基于藍(lán)牙4.0的設(shè)備通信方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

朱 宇， 李 靜， 岳 勇

（西安科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054）

隨著藍(lán)牙技術(shù)的迅速發(fā)展，目前藍(lán)牙芯片市場(chǎng)涌現(xiàn)出了許多優(yōu)秀產(chǎn)品[1-2]。CSR公司的BlueCore系列產(chǎn)品、Broadcom的BCM系列產(chǎn)品和TI公司的CC2540系列產(chǎn)品都有廣泛的應(yīng)用。其中TI公司的CC2450和CSR公司的CSR1000芯片都非常適用于藍(lán)牙4.0應(yīng)用解決方案。

本文選用了TI公司的CC2450F128芯片作為藍(lán)牙通信芯片，該芯片提供真正的單片低功耗藍(lán)牙BLE解決方案，能夠運(yùn)行應(yīng)用程序和BLE協(xié)議棧[3-4]。CC2450F128芯片內(nèi)部集成了高性能低功耗的8051微處理器核，片內(nèi)提供來(lái)了128KB的Flash存儲(chǔ)空間，對(duì)外支持UART和USB通信接口，所以非常適用于藍(lán)牙4.0的應(yīng)用解決方案[5]。

1 總體方案設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)為基于藍(lán)牙4.0的設(shè)備提供良好的通用方案，有助于研發(fā)特定應(yīng)用的設(shè)備。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。在系統(tǒng)總體架構(gòu)圖中，主要包括兩部分：支持藍(lán)牙4.0的手持設(shè)備和藍(lán)牙設(shè)備。其中支持藍(lán)牙4.0的手持設(shè)備可以是諸如智能手機(jī)、平板電腦等；藍(lán)牙設(shè)備則是本文提供的解決方案。支持藍(lán)牙4.0的手持設(shè)備和藍(lán)牙設(shè)備之間通過(guò)藍(lán)牙4.0協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，可以為藍(lán)牙耳機(jī)、手機(jī)防丟應(yīng)用和無(wú)線(xiàn)拍照應(yīng)用等提供數(shù)據(jù)方案。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖Fig.1 Overall system architecture diagram

從系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖中不難看出，該設(shè)計(jì)方案支持一對(duì)多的通信連接，即每個(gè)支持藍(lán)牙4.0的手持設(shè)備可以同時(shí)與多個(gè)藍(lán)牙設(shè)備建立連接，對(duì)應(yīng)用功能的擴(kuò)展帶了極大便利。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該部分將對(duì)系統(tǒng)總體架構(gòu)框圖中的藍(lán)牙設(shè)備給出解決方案。此處選用了TI公司的CC2450F128芯片作為藍(lán)牙通信芯片，該芯片最大的特點(diǎn)是能夠提供真正的單片低功耗藍(lán)牙BLE解決方案，能夠運(yùn)行應(yīng)用程序和BLE協(xié)議棧，使用起來(lái)簡(jiǎn)單高效。

2.1 CC2450F128外圍電路設(shè)計(jì)

低功耗藍(lán)牙芯片CC2450F128的外圍電路原理圖如圖2所示。從圖2中可以看出CC2450F128芯片一般需要兩個(gè)時(shí)鐘晶振，其最為核心的部分是天線(xiàn)的電路設(shè)計(jì)，需要根據(jù)實(shí)際的需要調(diào)整阻抗匹配。由于CC2450F128芯片使用的是8051微處理器核，所以其可以對(duì)外提供多個(gè)IO引腳以用于其他業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)。

2.2 通信協(xié)議擴(kuò)展

該解決方案另一個(gè)重要的部分就是其通信協(xié)議的設(shè)計(jì)和擴(kuò)展[6-8]。通常需要按照藍(lán)牙4.0的通信協(xié)議來(lái)擴(kuò)展其配置，包括Service配置和Characteristic配置。

圖2 CC2450F128外圍電路原理圖Fig.2 CC2450F128 peripheral circuit diagram

舉例說(shuō)明，可以先增加UUID為00001802-0000-1000-8000-00123456789b的Service，然后為該服務(wù)增加UUID為00002a06-0000-1000-8000-00123456789b的 Characteristic。

