基于藍(lán)牙的環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

李 佳，周 峰

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活質(zhì)量越來(lái)越高，人們對(duì)自己生活環(huán)境的了解需求也日益迫切。但是人們了解環(huán)境數(shù)據(jù)的方式比較簡(jiǎn)單，僅依靠傳統(tǒng)的天氣預(yù)報(bào)方式了解未來(lái)一兩天環(huán)境預(yù)測(cè)的狀況。因?yàn)榄h(huán)境狀況具有變化快、不穩(wěn)定的特點(diǎn)，隨著時(shí)間和空間的改變，環(huán)境狀況會(huì)有顯著的差異。而傳統(tǒng)的基于天氣預(yù)報(bào)得到的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性顯然不夠精確。如果具體到個(gè)人居住的小范圍環(huán)境數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性更是大幅度降低。智能手機(jī)改變?nèi)祟?lèi)的生活［1］，對(duì)于環(huán)境信息的獲取，人們也越來(lái)越依靠智能手持終端設(shè)備。但是，基于智能手持終端內(nèi)置傳感器的環(huán)境采集系統(tǒng)所測(cè)的溫度、濕度、PM2.5等數(shù)據(jù)受到智能設(shè)備小型化以及本身運(yùn)作發(fā)熱的影響，導(dǎo)致周?chē)h(huán)境數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確地被測(cè)量。然而基于藍(lán)牙4.0無(wú)線傳輸?shù)沫h(huán)境采集系統(tǒng)，不僅可以通過(guò)外置的傳感器準(zhǔn)確地檢測(cè)周?chē)h(huán)境的信息，還可以通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄茉O(shè)備上顯示。

王宏志等［2］設(shè)計(jì)了基于藍(lán)牙4.0的溫濕度的監(jiān)測(cè)，用于采集外界溫濕度。方天恩等［3］研究基于Android的智能藍(lán)牙溫度計(jì)，結(jié)合Android智能手機(jī)和藍(lán)牙設(shè)備。本文基于藍(lán)牙4.0無(wú)線傳輸?shù)沫h(huán)境數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)合藍(lán)牙4.0和智能傳感技術(shù)，可對(duì)溫度、濕度和霧霾等環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過(guò)藍(lán)牙4.0無(wú)線技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨沧渴謾C(jī)接收端顯，滿足了人們的客觀需求，具有實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 模塊化總體設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)具有高效、靈活、可操作等特點(diǎn)，可以使整個(gè)系統(tǒng)層次清晰。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示，將其分成傳感器采集模塊、主控芯片模塊、安卓設(shè)備端塊，各個(gè)模塊既相互獨(dú)立又通過(guò)相關(guān)接口協(xié)議連接在一起，組成一個(gè)可靠的、穩(wěn)定的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

圖1 模塊化總體設(shè)計(jì)

首先外部環(huán)境因子被傳感器讀取并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，分別通過(guò)外圍接口傳輸?shù)剿{(lán)牙CC2540主控芯片處理，藍(lán)牙主控芯片將處理完成的數(shù)據(jù)加載到2.4 GHz的藍(lán)牙無(wú)線信道發(fā)送到安卓設(shè)備。安卓設(shè)備通過(guò)編寫(xiě)的應(yīng)用程序讀取并顯示。

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

本文的硬件設(shè)計(jì)采用由德州儀器公司的CC2540射頻單片機(jī)作為核心主控芯片，該芯片是一款兼容8051內(nèi)核指令集和藍(lán)牙4.0低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）協(xié)議的芯片。硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要設(shè)計(jì)有主控芯片外圍電路、電源電路、接口電路，并制作成印刷電路板。CC2540核心主控芯片分別通過(guò)SPI和URAT接口讀取DHT11溫濕度傳感器和DSL-03激光式PM2.5傳感器的數(shù)據(jù)，同時(shí)將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)天線發(fā)送并顯示到LCD液晶屏。

如圖3所示，將硬件電路分為CC2540主控芯片模塊和傳感器模塊兩部分，分別制作為兩張PCB電路板。CC2540主控芯片的PCB板通過(guò)插針與搭載傳感器和電源的PCB板電路連接。

圖3 硬件電路

2 藍(lán)牙原理及軟件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙通信采用協(xié)議的方式進(jìn)行規(guī)范，協(xié)議棧是用代碼實(shí)現(xiàn)的函數(shù)庫(kù)，包含通信協(xié)議的具體內(nèi)容，主要有通信所需要的連接流程、通信頻率、通信信道等。藍(lán)牙4.0 BLE協(xié)議棧將具體的操作以函數(shù)庫(kù)形式封裝，并向開(kāi)發(fā)者提供基于協(xié)議棧應(yīng)用的函數(shù)接口，包括硬件調(diào)用、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)屬性配置等。協(xié)議棧的構(gòu)成如圖4所示［4-5］。

BLE協(xié)議棧使用一種小型的操作管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)被稱(chēng)為操作系統(tǒng)抽象層（Operating System Abstraction Layer，OSAL），其目的是管理協(xié)議棧的函數(shù)庫(kù)，合理地分配CPU寶貴的硬件資源。雖然名為操作系統(tǒng)，但是嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，OSAL不能稱(chēng)為真正意義上的操作系統(tǒng)。從字面上來(lái)說(shuō)OSAL只是抽象的操作系統(tǒng)，所以它只能模擬一些操作系統(tǒng)的簡(jiǎn)單功能，比如系統(tǒng)資源分配、任務(wù)消息交換、中斷服務(wù)等，OSAL的機(jī)理描述如圖5所示。

