藍牙自組網(wǎng)裝置通過串口連接的設備的識別碼相同，藍牙自組網(wǎng)裝置則通過串口將數(shù)據(jù)包發(fā)送給該設備。若識別碼不相同，該藍牙自組網(wǎng)裝置則作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)橋節(jié)點，將消息轉(zhuǎn)發(fā)給其通信范圍內(nèi)的其他藍牙自組網(wǎng)裝置。

為了避免信息在多個藍牙自組網(wǎng)裝置之間重復發(fā)送，每個藍牙自組網(wǎng)裝置會在數(shù)據(jù)庫中記錄接收到的所有信息以及每條信息對應的接收設備列表。藍牙自組網(wǎng)裝置使用接收設備列表來過濾已經(jīng)接收過某條信息的藍牙自組網(wǎng)裝置。

2.3 硬件設計

該藍牙自組網(wǎng)裝置的基本硬件組成如圖1所示。考慮到本裝置可能運用在不方便直接接入電源的工作環(huán)境中，在本裝置中加入可充電鋰電池。LED指示燈用于顯示該裝置的工作狀態(tài)和充電電路的工作狀態(tài)。

為了保持較低的系統(tǒng)功耗和設備成本，本裝置采用單芯片方案設計，裝置中除了藍牙芯片外不包含其他的處理器，軟件程序直接運行在藍牙芯片中。藍牙芯片可以采用Nordic公司生產(chǎn)的nRF51822芯片，該芯片供電電壓為1.8V到3.6V，由降壓電路將電源電壓降到nRF51822芯片可接受的范圍內(nèi)。本設計完成的藍牙自組網(wǎng)裝置硬件實物圖如圖2所示。

2.4 軟件設計

該藍牙自組網(wǎng)裝置軟件系統(tǒng)基于藍牙LE系統(tǒng)，使用Nordic公司的S130低功耗藍牙協(xié)議棧，通過編寫應用層軟件調(diào)用相應的API來操縱藍牙底層。藍牙LE系統(tǒng)以服務（Service）的形式來組織數(shù)據(jù)，而不是以數(shù)據(jù)流的形式。一個服務可以包含若干個特性（Characteristic），每個特性又包含若干個屬性（Attribute），數(shù)據(jù)存儲在屬性中。在該軟件中建立了一個服務用于數(shù)據(jù)傳輸，該服務包含三個特性，這三個特性分別用于傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)包、指令數(shù)據(jù)包、消息數(shù)據(jù)包。可以將這三個特性視為三個不同的數(shù)據(jù)通道，分通道傳輸不同類型數(shù)據(jù)包，從而簡化數(shù)據(jù)處理流程。根據(jù)工作原理中對系統(tǒng)工作過程的闡述，編寫應用層軟件，完成數(shù)據(jù)處理及藍牙狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)束語

經(jīng)過測試，由該裝置組建的無線通信網(wǎng)絡具有功耗低、成本低、抗毀性強等優(yōu)點，另外組網(wǎng)過程簡單，無需用戶手動配置。但是，由于目前藍牙LE系統(tǒng)技術的限制，該裝置組建的無線通信網(wǎng)絡存在數(shù)據(jù)吞吐量較低、實時性不高的缺點，適合用于組建控制型物聯(lián)通信網(wǎng)絡。

參考文獻：

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大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目”資助，項目編號：201510059032。

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.180