通常需要根據(jù)應(yīng)用的業(yè)務(wù)邏輯劃分出多個(gè)功能大類(lèi)，再對(duì)功能大類(lèi)進(jìn)行細(xì)分。每一個(gè)功能大類(lèi)對(duì)應(yīng)一個(gè)Service，每一個(gè)功能細(xì)分對(duì)應(yīng)一個(gè)Characteristic?？傮w看來(lái)，每個(gè)應(yīng)用可以包括多個(gè)Service，每個(gè)Service可以包括多個(gè)Characteristic。

3 系統(tǒng)性能分析

本文提供的解決方案是為了解決基于藍(lán)牙4.0的設(shè)備的通信問(wèn)題[9-10]，所以必須關(guān)注于影響其通信的幾個(gè)關(guān)鍵因素：信號(hào)強(qiáng)度、設(shè)備發(fā)現(xiàn)時(shí)間、穩(wěn)定性和誤報(bào)率。

3.1 信號(hào)強(qiáng)度與距離的關(guān)系

信號(hào)強(qiáng)度是決定藍(lán)牙4.0通信質(zhì)量的最重要因素之一，為了明確實(shí)際的信號(hào)強(qiáng)度衰減情況[11]，進(jìn)行了深入的實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)量。信號(hào)強(qiáng)度與距離的關(guān)系的原始數(shù)據(jù)圖如圖3所示。在圖3中，藍(lán)色交叉點(diǎn)顯示的是492組數(shù)據(jù)，從圖3中可以看出信號(hào)強(qiáng)度總體走勢(shì)較為明顯，相同距離下的數(shù)據(jù)相對(duì)集中，部分?jǐn)?shù)據(jù)有波動(dòng)現(xiàn)象。

為了更好的分析圖3中的數(shù)據(jù)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。首先以距離為依據(jù)，對(duì)同一距離下的6項(xiàng)信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理，然后對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到信號(hào)強(qiáng)度與距離的關(guān)系圖。

圖3 信號(hào)強(qiáng)度與距離的關(guān)系的原始數(shù)據(jù)圖Fig.3 The raw data map of singal intensity and distance

信號(hào)強(qiáng)度與距離的關(guān)系圖如圖4所示。在圖4中，紅色交叉點(diǎn)表示對(duì)同一距離下的6項(xiàng)信號(hào)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理后的82組數(shù)據(jù)，藍(lán)色線(xiàn)條表示對(duì)該82組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后的曲線(xiàn)。從圖4中可以看出信號(hào)強(qiáng)度在1米以?xún)?nèi)迅速衰減，之后隨著距離的增加逐漸緩慢衰減，并且衰減過(guò)程中呈現(xiàn)波動(dòng)趨勢(shì)。

根據(jù)圖4中信號(hào)強(qiáng)度與距離所呈現(xiàn)的規(guī)律，可以用于藍(lán)牙測(cè)距方面的應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)上需要考慮藍(lán)牙信號(hào)強(qiáng)度本身的波動(dòng)性因素，采用多次采樣和歷史數(shù)據(jù)校正等方式來(lái)合理處理數(shù)據(jù)，以獲取可用的有效數(shù)據(jù)，提升系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性。

圖4 信號(hào)強(qiáng)度與距離的關(guān)系圖Fig.4 The diagram of singal intensity and distance

3.2 設(shè)備發(fā)現(xiàn)時(shí)間與距離的關(guān)系

設(shè)備發(fā)現(xiàn)時(shí)間是評(píng)價(jià)藍(lán)牙4.0通信質(zhì)量的另一個(gè)最重要因素。在使用藍(lán)牙設(shè)備時(shí)，通信之前的第一步工作就是掃描藍(lán)牙設(shè)備，然而掃描過(guò)程中設(shè)備發(fā)現(xiàn)時(shí)間與距離存在極大的關(guān)聯(lián)，為了明確該內(nèi)在關(guān)系，進(jìn)行了深入的實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)量。整理后的設(shè)備發(fā)現(xiàn)時(shí)間與距離的關(guān)系的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 設(shè)備發(fā)現(xiàn)時(shí)間與距離的關(guān)系Tab.1 The relationship between time and distance of device discovery

