基于藍(lán)牙技術(shù)的可穿戴式智能環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)

孫廣維,楊小天

(吉林建筑大學(xué)電氣與電子信息工程學(xué)院，長(zhǎng)春130018)

摘要：提出了一種基于藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線可穿戴式環(huán)境參數(shù)獲取系統(tǒng)，其采用智能手持終端(例如手機(jī))，實(shí)現(xiàn)了將個(gè)人用戶(hù)周邊環(huán)境信息的實(shí)時(shí)采集，融合了可穿戴式傳感器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及智能終端等技術(shù)。系統(tǒng)集成了多種傳感器，可檢測(cè)溫濕度、光照、氣壓、PM2.5等。另外，該系統(tǒng)很容易通過(guò)增加傳感器種類(lèi)和數(shù)目實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展，還可以與其他系統(tǒng)通過(guò)廣域網(wǎng)進(jìn)行無(wú)線組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)大型環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將會(huì)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、天氣、自然災(zāi)害預(yù)警方面得到廣泛發(fā)展。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙技術(shù)；可穿戴式；采集系統(tǒng)

收稿日期:2014-12-20

作者簡(jiǎn)介:孫廣維(1982-)，男，吉林農(nóng)安人，講師，碩士研究生，主要從事多媒體技術(shù)方面研究；楊小天(1969-)，男，吉林長(zhǎng)春人，研究員，博士，主要從事電子功能材料合成、生長(zhǎng)，電子器件制備，液晶顯示驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)等方面研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：TP 8文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

可穿戴式智能系統(tǒng)是近年來(lái)剛剛興起的熱點(diǎn)產(chǎn)業(yè)，例如谷歌眼鏡、Apple iWatch、智能服飾等，可以成為人體的一部分，為個(gè)人用戶(hù)提供專(zhuān)屬化、個(gè)性化的智能服務(wù)[1]，其主要特點(diǎn)還包括：可在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下使用；具有智能控制能力；可以長(zhǎng)時(shí)間使用等。隨著技術(shù)的進(jìn)步，可穿戴式智能設(shè)備逐漸在工業(yè)、醫(yī)療、軍事、教育、娛樂(lè)等諸多領(lǐng)域表現(xiàn)出重要的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用潛力，到2016年全球穿戴式智能設(shè)備市場(chǎng)的規(guī)模將達(dá)到60億美元。

隨著社會(huì)的發(fā)展，生活水平的不斷提高，人們對(duì)自己周邊環(huán)境的了解需要也日益迫切。但通常情況下，人們了解環(huán)境狀況的方式比較單一，只能依靠天氣預(yù)報(bào)等傳統(tǒng)方式來(lái)了解周邊環(huán)境狀況，但這種傳統(tǒng)方式是基于大范圍的測(cè)量，無(wú)法針對(duì)個(gè)體環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，其準(zhǔn)確性會(huì)大幅度降低。在本文中，我們提出了一種基于藍(lán)牙技術(shù)的可穿戴式智能環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)，將利用多種緊湊型傳感器進(jìn)行可穿戴式整合，進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量，然后通過(guò)藍(lán)牙方式將數(shù)據(jù)傳輸給人人都具備的智能手持終端(例如手機(jī))，再將結(jié)果處理和反饋給用戶(hù)。在本文中，采用了基于Android系統(tǒng)的智能手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)可分解成兩個(gè)子系統(tǒng)，即可穿戴式多傳感器系統(tǒng)，基于Android系統(tǒng)的顯示和處理系統(tǒng)，二者通過(guò)藍(lán)牙模塊進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交互。其中可穿戴式多傳感器系統(tǒng)集成了溫度測(cè)量、光照強(qiáng)度測(cè)量、濕度測(cè)量、氣壓測(cè)量和PM值測(cè)量功能。各個(gè)模塊將采集到的參數(shù)首先發(fā)送到可穿戴式多傳感器系統(tǒng)中央處理器來(lái)進(jìn)行處理，然后處理器將數(shù)據(jù)打包后傳遞給藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊再將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺鬟f給手持智能終端[2]。智能手持終端搭載的Android系統(tǒng)會(huì)將數(shù)據(jù)獲取并在自己的應(yīng)用層進(jìn)行顯示。本系統(tǒng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1)便攜性：本可穿戴式系統(tǒng)的傳感器可采用分布式布線，即多個(gè)傳感器可分布于衣服的不同位置，從而使穿戴系統(tǒng)不會(huì)對(duì)原有衣物的舒適性造成影響。傳感器管理用處理器與智能手持終端之前采用基于藍(lán)牙技術(shù)的無(wú)線傳輸方式，可進(jìn)行短距離數(shù)據(jù)傳輸，極大地提高了系統(tǒng)的便攜性。

