李 佳，周 峰

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活質(zhì)量越來越高，人們對自己生活環(huán)境的了解需求也日益迫切。但是人們了解環(huán)境數(shù)據(jù)的方式比較簡單，僅依靠傳統(tǒng)的天氣預(yù)報方式了解未來一兩天環(huán)境預(yù)測的狀況。因為環(huán)境狀況具有變化快、不穩(wěn)定的特點，隨著時間和空間的改變，環(huán)境狀況會有顯著的差異。而傳統(tǒng)的基于天氣預(yù)報得到的預(yù)測數(shù)據(jù)，實時性顯然不夠精確。如果具體到個人居住的小范圍環(huán)境數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確性更是大幅度降低。智能手機(jī)改變?nèi)祟惖纳睿?］，對于環(huán)境信息的獲取，人們也越來越依靠智能手持終端設(shè)備。但是，基于智能手持終端內(nèi)置傳感器的環(huán)境采集系統(tǒng)所測的溫度、濕度、PM2.5等數(shù)據(jù)受到智能設(shè)備小型化以及本身運作發(fā)熱的影響，導(dǎo)致周圍環(huán)境數(shù)據(jù)難以準(zhǔn)確地被測量。然而基于藍(lán)牙4.0無線傳輸?shù)沫h(huán)境采集系統(tǒng)，不僅可以通過外置的傳感器準(zhǔn)確地檢測周圍環(huán)境的信息，還可以通過無線藍(lán)牙技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街悄茉O(shè)備上顯示。

王宏志等［2］設(shè)計了基于藍(lán)牙4.0的溫濕度的監(jiān)測，用于采集外界溫濕度。方天恩等［3］研究基于Android的智能藍(lán)牙溫度計，結(jié)合Android智能手機(jī)和藍(lán)牙設(shè)備。本文基于藍(lán)牙4.0無線傳輸?shù)沫h(huán)境數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)合藍(lán)牙4.0和智能傳感技術(shù)，可對溫度、濕度和霧霾等環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并通過藍(lán)牙4.0無線技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨沧渴謾C(jī)接收端顯，滿足了人們的客觀需求，具有實際應(yīng)用的價值。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 模塊化總體設(shè)計

模塊化設(shè)計具有高效、靈活、可操作等特點，可以使整個系統(tǒng)層次清晰。系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示，將其分成傳感器采集模塊、主控芯片模塊、安卓設(shè)備端塊，各個模塊既相互獨立又通過相關(guān)接口協(xié)議連接在一起，組成一個可靠的、穩(wěn)定的系統(tǒng)設(shè)計。

圖1 模塊化總體設(shè)計

首先外部環(huán)境因子被傳感器讀取并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，分別通過外圍接口傳輸?shù)剿{(lán)牙CC2540主控芯片處理，藍(lán)牙主控芯片將處理完成的數(shù)據(jù)加載到2.4 GHz的藍(lán)牙無線信道發(fā)送到安卓設(shè)備。安卓設(shè)備通過編寫的應(yīng)用程序讀取并顯示。

1.2 硬件電路設(shè)計

本文的硬件設(shè)計采用由德州儀器公司的CC2540射頻單片機(jī)作為核心主控芯片，該芯片是一款兼容8051內(nèi)核指令集和藍(lán)牙4.0低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）協(xié)議的芯片。硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要設(shè)計有主控芯片外圍電路、電源電路、接口電路，并制作成印刷電路板。CC2540核心主控芯片分別通過SPI和URAT接口讀取DHT11溫濕度傳感器和DSL-03激光式PM2.5傳感器的數(shù)據(jù)，同時將處理后的數(shù)據(jù)通過天線發(fā)送并顯示到LCD液晶屏。

如圖3所示，將硬件電路分為CC2540主控芯片模塊和傳感器模塊兩部分，分別制作為兩張PCB電路板。CC2540主控芯片的PCB板通過插針與搭載傳感器和電源的PCB板電路連接。

圖3 硬件電路

2 藍(lán)牙原理及軟件設(shè)計

藍(lán)牙通信采用協(xié)議的方式進(jìn)行規(guī)范，協(xié)議棧是用代碼實現(xiàn)的函數(shù)庫，包含通信協(xié)議的具體內(nèi)容，主要有通信所需要的連接流程、通信頻率、通信信道等。藍(lán)牙4.0 BLE協(xié)議棧將具體的操作以函數(shù)庫形式封裝，并向開發(fā)者提供基于協(xié)議棧應(yīng)用的函數(shù)接口，包括硬件調(diào)用、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)屬性配置等。協(xié)議棧的構(gòu)成如圖4所示［4-5］。

