基于蓝牙4_0技术智能防丢器的设计与实现_李娜.docx

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1、 基于蓝牙 4. 0 技术智能防丢器的设计与实现 李 娜 季 赛 花 陈 刘 洋 张 绛 丽 石 亮 (江苏科技大学计算机科学与工程学院镇江 212003) 摘要为解决当今社会诸如老人、幼童等柔弱人口的丢失问题，达到保护和警示外出柔弱人群的人身安全的目的，文 章提出了一种基于蓝牙 4.0 技术的智能防丢器系统方案。该防丢器为穿戴式设备，其传感器发出无线电波供手机接收，一 旦手机与穿戴式设备的距离越过阈值时，手机就会因接收不到传感器发出的无线电波而自动启动报警装置，提醒看护者。 系统采用德州仪器 CC2540 系列低功耗蓝牙芯片，利用 IAR 集成开发环境，并具有低功耗、低复杂度、低成本等优点。

2、 关 键 词 蓝 牙 4.0 技术；防丢器 ； IAR 中图分类号 TN8 DOI： 10. 3969/j. issn. 1672-9722. 2016. 09. 050 Design and Implementation of the Intelligent ANTI-THEFT Device Based on Bluetooth Technology4. 0 LI Na JI Saihua CHEN Liuyang ZHANG Jiangli SHI Liang (School of Computer Science and Engineering,Jiangsu University o

3、f Science and Technology, Zhenjiang 212003) Abstract In order to solve the problem of the loss of the weak people such as the elderly and children,and to protect and warn the weak people?s personal safety when they go outran anti-theft system based on the bluetooth technology 4. 0 is put forward in

4、the paper. The anti-theft device is a wearable device, whose sensor sends wireless radio wave for the phone to receive. Once the distance between the phone and the wearable device exceeds the threshold, the phone will automatically start the alarm device to set alarm for the caregiver because it can

5、 not receive the radio wave. The system uses the TI CC2540 Series low power bluetooth chip and IAR integ rated development environment, and it has the advantages of low power consumption, low complexity,lowcost,etc. Key Words bluetooth technology 4. 0, anti-theft device, IAR Class Number TN8 l 引言 随着

6、社会的发展，柔弱人口的走失现象越来越 普遍，且该现象具有随机性、突发性的特点，所以看 护者很难及时发现柔弱人口的走失。目前柔弱人 口走失问题也越来越受到社会公众的关注，因此研 宄开发带有紧急声光报警功能的智能防丢器系统 有极大的社会价值和广阔的市场前景。本系统在 通信方面采用具有低功耗、可靠、无限制、通信安全 等优点的蓝牙 4. 0 技术，通过使用 CC2540 芯片所 具有的蓝牙 4. 0BLE 协议进行了设备互联以及无 线数据的收发，实现了一种新颖的防丢器的设计。 本文将详细介绍基于蓝牙 4. 0 技术的智能防丢器 系统的总体设计、硬件模块和软件模块等内容。 2 系 统 总 体 设 计 2

7、. 1 功能模块组成 通过手机与柔弱人群身上的穿戴式蓝牙设备 连接，实现下述功能： 当柔弱人群与看护者的距离超过预设的阈值， 即 10m 时，手机就会自动启动报警装置，及时有效 地提醒看护者注意柔弱人群的动向。 2. 2 系统设计思路 曰常生活中，最常见的无线移动通信技术主要 收稿口期 ： 2016 年 3 月 2 口 .修冋口期 ： 2016 年 1 月 23 口 作者简介：李娜 .女 .研究方向：通信工稈。张绛丽 .女 .硕士 .副教授 .研究方向：无线通信及嵌入式成用。 是红外、 ZigBee、 蓝牙、 评丨卞丨等 。其中红外传输是 一种点对点的无线传输方式，成本低廉，跨平台，安 全性高

8、，但红外作为一种视距传输 13 *相互通信的 设备之间必须对准且不能离得太远或被其他物体 阻隔，信息传输的进度不易控制，扩展性差。 ZigBee 技术的特点是低功耗、低速率、近距离、 低成本、低复杂度、自组织，主要应用在传输速率不 高、距离短和功耗低的场合。 蓝牙技术是一种集无线数据和语音通信于一 体的开放性全球规范，它提供了一种在低成本的短 距离无线连接的基础上的固定或移动终端设备的 接入服务 ，其工作频段为全世界公开通用的 2. 4GHzISM(Industry Science Medicine)频段，抗 干扰能力强，能提供 l m 的传输距离和 1Mbps 的 传输带宽 3，且扩展性好。