2)操作人性化：該系統(tǒng)采用智能手持設(shè)備進(jìn)行人機(jī)交互，初步工程采用廣泛使用的Android系統(tǒng)，圖形化、觸摸化操作，具有良好的交互性，非常人性化。

3)可擴(kuò)展性：本系統(tǒng)核心是基于單片機(jī)的多傳感器數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，與智能終端構(gòu)成了星型總線連接的局部傳感器網(wǎng)絡(luò)，所集成的傳感器可進(jìn)行分布式布局，這種布局具有非常良好的可擴(kuò)展性，可以通過(guò)增加傳感器來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)。另外，本系統(tǒng)可擴(kuò)展性還體現(xiàn)在手持智能終端應(yīng)用上，可以將從傳感器接受的信息處理后通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)連接提供給上層網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及應(yīng)用，從而構(gòu)成一個(gè)大型分布式、多人參與的移動(dòng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，不僅可提供基本環(huán)境參數(shù)的采集、分析，還可以對(duì)突發(fā)天氣、事故等進(jìn)行及時(shí)播報(bào)。

圖1　系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)框圖

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1　主控模塊的處理器

主控模塊本設(shè)計(jì)采用由單片機(jī)作為主控芯片而構(gòu)成的系統(tǒng)，單片機(jī)型號(hào)選用STC12C5A60S2, STC12C5A60S2是由國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠商宏晶科技生產(chǎn)的新一代8051系列單片機(jī)[3]。它運(yùn)用了增強(qiáng)型8051內(nèi)核，其運(yùn)行速度比普通的8051單片機(jī)快8-12倍，內(nèi)部包含有60K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器和1280字節(jié)的隨機(jī)存儲(chǔ)器。此外該系列的單片機(jī)還包含了8通道的高速十位ADC，兩路PWM，以及四個(gè)16位的定時(shí)器。該系列的單片機(jī)默認(rèn)情況下是完全兼容普通的8051單片機(jī)并且兼容普通的8051指令集。

單片機(jī)的VCC引腳 要接+ 5V電源，GND 引腳+接地，增加兩個(gè)濾波電容電壓保持恒定。這樣就能夠?yàn)閱纹瑱C(jī)提供正常的工作電壓。

本設(shè)計(jì)采用11.0592M的晶振， XTAL1引腳和XTAL2引腳分別是放大器的輸入端和輸出端。外接的石英晶體作為反饋元件與該放大器恰好構(gòu)成自激振蕩電路。石英晶體與兩個(gè)電容構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。這兩個(gè)電容的大小這里選用30pF。

根據(jù)STC12C5A60S2的特性，在單片機(jī)工作時(shí)，當(dāng)RST引腳被給予兩個(gè)振蕩周期以上的高電平，將會(huì)觸發(fā)單片機(jī)的復(fù)位指令。

2.2　藍(lán)牙芯片BC417173

當(dāng)采用藍(lán)牙方式進(jìn)行傳輸時(shí)，單片機(jī)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)采集完畢后，會(huì)將數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳遞給藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊作為主機(jī)會(huì)通過(guò)藍(lán)牙協(xié)議將數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸，發(fā)送給智能手持終端。

本設(shè)計(jì)采用的藍(lán)牙串口模塊選用CSR的藍(lán)牙芯片BC417173以及相應(yīng)的解決方案。其電路如圖2所示：

圖2　藍(lán)牙芯片BC417173電路圖

該芯片上電之后首先會(huì)進(jìn)行初始化工作，初始化完畢之后會(huì)對(duì)藍(lán)牙的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的配置，如波特率、晶振頻率等。該設(shè)計(jì)中采用的波特率為9600bps，晶振頻率為11.0592MHZ。藍(lán)牙的參數(shù)配置完畢之后芯片會(huì)加載相關(guān)的藍(lán)牙固件，藍(lán)牙的固件為藍(lán)牙的硬件設(shè)備與通信協(xié)議之間提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)。這些準(zhǔn)備工作完成之后，該芯片會(huì)按照預(yù)定的格式將單片機(jī)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞。

2.3　實(shí)現(xiàn)涉及的傳感器

該系統(tǒng)目前已經(jīng)集成有溫度傳感器DS18B20、光照強(qiáng)度傳感器bh1750、濕度傳感器DHT11、氣壓傳感器BMP085和PM2.5傳感器，采用星型網(wǎng)絡(luò)模型，可以繼續(xù)擴(kuò)展其他環(huán)境參數(shù)測(cè)量裝置[5]。

