基于iOS及BLE的便攜氣象監(jiān)測系統(tǒng)終端設計

賈麗云++林曉煥

摘 要：作為藍牙4.0技術的核心規(guī)范，藍牙低功耗（BLE）無線技術給移動應用程序開發(fā)人員提供了訪問外部硬件通道，也使硬件工程師方便可靠地從每一個主流移動操作系統(tǒng)訪問BLE（ Bluetooth Low Energy ）設備。研究了藍牙低功耗技術協(xié)議原理及架構，介紹了藍牙無線通信的幾種模式。以iOS為平臺提出了一種由BLE氣象數(shù)據(jù)采集模塊、iPhone手機以及手機上的專用APP構成的動態(tài)氣象監(jiān)測系統(tǒng)方案。

關鍵詞關鍵詞：iOS；iPhone；BLE；氣象監(jiān)測

DOIDOI：10.11907/rjdk.161944

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2016）011010303

0 引言

越來越多的手機及可穿戴設備使用藍牙4.0技術。該技術優(yōu)點：①低功耗：在靜態(tài)狀態(tài)，一節(jié)鈕扣電池可支持數(shù)年之久；②低成本：藍牙技術逐步成為智能手機標配；③開放性：以2.4GHz頻段全球開放。藍牙4.0技術使可穿戴設備炙手可熱，小米手環(huán)、蘋果公司的iBeacon等產(chǎn)品受到大眾歡迎，加速了物聯(lián)網(wǎng)革命的發(fā)展進程[1]。

1 BLE協(xié)議架構

氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)采集模塊使用Nordic自主研發(fā)的nRF51822藍牙低功耗2.4GHz片上系統(tǒng)。nRF51822采用優(yōu)化的32位ARM Cortex-M0處理器，使BLE模式達到-92.5dBm 敏感度，最高達+4dBm的輸出功率，支持256KB片上閃存和16KB RAM，成為行業(yè)領先者。

藍牙低功耗（BLE）協(xié)議棧分為應用程序、主機和控制器3個部分，如圖1所示[2]。應用程序負責與實際用例相關的邏輯、用戶界面和數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)產(chǎn)品特定功能；主機包含GAP、GATT、SMP、ATT、L2CAP以及HCI層，可管理兩個或多個BLE設備相互間的通信；控制器主要用于收發(fā)編碼過的無線信號，并通過解碼這些信號獲取內部信息包[3]。

（1）物理層（PHY）。包含模擬通信電路，負責調制解調，將模擬信號轉換成數(shù)字信號[4]。

（2）鏈路層（LL）。負責管理設備協(xié)議棧狀態(tài)，此層定義4個角色：①廣告者（Advertiser）：發(fā)送廣告包的設備；②掃描儀（Scanner）：掃描廣告包設備；③主人（Master）：啟動連接并對連接進行管理的設備；④奴隸（Slave）：接受連接請求并與控制者時間同步[5]。

（3）主機控制接口（HCI）是一個標準協(xié)議。允許主機和控制器在串行接口進行通信[6]。

（4）邏輯鏈路控制和自適應協(xié)議（L2CAP）。是一個協(xié)議多路復用器，負責將上層的多個協(xié)議封裝成標準的BLE數(shù)據(jù)包格式，它支持分段和重組。

（5）安全管理協(xié)議（SMP）。既是一個協(xié)議也是一系列安全算法，負責為藍牙協(xié)議棧提供生成和交換安全密鑰能力，讓各節(jié)點通過加密鏈接安全交流，信任遠程設備身份[7]。

（6）屬性協(xié)議（ATT）。是一個簡單的客戶端/服務器無狀態(tài)協(xié)議，在BLE中，每個設備是一個客戶端或一個服務器，或者兩者兼有。

（7）通用訪問配置（GAP）。允許BLE設備相互操作。它提供一個框架，任何BLE實現(xiàn)必須允許設備發(fā)現(xiàn)彼此、廣播數(shù)據(jù)、建立安全連接以及執(zhí)行其它基本操作標準。

（8）通用屬性協(xié)議（GATT）。它是基于屬性協(xié)議（ATT），添加了一個層結構和數(shù)據(jù)抽象模型，定義數(shù)據(jù)如何在應用程序之間組織和交換 [8]。