9、 Wi-Fi 技术是一种可以将终端无线互联的技 术，数据速率可达 llMb/s， 覆盖范围约 100m， 功耗 较低，但数据安全性差，主要应用在家庭及公共场 所。 总之，各种无线移动通信技术各有优缺点。红 外技术适用于相对静止和稳定的短距离通信场所， ZigBee 技术主要适用于工业控制等场所， Wi-H 技 术适用于对安全性要求不高的场所，而蓝牙技术适 用于短距离通信的嵌入式产 品，例如各种穿戴式通 信设备以及移动电话 P。 蓝牙 4. 0 相比于以前的蓝牙标准来讲，最大的 特点在于低功耗，同时加强不同 OEM 厂商之间的 设备兼容性，并且降低延迟，理论最高传输速度依 然为 24Mbps(即

10、 3MB/s)， 该标准芯片被大量的手 机、平板所采用。 基于以上分析，我们将通过蓝牙 4. 0 技术实现 新型智能防丢器的研宄和开发。 在本系统中，首先，穿戴式设备与手机进行 配对，待连接成功后通过转换距离算法将 RSSI 值（ Received Signal Strength Indication)接收的信 号强度指示变换为两者之间的距离发送给手机。 一旦距离越过预设的阈值时，手机就会立刻自动 启动声光报警装置，从而实现智能防丢器的功 能。 3 硬件模块 3. 1 硬件整体布局 蓝牙 4. 0 技术的智能防丢器由两部分组 成 智能手机和穿戴式设备。穿戴式设备主要 由蓝牙芯片模块、按键模块、

11、指示灯模块、供电模 块、仿真器模块、蜂鸣器模块等组成。其硬件布局 如图 1 所示。 图 1 硬件整体布局 3. 2 带 LCD 的 NEW Smart RF 开发板 CC2 5 4 0 低 功 耗 蓝 牙 模 块 是 基 于 TI 公司 CC2540 芯片研发的低功耗蓝牙射频模块，是一款 高性能物联网无线收发器，可直接应用于类似防丢 器这种短距离物联网无线通信领域。具有功耗低、 体积小、传输距离远、抗干扰能力强等特点。 开发板采用核心板和底板分离的设计，核心板 带有板载 PCB 天线和外接 SMA 天线两种尺寸。 根据智能防丢器功能实现的需要，我们选用的是 PCB板载天线，一方面，端口完全对外

12、开放；另一方 面，模块采用邮票型接口形式 5。因此，使用时不 仅省去设计射频硬件的问题，而且在产品结构和软 件上具有更灵活的扩展性。 该模块特别适合运用于基于蓝牙 4. 0 技术的 智能防丢器的设计与实现。它不仅能增强数据传 输的可靠性和抗干扰性，减少信号传递过程中障碍 物的影响；还能实现解决穿戴式设备与手机的互操 作问题，电池寿命也可显著延长。其硬件布局及接 口说明如图 2 所示。 图 2 NEW Smart RF 开发板 3. 3 04EB 仿真器 在此次开发阶段中，使用 04EB 仿真器进行软 硬件调试。通过仿真器与集成开发环境相结合，不 仅可以对系统程序进行单步调试、断点调试、全速 调

13、试，还可以观察各类寄存器的实时数据、各种变 量的变化、程序的执行情况等。利用 04EB 仿真器 可以实现对软硬件电路的实时调试，快速找到程序 中的逻辑错误，从而大大缩短了系统开发周期。总 之，04EB 仿真器在系统开发中发挥着不可或缺的 作用 6。 连接开发板之后按下仿真器复位键， 04EB 仿 真器的指示灯会由灭变亮，待识别到开发板后再在 开始程序下载，否则会损坏仿真器。其硬件布局及 接口说明如图 3 所示。 图 3 04EB 仿真器 3 . 4 无源蜂鸣器 与有源蜂鸣器不同，在无源蜂鸣器不带震荡 源，所以不能采用直流驱动信号 7。此次，采用的 是 2K 5K 的方波去驱动它。其电路图如图

14、4 所 0 图 4 无源蜂鸣器电路图 4 BLE 协议栈 4. 1 概述 图 5 BLE 协议栈 蓝牙 4. 0 技术的智能防丢器通过使用 CC2540 芯片所具有的蓝牙 4.0 协议实现蓝牙设备的互联 以及无线数据的收发。 TI 公司制定的蓝牙 4.0 协 议栈主要包含两部分：控制器部分和主机部分 8。 协议栈的实现主要是采用分层思想，具体如图 5 所 示 &。 程序实现过程如下： 调用 Hal JOARDJNIT ( )、 ImtBoard ( OB_ COLD)、 HalDnverlmt()函数对硬件模块进行初始 化；再调用 osal snv int()、 osal init svste

