0 引言

    隨著無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展及智能家居概念的不斷普及，人們對生活品質(zhì)的追求也在不斷提高，各種各樣的無線智能設(shè)備開始融入大家的生活，引領(lǐng)人們進(jìn)入了智能時代。傳統(tǒng)的PC監(jiān)測設(shè)備溫度已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代生活的需求，為此，本文根據(jù)需求設(shè)計了一套利用智能移動平臺和藍(lán)牙通信實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸顯示系統(tǒng)，同時在進(jìn)行一對多通信時，在Android App端采用了一種基于能量優(yōu)先級的通信調(diào)度算法。本設(shè)計主要用于測量葡萄酒的儲藏溫度，但同樣適用于測量工程設(shè)備以及各種生產(chǎn)現(xiàn)場。

1 總體架構(gòu)

    本文設(shè)計的無線溫度采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。熱敏電阻與CC2541節(jié)點(diǎn)設(shè)備連接，由CC2541節(jié)點(diǎn)設(shè)備內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)采集，然后通過藍(lán)牙BLE協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸至Android設(shè)備，進(jìn)行圖形化溫度顯示，并通過Android設(shè)備的3G/4G網(wǎng)絡(luò)將溫度數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器進(jìn)行存儲，同時也可以通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)下載查看歷史數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

    本系統(tǒng)硬件主要有以下模塊：電源模塊、MCU控制模塊、藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸模塊、LED驅(qū)動模塊。硬件系統(tǒng)框圖如圖2所示。

2.1.1 處理器單元

    CC2541是由TI公司設(shè)計并生產(chǎn)的基于2.4 G藍(lán)牙無線低功耗單片SOC，該芯片支持藍(lán)牙4.0BLE（藍(lán)牙低功耗）^[1]協(xié)議，并通過配置可實(shí)現(xiàn)最高2 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。由于該芯片具有低功耗，外圍原件較少，電路設(shè)計簡單，且內(nèi)部集成最多8通道的12 bit ADC，以及采用QFN封裝的特點(diǎn)，非常適合便攜式無線移動節(jié)點(diǎn)應(yīng)用，因此，本設(shè)計采用CC2541芯片作為無線節(jié)點(diǎn)的設(shè)備主控。

    由于該無線節(jié)點(diǎn)設(shè)備應(yīng)用于便攜式場景，采用電池供電，需要保證功耗盡可能低，因此在設(shè)計中，需要采用休眠喚醒功能，必須應(yīng)用RTC（實(shí)時時鐘控制器）時鐘喚醒模塊，故設(shè)計中加入32.768 kHz實(shí)時時鐘震蕩電路作為RTC時鐘的振蕩源。

2.1.2 天線與巴倫濾波電路

    考慮到盡可能降低設(shè)計成本，并保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，尤其是在無線傳輸部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸可靠性，本設(shè)計采用了分立器件設(shè)計的巴倫濾波器代替成本較高的單片式集成巴倫濾波器，同時為在器件不一致性較大情況下可對濾波器進(jìn)行微小調(diào)節(jié)，在電路設(shè)計中預(yù)留器件接口，具體射頻電路如圖3所示。圖3中C15為調(diào)節(jié)元件，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計生產(chǎn)中，可在調(diào)試不理想情況下焊接電容元件進(jìn)行微調(diào)。同樣，為保證系統(tǒng)設(shè)計成本盡量低，本設(shè)計采用板載倒F蜿蜒天線作為射頻發(fā)射接口，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，并保證了在應(yīng)用中的傳輸距離。天線尺寸參數(shù)如表1所示。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

    利用Android移動終端對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并顯示，相比于傳統(tǒng)的PC監(jiān)測，Android移動終端更加方便、快捷。軟件設(shè)計部分的主要內(nèi)容是：在Android移動設(shè)備與BLE設(shè)備之間通過藍(lán)牙建立穩(wěn)定可靠的通信，同時提供一個可視化良好的人機(jī)交互界面。

    (1)為了讓應(yīng)用運(yùn)行在支持BLE的Android設(shè)備上,需要添加以下藍(lán)牙的響應(yīng)權(quán)限^[2]：

    <uses-permission  android:name="android.permission.BLUETOOTH" />

    <uses-permission android:name="android.permission.BLUETOOTH_ADMIN " />

    <uses-feature  android:name="android.hardware.bluetooth_le" android:required="true" />

    (2)集中器和BLE設(shè)備建立通信流程如圖4所示。具體細(xì)節(jié)如下：

    集中器開啟藍(lán)牙，開始對外圍正在廣播的設(shè)備進(jìn)行掃描，掃描到廣播設(shè)備后，集中器發(fā)送掃描請求，外圍設(shè)備響應(yīng)請求^[3]。在集中器與外圍設(shè)備通信過程中需要使用唯一識別碼UUID（Universally  Unique  Identifier）。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，若移動終端定義的UUID與BLE廣播中GAP(Generic Access Profile)定義的UUID相同，一旦移動終端的連接請求通過，集中器與BLE設(shè)備即可進(jìn)入連接狀態(tài)^[4]。發(fā)現(xiàn)服務(wù)后，集中器通過指定的UUID向BLE設(shè)備發(fā)送設(shè)置指令，隨后BLE設(shè)備將UUID相對應(yīng)的地址返回給集中器，返回地址中包含集中器需要的最終數(shù)據(jù)。

