朱鵬，楊延寧，張璐，劉丁，孟凡龍，王闖超

（延安大學(xué)物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000）

青少年是國家的未來和民族的希望，關(guān)注青少年的健康成長(zhǎng)，一直以來都是國家、社會(huì)、家庭的焦點(diǎn)問題之一。在青少年成長(zhǎng)過程中，有很多因素會(huì)影響他們的成長(zhǎng)發(fā)育，其中青少年背的書包是不可忽視的因素。隨著越來越重的學(xué)習(xí)任務(wù)，書包里的書本也越來越多，書包已然被看作是青少年們的“職業(yè)負(fù)荷”。青少年長(zhǎng)時(shí)間背負(fù)著沉重的書包，對(duì)肩部肌肉產(chǎn)生強(qiáng)大的壓迫，從而導(dǎo)致頸肩部疼痛，嚴(yán)重影響青少年的脊柱生長(zhǎng)，大大增加了出現(xiàn)頸曲加大或者脊柱側(cè)偏的概率。許多調(diào)查顯示[1-2]，沉重的書包是影響頸椎生理健康和引起頸椎相關(guān)癥狀的主要因素之一。

為了加快教育改革，提高素質(zhì)教育，實(shí)現(xiàn)對(duì)青少年負(fù)擔(dān)的減輕，設(shè)計(jì)一款智能書包是有必要的。文中設(shè)計(jì)了一種基于BLE4.0的智能書包，通過實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟隨青少年行走、自動(dòng)避障、對(duì)書包重量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能，可以有效地減輕青少年書包壓力，保障了青少年身體健康發(fā)育。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能書包設(shè)計(jì)是用一個(gè)單模BLE芯片CC2541為主機(jī)單元，用兩個(gè)單模BLE芯片CC2541作為從機(jī)單元[3]。主要包括：顯示模塊、按鍵模塊、測(cè)重模塊、報(bào)警模塊、避障模塊等[4]。其中按鍵模塊用來確認(rèn)主機(jī)連接從機(jī)、開始或取消接從機(jī)數(shù)據(jù)。測(cè)重模塊用來測(cè)量出書包的重量。報(bào)警模塊是在書包重量超出限值或青少年距離書包超出限定范圍后進(jìn)行報(bào)警。避障模塊是在智能書包跟隨青少年行走過程中，遇到障礙物自動(dòng)調(diào)整方向，防止智能書包撞到障礙物。

1.2 系統(tǒng)核心方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用一塊CC2541作為主機(jī)系統(tǒng)的主控芯片，選用兩塊CC2541分別作為從機(jī)A單元和從機(jī)B單元的主控芯片。從機(jī)A單元包括壓力傳感器模塊HX711模塊和顯示模塊，從機(jī)B單元包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和報(bào)警模塊。在完成配對(duì)后的主機(jī)藍(lán)牙和從機(jī)藍(lán)牙能夠構(gòu)建出一個(gè)BLE無線通信網(wǎng)絡(luò)。主機(jī)在協(xié)議棧中讀取兩個(gè)從機(jī)的接收信號(hào)強(qiáng)度指示數(shù)據(jù)[5]，通過CC2541內(nèi)集成的單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理后發(fā)送指令到從機(jī)，從機(jī)B根據(jù)指令信息控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。從機(jī)A讀取壓力傳感器HX711采集的重量數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后顯示在液晶顯示屏中。當(dāng)書包重量超出限值或從機(jī)距離主機(jī)超出距離上限值時(shí)，報(bào)警模塊工作?；贐LE4.0的智能書包總方案原理如圖1所示。

圖1 智能書包總方案原理圖

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片CC2541的介紹

智能書包設(shè)計(jì)的核心芯片CC2541是一款針對(duì)Bluetooth Low Energy4.0以及私有2.4 GHz BLE應(yīng)用的功率提升的真正片載系統(tǒng)（SoC）解決方案，它的主要功能有[6-7]：

