一種基于藍牙的數據傳輸方法及其應用

周鋒 吳頻頻 王素梅

摘 要：本文論述了一種基于藍牙的數據傳輸方法，并且在微處理器控制系統下予以實現。該傳輸方案有3個特點：針對數據特點，數據流量小，串口通信；借用廣泛使用的安卓智能移動客戶端（智能手機）顯示，較少設備硬件；傳輸方式傳輸穩定，通用性強。本文介紹的藍牙傳輸方法，硬件上使用了藍牙4.0技術，藍牙模塊設計RS232通信接口，可以廣泛應用電子設備無線通信；軟件上獨自開發APP應用軟件，支持RS232通訊中常用的ASCII碼和16進制2種通信協議。本算法在某移動式綜合氣象站（ASCII碼協議）和某微型氣象站（16進制協議）中得到了成功使用，從數臺設備連續運行一年的情形來看，數據的輸出效果良好，交互快捷有效，傳輸穩定，APP軟件運行穩定。

關鍵詞：數據傳輸；藍牙4.0；APP軟件；智能移動終端

中圖分類號：TP368.12 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）14-0027-03

A Method and Application of Data Transmission Based on Bluetooth

ZHOU Feng1 WU Pinpin2 WANG Sumei3

（1.CAMA （Luoyang） Environment Monitoring Co.， Ltd.，Luoyang Henan 471009；2. Luoyang Vocational & Technical College， Luoyang Henan 471008；3. Shandong Polytechnic College， Jining Shandong 272063）

Abstract： This paper discussed a data transmission method based on Bluetooth and was implemented under the microprocessor control system. The transmission scheme had three characteristics： the data traffic was small， the serial port communication was small， and the widely used Android smart mobile client （smart phone） displays， less device hardware； transmission mode was stable and versatile. The Bluetooth transmission method introduced in this paper used Bluetooth 4.0 technology and Bluetooth module to design RS232 communication interface. It could be widely used for wireless communication of electronic devices. APP software was developed on the software alone. It supported the common ASCII code and two kinds of communication protocols in the RS232 communication. This algorithm had been successfully used in a mobile integrated weather station （ASCII code Protocol） and a micro meteorological station （16）. From the case of a year of continuous operation of several devices， the output of the data was good， the interaction was fast and effective， the transmission was stable， and the APP software was stable.

Keywords： data transmission；Bluetooth 4.0；APP software；intelligent mobile terminal

1 研究背景

數據傳輸在微處理器系統中有重要意義。早期的微處理器系統，由于技術原因，數據傳輸采用有線串口通信（RS232，485等）傳輸，需要配置電腦等顯示設備，通常的接收設備都是具備串口的各種形式的電腦[1]。該傳輸方式需要滿足以下幾個要求：其一，接受設備需要在微處理器系統的最大傳輸距離內；其二：接收設備需要和微處理器系統同時開機[2]。隨著傳輸技術的發展，短距離無線傳輸技術（如ZigBee等）應運而生，但這些無線數據傳輸模式仍然為點到點的傳輸模式，需要專用的數據顯示和接收設備（計算機），只斷開微處理器系統和顯示設備之間物理連接信號線。

為了實現真正意義上的無線傳輸，本文在微處理器系統的通信接口連接藍牙芯片，通過加密處理，實現微處理器系統的藍牙芯片與智能移動終端直連，通過定制APP軟件，按照定制通信協議，實現微處理器系統數據與APP軟件的雙向交互。微處理器系統上傳的數據可在智能移動終端上顯示和存儲。智能移動終端的廣泛普及和使用，為實現真正意義上的無線傳輸提供了必備條件。野外保障系統由于受使用環境、設備供電和運輸等的限制，采用藍牙傳輸、智能移動終端接收數據的交互方式顯得十分必要。

2 數據備份和單片機系統的整體介紹

近年來，無線傳輸在微處理器系統中被廣泛使用，而數據傳輸方式也較多，包括點對點傳輸、GPRS長距離無線傳輸、藍牙和Wi-Fi傳輸等。本文主要介紹藍牙傳輸。微處理器系統通過TTL電平或者RS232與藍牙模式連接，具體連接方式[1]如圖1所示。微處理器把采集到的最新數據按照算法規定的格式和順序存到指定的緩存里面，新數據覆蓋上個周期的數據，根據時序信號，把緩存中的數據通過RS232輸出，而寫入位置和寫入的字節數遵循通信機制。在數據傳輸前，藍牙模塊需要與智能移動終端APP建立連接，首次通信需要通過密碼驗證，防止設備傳輸的數據被竊。在APP軟件中需要選擇對應的數據傳輸協議，如果使用ASCII碼傳輸，則采用ASCII碼協議，否則選擇16進制協議[3]。

3 藍牙4.0模塊

藍牙4.0是藍牙3.0+HS規范的補充，專門面向對成本和功耗都有較高要求的無線方案。其主要具有以下幾方面特點：超低的峰值、平均和待機模式功耗；不同廠商設備交互性；無線覆蓋范圍增強；完全向下兼容；低延遲。藍牙4.0支持雙模式和單模式兩種傳輸方式。雙模式中，低功耗藍牙功能集成在現有的經典藍牙控制器中，或在現有經典藍牙技術芯片上增加低功耗堆棧，整體架構基本不變，因此成本增加有限。單模式面向高度集成、緊湊的設備，使用一個輕量級連接層提供超低功耗的待機模式操作、簡單設備恢復和可靠的點對多點的數據傳輸，能讓聯網傳感器在藍牙傳輸中安排好低功耗藍牙流量的次序。此外，其還具有高級節能和安全加密連接。基于上述優勢，藍牙4.0可廣泛用于衛生保健、體育健身、家庭娛樂和安全保障等諸多領域。