BLE協(xié)議棧使用一種小型的操作管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)被稱為操作系統(tǒng)抽象層（Operating System Abstraction Layer，OSAL），其目的是管理協(xié)議棧的函數(shù)庫，合理地分配CPU寶貴的硬件資源。雖然名為操作系統(tǒng)，但是嚴(yán)格來說，OSAL不能稱為真正意義上的操作系統(tǒng)。從字面上來說OSAL只是抽象的操作系統(tǒng)，所以它只能模擬一些操作系統(tǒng)的簡單功能，比如系統(tǒng)資源分配、任務(wù)消息交換、中斷服務(wù)等，OSAL的機(jī)理描述如圖5所示。

軟件的設(shè)計是在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)之上，給相應(yīng)硬件合理的程序，使之高效地工作，完成整個設(shè)計的目標(biāo)功能。本文軟件設(shè)計主要有環(huán)境數(shù)據(jù)傳感器采集模塊驅(qū)動程序、CC2540主控芯片上的協(xié)議棧通信軟設(shè)計和安卓智能設(shè)備上的APP。其中傳感器程序和CC2540主控芯片的程序是在IAR開發(fā)環(huán)境下采用C語言編寫，而安卓智能設(shè)備則在Eclipse環(huán)境下用Jave語言編寫。

圖4 BLE協(xié)議棧的構(gòu)成

圖5 OSAL的機(jī)理

根據(jù)藍(lán)牙協(xié)議棧提供的應(yīng)用接口，在TI公司提供的從機(jī)工程之上將傳感器驅(qū)動程序放入BLE協(xié)議棧的OSAL任務(wù)中，并通過通用配置文件（Generic Attribute Profile，GATT）特征值的方式發(fā)送到安卓智能設(shè)備，流程如圖6所示。

圖6 程序流程

安卓系統(tǒng)從4.3版本以上全面支持BLE協(xié)議棧技術(shù)［6-7］。本文基于該版本通過BLE技術(shù)實現(xiàn)搜索CC2540主控芯片并與之建立連接，再通過GATT層實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的傳輸。安卓手機(jī)與CC2540主控芯片之間通信有4個步驟：開啟藍(lán)牙設(shè)備、掃描藍(lán)牙設(shè)備、發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備、連接藍(lán)牙設(shè)備并進(jìn)行通信。流程如圖7所示。

安卓APP設(shè)計中主要調(diào)用Devicescan Activity用來管理藍(lán)牙設(shè)備的服務(wù)，包括搜索、匹配和連接。如圖8（a）所示，通過藍(lán)牙4.0連接到CC2540核心板，在UI界面讀取CC2540的地址，用戶名以及RSSI信號等信息。然后點擊列表的用戶名為“l(fā)ijiable”的藍(lán)牙設(shè)備，獲取來至CC2540的服務(wù)，包括溫濕度數(shù)據(jù)，以及PM2.5細(xì)微顆粒濃度數(shù)據(jù)的讀取服務(wù)，如圖8（b）所示。

3 功能測試

3.1 溫濕度采集實驗

測試條件：空曠無人的實驗室，每兩小時測量環(huán)境數(shù)據(jù)并記錄，同時與溫濕度計進(jìn)行比較，實驗結(jié)果如圖9所示。

對比溫度計與本設(shè)計的溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)誤差小，但是總高于溫度計所測量的值。誤差原因分析如下。

圖7 藍(lán)牙連接流程

圖8 安卓數(shù)據(jù)端

（1）溫濕度傳感器自身發(fā)熱讀取數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響；

（2）受周圍元器件發(fā)熱的影響；

（3）局部小區(qū)域環(huán)境之間的差異。

3.2 PM2.5傳感器采集數(shù)據(jù)實驗

實驗環(huán)境與條件：空曠而且通風(fēng)的室內(nèi)，將采集系統(tǒng)放在窗邊，點燃煙放置在PM2.5傳感器的進(jìn)風(fēng)口一次，觀察PM2.5數(shù)據(jù)的讀數(shù)，每隔1秒記錄，如圖10所示。

通過上述數(shù)據(jù)顯示，PM2.5傳感器可以檢測到小環(huán)境的細(xì)微顆粒濃度并顯示。在沒有點煙之前傳感器測到的是環(huán)境的初始PM2.5數(shù)據(jù)，在點煙時，數(shù)據(jù)值開始上升，達(dá)到最高點時，隨著空氣流動，小環(huán)境的細(xì)微顆粒濃度開始下降，最后和初始環(huán)境數(shù)據(jù)基本一致。

圖9 溫濕度實驗

圖10 PM2.5實驗

4 結(jié)語

本設(shè)計基于藍(lán)牙4.0實現(xiàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，可對溫度、濕度和霧霾等環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并可通過藍(lán)牙無線技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨惭b數(shù)據(jù)中心的安卓手機(jī)接收端。實測表明，多傳感器的環(huán)境數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地被采集，并正確地顯示到LED液晶屏上；通過藍(lán)牙輸出到數(shù)據(jù)中心，在安卓智能設(shè)備上也可以同步顯示環(huán)境數(shù)據(jù)。此外，該環(huán)境系統(tǒng)具有體積小、測試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確和使用方便等特點，具有一定實用性。