主控系統(tǒng)要采集各傳感器采集到的數(shù)據(jù)，然后按照規(guī)定的通信格式與智能手持終端進(jìn)行通信。手持終端將數(shù)據(jù)處理后通過(guò)安卓系統(tǒng)上的應(yīng)用進(jìn)行顯示[4]。本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)主要包括：主控模塊與傳感器的通信設(shè)計(jì)、主控系統(tǒng)與智能手持終端的通信設(shè)計(jì)、智能手持終端的操作界面與數(shù)據(jù)顯示設(shè)計(jì)三部分。

智能手持終端的藍(lán)牙接收流程圖如圖3所示：

圖3　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程圖

3結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)將可穿戴式傳感器、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及智能終端技術(shù)融合在一起，實(shí)現(xiàn)了一種可擴(kuò)展的分布式環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前已經(jīng)集成有溫度傳感器DS18B20、光照強(qiáng)度傳感器bh1750、濕度傳感器DHT11、氣壓傳感器BMP085和PM2.5傳感器，采用星型網(wǎng)絡(luò)模型，可以繼續(xù)擴(kuò)展其他環(huán)境參數(shù)測(cè)量裝置。環(huán)境參數(shù)首先通過(guò)傳感器系統(tǒng)中央處理器STC12C5A60S2進(jìn)行處理后，經(jīng)由藍(lán)牙模塊BC417173，以無(wú)線方式發(fā)送給手持智能終端，然后由運(yùn)行在智能終端上的App(目前實(shí)現(xiàn)了Android操作系統(tǒng)下)將結(jié)果顯示，或以聲音、震動(dòng)等形式反饋給用戶(hù)。經(jīng)測(cè)試，運(yùn)行狀況良好，各項(xiàng)參數(shù)采集實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確。本系統(tǒng)還具有良好的擴(kuò)展性，不僅可以體現(xiàn)在傳感器種類(lèi)、數(shù)目的可擴(kuò)展性，而且還體現(xiàn)在本設(shè)計(jì)還是大型無(wú)線傳感器的一個(gè)節(jié)點(diǎn)。這個(gè)節(jié)點(diǎn)的核心是手持智能終端App，它可以將獲得的環(huán)境參數(shù)信息與地理信息相結(jié)合，然后進(jìn)行加工、處理，再通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)信息網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給更高一層的節(jié)點(diǎn)或中心處理單元上，從而完成一個(gè)大型無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)工作。本論文所給出的系統(tǒng)建成后，不僅可以應(yīng)用在個(gè)人用戶(hù)所關(guān)心的環(huán)境參數(shù)獲取，還可以應(yīng)用到異常天氣監(jiān)測(cè)、自然災(zāi)害報(bào)警、智能環(huán)境控制等。本設(shè)計(jì)與柔性太陽(yáng)能電池技術(shù)、柔性電路技術(shù)相結(jié)合將是未來(lái)幾年產(chǎn)業(yè)界發(fā)展的方向。

參考文獻(xiàn):

[1]方琨,張娟,蔡振江,等.基于DS18B20數(shù)字溫度傳感器的溫室環(huán)境采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010(1):12792-12794.

[2]蔣梁中,許勇,卞青青.基于arm7環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2009 (1)：14:20-26.

[3]金建設(shè)．單片機(jī)系統(tǒng)與應(yīng)用[M]．北京：北京郵電大學(xué)出版社, 2013:138-170．

[4]余榮發(fā).基于Android的移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學(xué).2011.

[5]王建,毛騰飛,陳英革. 基于BH1750芯片的測(cè)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 常熟理工學(xué)院學(xué)報(bào),2011 (2):117-120.

責(zé)任編輯：吳旭云

Wearable Intelligent Environment Parameters Acquisition System Based on Bluetooth Technique

SUN Guangwei，YANG Xiaotian

(School of Electrical and Electronic Information Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun 130018, China)

Abstract：This paper presents a wearable environment parameters acquisition system based on Bluetooth technique, which achieves the individual user environment information acquisition by using intelligent handheld terminal (such as a mobile phone), showing the fusion of technologies of wearable sensors, network of things and intelligent terminal. The system with many sensors integrated can detect the temperature and humidity, light, pressure, PM2.5, etc. In addition, the system is very easy to achieve expansion by adding types and numbers of sensors, also form wireless network with other systems through wide area network. The realization of a large-scale wireless sensor network of environment parameters monitoring will be widely developed in environmental monitoring, weather and natural disaster prediction.

Keywords：Bluetooth technique； wearable; acquisition system