本文采用的藍牙模塊詳細電路結構具有以下幾方面特點。①該藍牙模塊使用主從模塊，引出VCC、GND、TXD、RXD和KEY接口引腳、藍牙連接狀態引出腳（STATE），未連接輸出低，連接后輸出高。②LED指示藍牙連接狀態，快閃表示沒有藍牙連接，慢閃表示進入AT模式，雙閃表示藍牙已連接并打開了端口。③底板設置防反接二極管，帶3.3V的LDO，輸入電壓3.6～6V，未配對時電流約30mA，配對后約10mA，輸入電壓禁止超過7V。④接口電平3.3V，可以直接連接各種單片機（51，AVR，PIC，ARM和MSP430等），5V單片機也可直接連接。⑤空曠地的有效距離為20m（功率等級為CLASS 2），超過20m數據通信質量變差，數據傳輸易丟包。⑥配對以后當全雙工串口使用，無需了解任何藍牙協議，支持8位數據位、1位停止位，可設置奇偶校驗的通信格式，不支持其他格式。⑦可以通過拉按鍵進入AT命令模式設置參數和查詢信息。⑧體積小巧，工廠貼片生產，保證貼片質量，并套透明熱縮管，有一定的防靜電能力。⑨可通過AT命令切換為主機或者從機模式，也可通過AT命令連接指定設備。⑩支持4 800～57 600bps的標準波特率。

4 移動客戶端及APP軟件

藍牙數據接收設備采用安卓系統的智能移動終端，在智能移動終端開發藍牙數據接收APP軟件。APP軟件工作流程圖見圖2。[開啟APP][開啟藍牙接收][查找準備連接藍牙模塊][是否有過連接？][是][否][輸入密碼][建立配對][選擇交互協議][采用16進制協議][采用ASCII協議][選擇裝備建立連接][設備型號][按照設置周期發送][招測命令][接收，解析、存儲][顯示數據][開始下個周期交互]

圖2 APP軟件數據解析結構及工作流程圖

APP軟件完成藍牙模式的查找，與藍牙模塊建立加密連接（第一次連接需要輸入連接密碼），然后選擇準備建立連接的設備型號。APP軟件設置完成后，在微處理器正常工作時，即可與微處理器系統進行正常交互，實現對微處理器通過藍牙上傳的數據進行招測或者自動接收數據，并對數據進行解析、存儲、顯示。

APP工作過程如下。第一步：開啟APP軟件，點擊允許藍牙傳輸，搜索設備后會有“CAMA1”（定義藍牙名字，可以變更）設備出現，第一次連接需要輸入密碼“1234”（藍牙配對密碼，可以重置）。如果找不設備，需要開啟電源箱，查看電源是否有電。依據藍牙模塊指示燈閃爍狀態判斷是否正常工作。配對成功后指示燈長亮。第二步，選擇需要連接的設備（WS600-6要素站），選擇設備后要選中“顯示接收數據記錄”和“本地存儲接收數據”，否則數據不能在接收終端上存儲。第三步，上述設置完成后，APP提示與設備連接正常，等待數據上傳，數據默認10s（可以設定間隔）刷新一次。詳情界面見圖3。

5 藍牙傳輸方法的實現

本文論述藍牙傳輸方式在凱邁（洛陽）環測有限公司新開發某便攜式自動氣象站中的應用。該便攜式自動氣象站為科研、軍事和應急等氣象信息野外保障，需要實時顯示和記錄保障地區的氣象信息。藍牙傳輸方式在凱邁（洛陽）環測有限公司新開發某便攜式自動氣象站中應用的整機結構框圖如圖4所示，ZQX-3為傳感器，內置藍牙4.0模塊，蓄電池為傳感器和藍牙模塊供電；數據接收APP客戶端為一款安卓的三星平板電腦，續航時間超過30h。APP接收的數據以TXT格式文件存儲在智能移動客戶端內，按天存儲，一天存儲2個TXT文件，分別存儲ASCII碼文件和16進制文件，數據存儲如圖5所示。

6 結語

本文介紹的藍牙傳輸方法，由于功耗低，大大降低了便攜式氣象站數據傳輸模塊的功耗；在設備蓄電池容量確定時，延長整機續航時間；使用無線傳輸模式，解決便攜式氣象設備和顯示設備的（筆記本電腦）連接線，減少設備使用局限性。智能可移動終端取代顯示器（筆記本電腦），解決了筆記本電腦工作需要交流供電和續航時間短的問題，從而擴大了野外設備使用范圍，延長了工作時間。從一年來的運行效果來看，該無線藍牙數據傳輸模塊運行正常，傳輸穩定，抗干擾能力強，APP軟件無死機現象發生。

參考文獻：

[1]張剛毅：單片機原理及應用[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2]譚浩強.C語言設計[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3]李黃，自動氣象站實用手冊[M].北京：氣象出版社，2007.