從表1中不難看出，總體趨勢(shì)是距離越近，設(shè)備發(fā)現(xiàn)時(shí)間越短；距離越遠(yuǎn)，設(shè)備發(fā)現(xiàn)時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)距離超出10 m時(shí)，設(shè)備發(fā)現(xiàn)的時(shí)間非常長(zhǎng)或者不能發(fā)現(xiàn)設(shè)備，所以在實(shí)際的應(yīng)用上需要考慮系統(tǒng)的性能參數(shù)，選擇合適的通信距離。

3.3 穩(wěn)定性與誤報(bào)率

3.3.1 設(shè)備發(fā)現(xiàn)壓力測(cè)試

為了驗(yàn)證該解決方案的穩(wěn)定性，在10 m內(nèi)采用100個(gè)藍(lán)牙設(shè)備做設(shè)備發(fā)現(xiàn)壓力測(cè)試。進(jìn)行了壓力測(cè)試之后顯示，使用100個(gè)藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行掃描發(fā)現(xiàn)，距離越近的設(shè)備發(fā)現(xiàn)的頻率越高，距離越遠(yuǎn)的設(shè)備發(fā)現(xiàn)的頻率越低。設(shè)備的整體發(fā)現(xiàn)率可達(dá)到近90%，10%的設(shè)備未被發(fā)現(xiàn)主要原因是距離近的設(shè)備信號(hào)較強(qiáng)，容易被發(fā)現(xiàn)，優(yōu)先占用資源。

3.3.2 設(shè)備連接測(cè)試

設(shè)備的連接測(cè)試與硬件設(shè)備和上層的軟件設(shè)計(jì)有極大的關(guān)系。理論上設(shè)備連接數(shù)量不受限制，但受到實(shí)際的軟硬件資源的約束以及應(yīng)用場(chǎng)景的不同，設(shè)備連接數(shù)量也有極大的不同。此處我們的原型設(shè)備同時(shí)連接3臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備時(shí)非常穩(wěn)定，同時(shí)連接5臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備時(shí)較穩(wěn)定，連接更多藍(lán)牙設(shè)備時(shí)將出現(xiàn)不能連接的狀況。

3.3.3 設(shè)備誤報(bào)率測(cè)試

實(shí)際的應(yīng)用中，將考慮藍(lán)牙設(shè)備當(dāng)前的連接狀況問(wèn)題。由于當(dāng)距離超出10 m時(shí)，設(shè)備發(fā)現(xiàn)的時(shí)間非常長(zhǎng)或者不能發(fā)現(xiàn)設(shè)備，此時(shí)應(yīng)用中的邏輯通常認(rèn)為該藍(lán)牙設(shè)備已斷開(kāi)連接，所以進(jìn)行了10 m誤報(bào)率測(cè)試。該測(cè)試中首先將藍(lán)牙設(shè)備連接，然后移動(dòng)到不足距離10 m的位置上檢查其提示連接已斷開(kāi)的狀況。經(jīng)過(guò)100測(cè)試發(fā)現(xiàn)其在10 m左右的位置上的誤報(bào)率在15%左右，其將受到軟件的邏輯的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于藍(lán)牙4.0的設(shè)備通信方案。該方案提供了低功耗的藍(lán)牙解決方案，能夠支持多設(shè)備的同時(shí)通信。實(shí)際實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明，通信距離對(duì)接受到的藍(lán)牙設(shè)備的信號(hào)強(qiáng)度、設(shè)備發(fā)現(xiàn)時(shí)間和誤報(bào)率都有較大影響。本文所提供的設(shè)計(jì)方案經(jīng)過(guò)大量的數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，可以較好的完成藍(lán)牙4.0通信功能，提供了多設(shè)備發(fā)現(xiàn)和連接的能力，以及根據(jù)信號(hào)強(qiáng)度測(cè)距的應(yīng)用方案。

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