15、m()雨数 对系统进行初始化，然后调用 HALENABLE_IN- TERRUPTSO 函 数 开 启 中 断 ， 最 后 调 用 osal_tart _ystem()函数开启系统。当开启整个系统后，系 统会依照规定处理一个个的任务事件。 协议栈运行流程如图 6 所示。 图 6 协议栈运行流程图 4. 2 OSAL 工作原理 蓝牙为了实现同多个设备相连，或实现多功能 以及功能扩充，这就产生了调度问题。虽然软件和 协议栈可扩充，但终宄最底层的执行部门只有一 个。为了实现多事件和多任务的切换，需要处理事 件和任务对应的应用，并起一个名字 OSAL 即操 作系统抽象层 1。 OSAL 作为调度核心，

16、 BLE 协议栈、 Profile 及 所有的应用都围着它来实现。 OSAL 不是传统大 家使用的操作系统，而是一个允许软件建立和执行 事件的循环。 为了使用 OSAL， 在编写代码的时候，我们在 main 函数的最后编写了一个名叫 osal_start_ys temO的进程，该进程一旦被启动后，就会调用由特 定应用决定的启动函数 osallnitTasks ()来启动系 统。osallmtTasksO 逐个调用 BLE 协议栈各层的 启动进程来初始化协议栈。随后，设置一个 8bk 的 任务 ID(task ID)， 跳入循环等待执行任务，这时系 统启动完成。在代码编写完成后，对 BLE 协议

17、栈 有以下体会： 1) 任务优先级决定于任务 ID， 任务 ID 越小， 优先级越局； 2) BLE 协议栈各层的任务优先级比应用程序 的高； 3) 初始化协议栈后，系统优先处理新到的任 务，即越晚调入的任务，其优先级越高，任务 ID 越 小。 不同的子系统通过 OSAL 的消息机制通信。 消息收发过程描述如下： 在接收信息时，调用函数 saljnsg_&llocate ()D 1创建消息占用内存空间（己经包含了 sal_ mem_lloc 函数功能 ） ，同时为该函数指定空间大 小，该函数返回内存空间地址指针，利用该指针就 可把所需数据拷贝到该空间。 在发送数据时，调用函数 osal jis

18、g_gend()，需 为该函数指定发送目标任务， OSAL 通过 SYSj- VENTISG告知目标任务，目标任务的处理函数 调用 osal psg：eceiveO 来接收发来的数据。每个 OSAL 任务都有一个消息处理函数，每当任务收 到 一个消息后，通过消息的种类来确定需要本任务做 相应处理。消息接收并处理完成，调用函数 sal_ msg jeallocate ()来释放内存（已经包含了 osal mem_ree()函数功能 ） 。 4 . 3 硬件抽象层 HAL 硬件抽象层是旨在将硬件抽象化的位于硬件 电路和内核之间的接口层 12。当一个硬件平台做 好后，根据实际需要，不需要修改 HAL

19、 之上的应 用程序和协议栈的其他组件，只需修改 HAL 即 可，从而隐藏硬件接口细节以便于开发。 5 蓝 牙 传 输 原 理 蓝牙传输过程 1:;如图 7 所示。 图 7 蓝牙传输原理 1) 当从机设备发出广告信号 （ 包括设备地址 和设备名称之类的附加信息），主机设备接收到该 广告信号后向从节点发起扫描请求 11 ;当从机设 备回应扫描请求时，就完成了设备搜索过程。 2) 主 机 设 备 向 从 机 设 备 发 出 建 立 连 接 请求 (包括连接时隙，从机设备待机次数，连接超时值 ） ， 从机设备回应建立连接应答，就完成了建立连接过 程。 3) 为了安全起见，一些数据的访问需要认证， 它的

20、完成是这样的：一方（可以是从机设备，也可以 是主机设备）向另一方索要 6 位数字的密码，之后， 通过主从机设备交换 128 位安全密钥用于加密和 认证 15。上述过程称为配对。 4) 认证的过程比较繁琐， BLE 协议栈支持主 从机设备保存认证的安全密钥（一般是非易失性存 储器中），以便于主从机设备下次连接后快速认证， 这就是绑定技术。 综上所述，蓝牙传输要经历设备发现，建立连 接，配对以及绑定这四个过程。 6 系统测试 6. 1 测 试 步 骤 将 IAR 中的程序烧写进开发板进行测试，具 体步骤如下： 1) 对 IAR 上写好的代码进行编译：在工程名 处右击鼠标，然后点击 Rebuild

