邊 際,吳恩銘（中國(guó)民航大學(xué),天津 300300）

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基于藍(lán)牙的自組網(wǎng)裝置設(shè)計(jì)

邊 際,吳恩銘
（中國(guó)民航大學(xué),天津 300300）

摘 要：設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于藍(lán)牙的自組網(wǎng)裝置，將若干個(gè)該藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置布置在一定區(qū)域內(nèi)，這些藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置能夠自動(dòng)形成Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置可通過(guò)串口與其他設(shè)備進(jìn)行通信，從而將其他設(shè)備加入無(wú)線物聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)中。本文闡述了該裝置的工作原理，軟硬件設(shè)計(jì)等。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙；物聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)；Ad-Hoc

1 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙是一種使用ISM（Industrial Scientific Medical）波段的無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)系統(tǒng)分為BR（Basic Rate）和LE（Low Energy）兩大系統(tǒng)。LE系統(tǒng)相比BR系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速率較低，但其具有超低的功耗以及更快的連接速度。

目前，藍(lán)牙核心協(xié)議尚未對(duì)藍(lán)牙組建Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)做出具體的描述。如何基于藍(lán)牙通信技術(shù)組建多節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)仍然是一個(gè)開(kāi)放性的問(wèn)題，也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一。

2 系統(tǒng)功能及設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)功能

該藍(lán)牙的自組網(wǎng)裝置支持藍(lán)牙LE系統(tǒng)。使用若干個(gè)該藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置能夠在一定區(qū)域內(nèi)快速組建無(wú)中心、自組織、多跳路由、動(dòng)態(tài)拓?fù)涞腁d-Hoc網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，該裝置支持串口通信功能，可以通過(guò)串口與其他設(shè)備進(jìn)行有線通信，使這些設(shè)備加入物聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)中。該裝置可用于組建智能家居無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。

2.2 工作原理

該藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置在初次通過(guò)串口與其他設(shè)備連接時(shí)，其他設(shè)備需通過(guò)串口向藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置發(fā)送設(shè)備識(shí)別碼。本藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置在工作過(guò)程中不斷發(fā)出廣播，以被周?chē)渌{(lán)牙自組網(wǎng)裝置發(fā)現(xiàn)。廣播內(nèi)容中包含藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置同意的特定識(shí)別碼，以便其他藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置過(guò)濾其他類(lèi)型的藍(lán)牙設(shè)備。

當(dāng)與該藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置通過(guò)串口連接的其他設(shè)備需要發(fā)送信息時(shí)，需要發(fā)送信息的設(shè)備直接將待發(fā)送信息（信息中包含信息接收方設(shè)備識(shí)別碼）通過(guò)串口發(fā)送到與之連接的藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置。藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置接收到來(lái)自串口的信息之后，對(duì)信息進(jìn)行封包（包含信息唯一編號(hào)、發(fā)送方設(shè)備識(shí)別碼、接收方設(shè)備識(shí)別碼）處理，再發(fā)送給其通信范圍內(nèi)的其他藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置。

藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置接收到封包處理后的信息之后，提取出數(shù)據(jù)包中的識(shí)別碼，若接收方識(shí)別碼與和該藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置通過(guò)串口連接的設(shè)備的識(shí)別碼相同，藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置則通過(guò)串口將數(shù)據(jù)包發(fā)送給該設(shè)備。若識(shí)別碼不相同，該藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置則作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)橋節(jié)點(diǎn)，將消息轉(zhuǎn)發(fā)給其通信范圍內(nèi)的其他藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置。

為了避免信息在多個(gè)藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置之間重復(fù)發(fā)送，每個(gè)藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置會(huì)在數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄接收到的所有信息以及每條信息對(duì)應(yīng)的接收設(shè)備列表。藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置使用接收設(shè)備列表來(lái)過(guò)濾已經(jīng)接收過(guò)某條信息的藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

該藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置的基本硬件組成如圖1所示?？紤]到本裝置可能運(yùn)用在不方便直接接入電源的工作環(huán)境中，在本裝置中加入可充電鋰電池。LED指示燈用于顯示該裝置的工作狀態(tài)和充電電路的工作狀態(tài)。

為了保持較低的系統(tǒng)功耗和設(shè)備成本，本裝置采用單芯片方案設(shè)計(jì)，裝置中除了藍(lán)牙芯片外不包含其他的處理器，軟件程序直接運(yùn)行在藍(lán)牙芯片中。藍(lán)牙芯片可以采用Nordic公司生產(chǎn)的nRF51822芯片，該芯片供電電壓為1.8V到3.6V，由降壓電路將電源電壓降到nRF51822芯片可接受的范圍內(nèi)。本設(shè)計(jì)完成的藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置硬件實(shí)物圖如圖2所示。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

該藍(lán)牙自組網(wǎng)裝置軟件系統(tǒng)基于藍(lán)牙LE系統(tǒng)，使用Nordic公司的S130低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧，通過(guò)編寫(xiě)應(yīng)用層軟件調(diào)用相應(yīng)的API來(lái)操縱藍(lán)牙底層。藍(lán)牙LE系統(tǒng)以服務(wù)（Service）的形式來(lái)組織數(shù)據(jù)，而不是以數(shù)據(jù)流的形式。一個(gè)服務(wù)可以包含若干個(gè)特性（Characteristic），每個(gè)特性又包含若干個(gè)屬性（Attribute），數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在屬性中。在該軟件中建立了一個(gè)服務(wù)用于數(shù)據(jù)傳輸，該服務(wù)包含三個(gè)特性，這三個(gè)特性分別用于傳輸狀態(tài)數(shù)據(jù)包、指令數(shù)據(jù)包、消息數(shù)據(jù)包?？梢詫⑦@三個(gè)特性視為三個(gè)不同的數(shù)據(jù)通道，分通道傳輸不同類(lèi)型數(shù)據(jù)包，從而簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理流程。根據(jù)工作原理中對(duì)系統(tǒng)工作過(guò)程的闡述，編寫(xiě)應(yīng)用層軟件，完成數(shù)據(jù)處理及藍(lán)牙狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)測(cè)試，由該裝置組建的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)具有功耗低、成本低、抗毀性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，另外組網(wǎng)過(guò)程簡(jiǎn)單，無(wú)需用戶手動(dòng)配置。但是，由于目前藍(lán)牙LE系統(tǒng)技術(shù)的限制，該裝置組建的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)存在數(shù)據(jù)吞吐量較低、實(shí)時(shí)性不高的缺點(diǎn)，適合用于組建控制型物聯(lián)通信網(wǎng)絡(luò)。

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大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目”資助，項(xiàng)目編號(hào)：201510059032。

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.180