1）內(nèi)部高度集成增強(qiáng)型8051單片機(jī)，256 kB內(nèi)置內(nèi)存，8 kB靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器；

2）完全集成的低功率無線電頻率（1MBPS功能藍(lán)牙GFSK）；

3）有4種不同的發(fā)射功率設(shè)置，適合不同開發(fā)應(yīng)用的需求；

4）TI公司提供完整的協(xié)議棧和技術(shù)文檔與支持，一定程度上減輕了開發(fā)者開發(fā)基于CC2541應(yīng)用的難度。

2.2 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

主機(jī)單元的核心芯片為CC2541，其額定工作電壓為3.3 V。采用一節(jié)大容量18650鋰電池給主機(jī)單元供電，因18650鋰電池的輸出電壓不夠穩(wěn)定，所以選用AMS1117做穩(wěn)壓電路。AMS1117能夠穩(wěn)定的輸出3.3 V電壓，具有1%的精度，具有電流過大保護(hù)、電路發(fā)熱阻斷等功能[8]。主機(jī)穩(wěn)壓電路原理圖如圖2所示。

圖2 主機(jī)穩(wěn)壓電路原理圖

從機(jī)單元的核心芯片同主機(jī)單元核心芯片相同，均為CC2541，但是從機(jī)單元需要驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊L298N，為保障從機(jī)足夠的電量，采用3節(jié)大容量18650鋰電池供電。將驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊供電電壓設(shè)計(jì)為5 V來確保電路的穩(wěn)定性。需設(shè)計(jì)兩個(gè)穩(wěn)壓電路，分別為5 V和3 V穩(wěn)壓供電電源[9]。AMS1117對(duì)于輸入電壓值要求不是很高，所以，從機(jī)的供電電路設(shè)計(jì)可以和主機(jī)的穩(wěn)壓電路設(shè)計(jì)相一致。選用LM2596做5 V穩(wěn)壓電源電路。LM2596輸出電流可高達(dá)3 A，TTL斷電保護(hù)，具備熱量過高保護(hù)和電流過大保護(hù)。從機(jī)穩(wěn)壓電路原理圖如圖3所示。

2.3 主機(jī)單元電路設(shè)計(jì)

2.3.1 主控芯片CC2541引腳的介紹

主控制器的選用對(duì)于整個(gè)設(shè)計(jì)十分重要，考慮到低功耗、穩(wěn)定等特點(diǎn)，所以選用CC2541。表1是CC2541的引腳及功能說明。

圖3 從機(jī)穩(wěn)壓電路原理圖

表1 CC2541的引腳及功能說明

2.3.2 主機(jī)單元電路設(shè)計(jì)

主機(jī)電路是以CC2541芯片為核心搭建的，配有按鍵模塊、LED模塊、顯示模塊。主機(jī)電路中一共設(shè)置5個(gè)按鍵。按鍵S2、S3、S4分別作為搜索從機(jī)、連接從機(jī)、獲取從機(jī)的RSSI等使用。使用OLED顯示主機(jī)和從機(jī)的連接狀態(tài)、主機(jī)讀取到的接收信號(hào)強(qiáng)度指示值、以及指令信息[10]。主機(jī)電路原理圖如圖4所示。

圖4 主機(jī)電路原理圖

2.4 從機(jī)單元電路設(shè)計(jì)

2.4.1 從機(jī)A電路設(shè)計(jì)

從機(jī)A電路是以CC2541為核心搭建的，配有LED模塊、測(cè)重模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊。測(cè)重模塊的設(shè)計(jì)利用壓力傳感器HX711AD為核心搭建。HX711AD通過PD_SCK和DOUT兩條串口通訊線和CC2541的SCK和SDA相連接，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收[11]。選用無源蜂鳴器做蜂鳴器報(bào)警模塊。蜂鳴器報(bào)警模塊的使能端口與CC2541的P20口相連，當(dāng)讀取HX711數(shù)據(jù)小于設(shè)定上限時(shí)，P20口輸出低電平，三極管S8550處于截止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器不工作。當(dāng)讀取HX711數(shù)據(jù)大于設(shè)定上限時(shí)，P20口輸出高電平，三極管S8550處于導(dǎo)通狀態(tài)，蜂鳴器發(fā)聲，進(jìn)而報(bào)警。從機(jī)A電路的原理圖如圖5所示。