2 藍牙無線通信原理

對BLE網(wǎng)絡中的角色、藍牙通信過程中廣告包類型及通信模式介紹如下。

2.1 BLE網(wǎng)絡中的角色

通用訪問配置（GAP）定義了BLE網(wǎng)絡中4個角色，每個特定設備可同時扮演一個或多個角色。

（1）廣播角色（Broadcaster）：定期發(fā)送廣告包數(shù)據(jù)，不建立連接，使用鏈路層（LL）廣告角色。

（2）觀察角色（Observer）：優(yōu)化了廣播設備收集數(shù)據(jù)的應用程序，觀察者角色偵聽從廣播端嵌入在廣告包中的數(shù)據(jù)，使用鏈路層（LL）掃描儀角色。

（3）中心角色（Central）：相當于鏈路層（LL）主人角色，能夠建立多個連接設備，是連接的發(fā)起者。中心角色通常由智能手機或平板電腦扮演。

（4）外圍角色（Peripheral）：相當于鏈路層（LL）奴隸角色，這個角色通過廣告包使中心角色找到它，隨后建立連接[9]。

2.2 廣告包分類

藍牙通訊廣告包分3種類型：①是否可連接。掃描儀在接收廣告包時是否可開啟連接，如果不能，則這個包只用來廣播；②是否可掃描。在收到廣告包時掃描儀是否可發(fā)起掃描請求；③是否定向。定向的廣告包只包含廣告者和目標掃描儀的藍牙地址，不允許負載用戶數(shù)據(jù)，所有的定向廣告包都可連接，不定向廣告包不針對任何特定掃描儀，可包含用戶數(shù)據(jù)[10] 。

3 系統(tǒng)搭建

軟件整體設計基于MVC（Model-View-Controller），即模型-視圖-控制器，簡稱MVC。模型提供應用程序所需數(shù)據(jù)資源。視圖是用戶可以看到并與之交互的界面?？刂破黜憫晥D傳遞的用戶事件，調用模型和視圖資源滿足用戶需求。MVC模式分工明確，降低了模塊之間的耦合性，是一種非常流行的設計模式[11]。

3.1 系統(tǒng)框架設計

系統(tǒng)通過藍牙4.0傳輸協(xié)議接收氣象數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，在iPhone上進行氣象數(shù)據(jù)處理分析及顯示，系統(tǒng)框架如圖2所示。

3.2 模型處理

本系統(tǒng)主要對溫度、濕度、氣壓數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測，并繪制相應的變化趨勢圖，提供氣象預測功能。通常，氣壓隨時間增加預示晴天，氣壓不斷減小則更接近陰天或下雨，模型如表1所示。采用滑動均值濾波算法，采樣間隔為30分鐘。

3.3 數(shù)據(jù)庫設計

數(shù)據(jù)庫采用蘋果自帶的Core Data框架，它提供了對象-關系映射（ORM）功能，能夠將OC對象轉化成數(shù)據(jù)，保存在SQLite數(shù)據(jù)庫文件中，也能夠將數(shù)據(jù)還原成OC對象。本方案創(chuàng)建了兩個實體對象：WeatherFob（氣象設備對象）和WeatherReading（數(shù)據(jù)對象），是一對多關系，如圖3所示。

3.4 藍牙模塊設計

BLE氣象設備信號采集與處理采用CoreBluetooth框架，與第三方藍牙4.0設備交互。為了減少數(shù)據(jù)傳輸開銷，方案采用不可連接的藍牙通信模式，將用戶數(shù)據(jù)封裝在廣告包中進行廣播，過程如圖4所示。本方案創(chuàng)建了一個ConnectionManager對象，繼承自NSObject類，遵守CBCentralManagerDelegate協(xié)議，實現(xiàn)協(xié)議中兩個方法：

4 系統(tǒng)測試

方案將原始廣告包打印在Xcode中的控制臺，如圖5所示，外圍設備名稱是WS，其中氣象設備發(fā)送的數(shù)據(jù)包含在KCBAdvDataManufactureData對應關鍵字中，KCBAdvDataIsConnectable = 0代表該氣象設備不可連接。系統(tǒng)將原始數(shù)據(jù)進行拆分解析顯示在iPhone手機上，如圖6所示。

5 結語

本方案充分利用了iOS設備強大的計算能力、靈活的

可編程性、足夠的存儲空間、網(wǎng)絡連接功能、便攜性等特點，使用藍牙4.0技術很好地解決了設備能耗問題，使本方案成本更低、速度更快、距離更遠，在花費較少的情況下，實現(xiàn)了便攜氣象監(jiān)測系統(tǒng)功能。

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（責任編輯：杜能鋼）