    (3)App軟件具體工作流程如圖5所示，藍(lán)牙4.0之前都是通過Socket套接字來進(jìn)行連接通信的,同時在實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對多點(diǎn)時，大多采用輪循的機(jī)制。假如6個外圍設(shè)備，則設(shè)12 s一個周期，每個設(shè)備通信時長2 s，這樣大大增加了通信設(shè)備雙方的功耗，而且很容易受到外界諸多因素的干擾，導(dǎo)致通信不可靠。而本文采用廣播包的形式來通知主機(jī)，將溫度、電量等信息寫入廣播包字節(jié)中，以獲取廣播包的方式來獲取溫度、電量、設(shè)備名字等信息，很容易實(shí)現(xiàn)一對多的通信。而且在不進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時，會進(jìn)入休眠狀態(tài)，只有當(dāng)需要對設(shè)備發(fā)送設(shè)置指令時，才進(jìn)行連接，大大降低了功耗，提升了設(shè)備的工作時長，這也是低功耗藍(lán)牙最大的特點(diǎn)。

    (4)考慮到一點(diǎn)對多點(diǎn)的通信情況，即一個移動設(shè)備同時與多個BLE設(shè)備通信，本文在軟件端提出了一種基于能量（電量）優(yōu)先級的通信調(diào)度算法，可以在一定程度上降低功耗。電壓與電量百分比轉(zhuǎn)換的基本原理是通過ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）計算電池電壓。以CC2540芯片用一鈕扣電池為例，電池電壓從2.0 V～3.0 V，即電量的0%～100%。電量轉(zhuǎn)換關(guān)系圖如圖6所示。

    具體算法如下：

    (1)初始狀態(tài)時，每個BLE設(shè)備都處于待機(jī)狀態(tài)，具有相同的優(yōu)先級，人們的手機(jī)自然而然作為主設(shè)備，主動發(fā)起掃描周圍存在的設(shè)備，并將掃描到的設(shè)備添加到掃描列表中^[5]；

    (2)獲取每個從設(shè)備的當(dāng)前電量百分比，按照電量高低分為M個等級；

    (3)根據(jù)步驟(2)優(yōu)先級從高到低的順序?qū)⒃O(shè)備ID添加到一個優(yōu)先級隊列中；

    (4)主設(shè)備按優(yōu)先級順序依次向列表中的設(shè)備發(fā)起連接并傳送數(shù)據(jù)；

    (5)當(dāng)隊列中的設(shè)備為空時，由主設(shè)備進(jìn)行下一輪的掃描，并將掃描到的新設(shè)備添加到設(shè)備列表中，然后跳轉(zhuǎn)到步驟(2)繼續(xù)執(zhí)行。

3 系統(tǒng)測試

3.1 通信距離測試

    測試要求：在空曠的環(huán)境下，有效通信距離為20 m以上；當(dāng)溫度計放置于冰箱里面，有效通信距離為4 m。

    測試結(jié)果：經(jīng)過測試，空曠地通信距離可達(dá)40 m；放置于家庭冰箱內(nèi)通信距離可達(dá)6 m，完全滿足了工業(yè)上的設(shè)計要求。

3.2 溫度計量測試

    測試內(nèi)容：常溫到冰箱的溫度隨時間的變化和冰箱到常溫的溫度隨時間的變化。本次測試對比采用市面上比較成熟的Digitron 溫度計，測試結(jié)果如圖7、圖8所示。

4 結(jié)束語

    針對當(dāng)前對溫度監(jiān)測精度較高的設(shè)備(主要以PC為主)，研究了基于Android系統(tǒng)的藍(lán)牙溫度計，精確有效方便地分析判斷當(dāng)前設(shè)備的溫度，解決了傳統(tǒng)PC監(jiān)測移動性不高的缺點(diǎn)，同時也解決了傳統(tǒng)設(shè)備測溫的局限性，方便了人們的生活。該系統(tǒng)設(shè)計所需硬件簡單易用、穩(wěn)定可靠、成本低廉，具有較好的擴(kuò)展性；軟件依附于的Android平臺軟件具有通用性，易于移植。產(chǎn)品目前已經(jīng)批量生產(chǎn)，有廣闊的市場應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)

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[5] 廖輝，陳慶奎，高麗萍，等.基于博弈論的藍(lán)牙4.0協(xié)同通信策略[J].廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014，39(5)：1090-1095.

作者信息:

方天恩1，漆  晶1，馬金輝2，劉德慶1，張朝陽1

（1.重慶郵電大學(xué) 移動通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400065；2.重慶郵電大學(xué) 無線傳輸技術(shù)研究所，重慶400065）