圖5 從機(jī)A電路原理圖

2.4.2 從機(jī)B電路設(shè)計(jì)

從機(jī)B電路是以CC2541芯片為核心搭建的，配有LED模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和蜂鳴器報(bào)警模塊。采用L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。CC2541的P06和P07可輸出PWM波，分別與L298N的兩個(gè)使能端相連。CC2541的 4個(gè)IO口 P01、P12、P13、P14分別輸出高低電平，作為L(zhǎng)298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊的IN1、IN2、IN3、IN4的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。同樣選用無源蜂鳴器做蜂鳴器報(bào)警模塊[12]。蜂鳴器報(bào)警模塊的使能端口與CC2541的P20口相連，當(dāng)智能書包無異常情況發(fā)生時(shí)，P20口輸出低電平，三極管S8550處于截止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器不工作。當(dāng)智能書包有異常情況發(fā)生時(shí)，P20口輸出高電平，三極管S8550處于導(dǎo)通狀態(tài)，蜂鳴器發(fā)聲，進(jìn)而報(bào)警。從機(jī)B電路原理圖如圖6所示。

圖6 從機(jī)B電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)核心芯片CC2541的主要功能是在協(xié)議棧里獲取兩個(gè)從機(jī)接收信號(hào)強(qiáng)度的指示數(shù)據(jù)，然后根據(jù)RSSI的不同給從機(jī)發(fā)送指令。

給主機(jī)單元上電，初始化板子上的I/O口，對(duì)硬件部分初始化，初始化驅(qū)動(dòng)，初始化操作系統(tǒng)，最后開始o(jì)sal_start_system的進(jìn)程，這個(gè)進(jìn)程會(huì)調(diào)用由特定應(yīng)用決定的啟動(dòng)函數(shù)osalInitTasks來啟動(dòng)系統(tǒng)，osalInitTasks逐個(gè)調(diào)用BLE協(xié)議棧各層的啟動(dòng)進(jìn)程來初始化協(xié)議棧，跳入循環(huán)等待執(zhí)行任務(wù)，系統(tǒng)啟動(dòng)完成[13-15]。由于從機(jī)的廣播包內(nèi)包含有RSSI的數(shù)據(jù)，運(yùn)用協(xié)議棧中的Simple BLE Central RssiCB函數(shù)讀取到RSSI。在主機(jī)藍(lán)牙中，把讀取從機(jī)A的RSSI定義為RSSI_Left，把讀取從機(jī)B的RSSI定義為RSSI_Right。通過編寫的Simple BLEC ental函數(shù)，比較RSSI_Left數(shù)值和RSSI_Right的數(shù)值大小，給出相應(yīng)的直行、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)指令。主機(jī)以廣播的形式，將指令寫到從機(jī)的CHAR1中。主機(jī)的工作流程圖如圖7所示。

圖7 主機(jī)的工作流程圖

3.2 從機(jī)A系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

從機(jī)A的主要功能是測(cè)量智能書包載重情況和超重報(bào)警。首先，初始化系統(tǒng)的硬件，包括測(cè)重模塊、OLED模塊、設(shè)置好載重的最大值。然后，進(jìn)入事件進(jìn)程，點(diǎn)擊進(jìn)入這個(gè)進(jìn)程就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這是一個(gè)大循環(huán)。如果有事件與協(xié)議棧中寫好的事件相匹配，那么開始對(duì)這個(gè)事件進(jìn)行操作。從機(jī)A中，設(shè)定一個(gè)事件為測(cè)重事件，每次開機(jī)時(shí)系統(tǒng)自定義會(huì)寫入測(cè)重事件并且對(duì)測(cè)重事件進(jìn)行操作，獲取得到實(shí)時(shí)的智能書包重量信息。如果重量超出上限，發(fā)出聲光報(bào)警[16]。從機(jī)A的工作流程圖如圖8所示。