軟件的設(shè)計(jì)是在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，給相應(yīng)硬件合理的程序，使之高效地工作，完成整個(gè)設(shè)計(jì)的目標(biāo)功能。本文軟件設(shè)計(jì)主要有環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器采集模塊驅(qū)動(dòng)程序、CC2540主控芯片上的協(xié)議棧通信軟設(shè)計(jì)和安卓智能設(shè)備上的APP。其中傳感器程序和CC2540主控芯片的程序是在IAR開(kāi)發(fā)環(huán)境下采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，而安卓智能設(shè)備則在Eclipse環(huán)境下用Jave語(yǔ)言編寫(xiě)。

圖4 BLE協(xié)議棧的構(gòu)成

圖5 OSAL的機(jī)理

根據(jù)藍(lán)牙協(xié)議棧提供的應(yīng)用接口，在TI公司提供的從機(jī)工程之上將傳感器驅(qū)動(dòng)程序放入BLE協(xié)議棧的OSAL任務(wù)中，并通過(guò)通用配置文件（Generic Attribute Profile，GATT）特征值的方式發(fā)送到安卓智能設(shè)備，流程如圖6所示。

圖6 程序流程

安卓系統(tǒng)從4.3版本以上全面支持BLE協(xié)議棧技術(shù)［6-7］。本文基于該版本通過(guò)BLE技術(shù)實(shí)現(xiàn)搜索CC2540主控芯片并與之建立連接，再通過(guò)GATT層實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸。安卓手機(jī)與CC2540主控芯片之間通信有4個(gè)步驟：開(kāi)啟藍(lán)牙設(shè)備、掃描藍(lán)牙設(shè)備、發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備、連接藍(lán)牙設(shè)備并進(jìn)行通信。流程如圖7所示。

安卓APP設(shè)計(jì)中主要調(diào)用Devicescan Activity用來(lái)管理藍(lán)牙設(shè)備的服務(wù)，包括搜索、匹配和連接。如圖8（a）所示，通過(guò)藍(lán)牙4.0連接到CC2540核心板，在UI界面讀取CC2540的地址，用戶(hù)名以及RSSI信號(hào)等信息。然后點(diǎn)擊列表的用戶(hù)名為“l(fā)ijiable”的藍(lán)牙設(shè)備，獲取來(lái)至CC2540的服務(wù)，包括溫濕度數(shù)據(jù)，以及PM2.5細(xì)微顆粒濃度數(shù)據(jù)的讀取服務(wù)，如圖8（b）所示。

3 功能測(cè)試

3.1 溫濕度采集實(shí)驗(yàn)

測(cè)試條件：空曠無(wú)人的實(shí)驗(yàn)室，每?jī)尚r(shí)測(cè)量環(huán)境數(shù)據(jù)并記錄，同時(shí)與溫濕度計(jì)進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

對(duì)比溫度計(jì)與本設(shè)計(jì)的溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)誤差小，但是總高于溫度計(jì)所測(cè)量的值。誤差原因分析如下。

圖7 藍(lán)牙連接流程

圖8 安卓數(shù)據(jù)端

（1）溫濕度傳感器自身發(fā)熱讀取數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響；

（2）受周?chē)骷l(fā)熱的影響；

（3）局部小區(qū)域環(huán)境之間的差異。

3.2 PM2.5傳感器采集數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)環(huán)境與條件：空曠而且通風(fēng)的室內(nèi)，將采集系統(tǒng)放在窗邊，點(diǎn)燃煙放置在PM2.5傳感器的進(jìn)風(fēng)口一次，觀察PM2.5數(shù)據(jù)的讀數(shù)，每隔1秒記錄，如圖10所示。

通過(guò)上述數(shù)據(jù)顯示，PM2.5傳感器可以檢測(cè)到小環(huán)境的細(xì)微顆粒濃度并顯示。在沒(méi)有點(diǎn)煙之前傳感器測(cè)到的是環(huán)境的初始PM2.5數(shù)據(jù)，在點(diǎn)煙時(shí)，數(shù)據(jù)值開(kāi)始上升，達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，隨著空氣流動(dòng)，小環(huán)境的細(xì)微顆粒濃度開(kāi)始下降，最后和初始環(huán)境數(shù)據(jù)基本一致。

圖9 溫濕度實(shí)驗(yàn)

圖10 PM2.5實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)基于藍(lán)牙4.0實(shí)現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，可對(duì)溫度、濕度和霧霾等環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并可通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨惭b數(shù)據(jù)中心的安卓手機(jī)接收端。實(shí)測(cè)表明，多傳感器的環(huán)境數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地被采集，并正確地顯示到LED液晶屏上；通過(guò)藍(lán)牙輸出到數(shù)據(jù)中心，在安卓智能設(shè)備上也可以同步顯示環(huán)境數(shù)據(jù)。此外，該環(huán)境系統(tǒng)具有體積小、測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和使用方便等特點(diǎn)，具有一定實(shí)用性。