21、All; 2) 代码编译成功后，将电脑上的 USB 接口与 仿真器用数据线连接，仿真器与开发板用杜邦线连 接； 3) 连接后一定要按仿真器复位键，然后打开 鼠标点击 debugging 按钮 （ 或是用 Flash programmer 直接将调试或产生的 hex 文件烧录到单片机 中）后进行下载。这样就可以将代码烧写进开发板 了； 4) 烧写成功后就可以用仿真器进行开发板的 调试或模拟功能的实现。 6. 2 测 试 结 果 给开发板上电后，蓝牙 CC2540 模块开始广 播，此时显示屏上显示从机周围的温度值和湿度 值16。打开手机应用开始搜索穿戴式设备，这时 绿灯亮；当智能手机与穿戴式设备配

22、对时，显示屏 上会显示配对密码，若验证通过，黄灯亮表示配对 成功；若验证未通过，红黄绿三灯同时亮且蜂鸣器 会一直长叫，提醒重新配对。在无障碍情况下，当 手机和穿戴式设备之间的距离超过阈值 n3，即 l m 时便会断开连接，此时三灯都亮且蜂鸣器会长 叫报警。 6.3 结果分析 在无障碍物情况下，当智能手机与穿戴式设备 的 距 离 超 过 10m时，智能手机就接收不到穿戴式 设备发出的信号，蜂鸣器就会报警。在实际应用 中，一旦用户和看护者的距离超过预定的阈值时， 蜂鸣器就会发出警报，提醒看护者看管柔弱人群。 这很好地起到了防丢器的作用。 6.4 特色与创新 蓝牙 4.0 的智能防丢器具有以下特色：

23、 1) 使用方便：无需外界网络的支持，穿戴式设 备与手机配对连接后便可自动实现相应功能； 2) 人性化设计：穿戴式设备，适于柔弱人群随 身携带； 3 )紧急的声光报警功能：在无障碍物情况下， 一旦持有手机的看护者与佩有穿戴式设备柔弱人 群的 距 离 超 过 l m 时，手机就接收不到穿戴式设 备发出的信号，蜂鸣器就会报警； 1) 节能环保：蓝牙 4.0 技术本身具有低功耗 特性，一枚纽扣锂电池能使防丢器工作不少于三个 月； 2) 安全：低功耗蓝牙 4. 0 技 术 釆 用 AE;128 算法来对数据进行加密或解密，同时，在数据的传 输方面采用由许多蓝牙设备组成的网络大大提高 了安全性 18，使

24、用户更放心； 3) 可靠：由于采用了跳频技术，蓝牙 4.0 智能 防丢器在性能上稳定可靠，即通信设备会不断搜索 干扰比较小的信道，可能每隔一段时间会从一个频 率转换到另一个频率 1，从而保证了数据传输的 可靠性； 4) 无限制：一部手机可以与多个穿戴式设备 建立连接，便于看护者对柔弱群体进行一对多的看 管； 5) 廉价：在协议栈的设计方面，低功耗蓝牙比 标准蓝牙更精简，制造工艺不断进步，所以它的研 发和生产成本方面费用相对较低 2。另外，低功 耗蓝牙工作在无需申请的 2.4GHz 频段，所以，相 对于其他需要缴纳专利或版权 费用的技术而言，又 一次降低了它的成本； 6) 有极大的社会价值：能有

25、效防止柔弱人口 走失。 7 结语 在系统开发过程中，我们查阅了大量的相关文 献和数据，包括蓝牙 4.0 协议原理、 IAR 编译器的 使用，单片机 C 语言的编写等内容，收获颇多。 蓝牙 4.0 技 术 的 智 能 防 丢 器 有 很 广 的 发 展前 景。蓝牙 4.0 的低功耗无线网络通信技术，相比较 其他无线通信技术而言， BLE 具 有 安 全 性 高 的优 点，所以不会对使用者产生任何安全威胁。用户可 以放心使用。设备使用的是纽扣电池，一颗纽扣电 池至少可以使设备工作不少于三个月，绿色节能更 环保，而且本文穿戴式的设计简单轻巧，方便携带。 这次设计体现了对柔弱群体的关爱，希望能对 柔弱

26、群体的人身安全起到一定的作用。生活中，看 护者并不是时时刻刻都待在柔弱人群身边，导致柔 弱人口走失的情况时常发生，本文的防丢器能极大 地避免类似事件的发生，使用户能及时地了解到柔 弱人群的动向，解决用户们的后顾之虑，从而进一 步推动了社会的和谐发展。 参考文献 1 王斌 .基于 Androki 终端的蓝牙台球对战游戏的研究与 实现 D.昆明：昆明理工大学 ， 2013:13-14. WANG Bin. Research and implementation of the Android terminal based on the Bluetooth billiards game 匸 D. Ku

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