圖8 從機(jī)A的工作流程圖

3.3 從機(jī)B系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

從機(jī)B的主要功能為根據(jù)主機(jī)寫入的指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和報(bào)警。首先，對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行初始化，隨后進(jìn)入事件進(jìn)程函數(shù)。點(diǎn)擊進(jìn)入這個(gè)進(jìn)程就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這是個(gè)大循環(huán)。如果有事件與協(xié)議棧寫好的事件相匹配，則會(huì)對(duì)事件進(jìn)行操作[17]。主機(jī)和從機(jī)連接后，從機(jī)通過發(fā)送廣播包的形式為主機(jī)提供接收信號(hào)強(qiáng)度指示并且主機(jī)給從機(jī)B通過寫入從機(jī)CHAR1的形式發(fā)送指令。由TI公司提供的協(xié)議棧中已經(jīng)定義好Simple Profile ChangeCB函數(shù)來處理指示值改變后回調(diào)事件。當(dāng)CHAR1里面的數(shù)值為0x31時(shí)，執(zhí)行直行指令；當(dāng)CHAR1里面的數(shù)值為0x32時(shí)，執(zhí)行右轉(zhuǎn)指令；當(dāng)CHAR1的數(shù)值為0x33時(shí)，執(zhí)行左轉(zhuǎn)指令。從機(jī)B的工作流程如圖9所示。

圖9 從機(jī)B的工作流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 硬件調(diào)試

硬件調(diào)試首先要對(duì)系統(tǒng)的主機(jī)核心芯片CC2541的外圍電路進(jìn)行檢查，檢查外圍電路是否存在虛焊、短接等問題。用萬用表紅表筆接觸供電電路的正極，用黑表筆接觸供電電路的負(fù)極，檢測(cè)電壓是不是CC2541的額定工作電壓。由于CC2541是高電平復(fù)位，示波器相對(duì)于萬用表可以明顯的顯示出高低電平的變化情況。通過示波器檢查復(fù)位電路。示波器尖頭表筆夾住按鍵的一段，黑夾子夾住電源地，通過示波器的波形跳動(dòng)檢測(cè)電路是否正確。

從機(jī)A和從機(jī)B核心芯片與主機(jī)所用芯片一致，外圍電路檢測(cè)過程也一致。然而，從機(jī)B硬件電路有驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊。首先，測(cè)試L298N模塊是否正常工作，然后，連接從機(jī)B硬件電路，確保驅(qū)動(dòng)電路完全沒有問題，從而確定從機(jī)B的電路是否存在問題。從機(jī)A硬件電路有測(cè)重模塊以及報(bào)警模塊，分別查看各個(gè)分模塊的電源指示燈是否正常，用萬用表調(diào)制電壓檔測(cè)量模塊的供電電壓。

最后，在硬件設(shè)計(jì)與焊接的過程中考慮到系統(tǒng)體積的便攜性，需要將穩(wěn)壓模塊、主機(jī)芯片等排到一塊電路板上，增加設(shè)計(jì)難度[18]。為完成要求，改善電路走線，使系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)達(dá)到美觀、實(shí)用。

4.2 軟件調(diào)試

首先，對(duì)初始化配置進(jìn)行檢查，檢查協(xié)議棧中的管腳配置是否存在復(fù)用情況。其次，主機(jī)是否能與從機(jī)A和從機(jī)B進(jìn)行連接，連接成功后，檢查主機(jī)能否正確讀取廣播包，獲取到RSSI的值。最后，檢查電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、測(cè)重程序、報(bào)警程序等的邏輯性是否正確。

5 結(jié)束語

該設(shè)計(jì)外圍電路簡(jiǎn)單，成本低，操作容易，實(shí)用性較強(qiáng)。充分應(yīng)用抗干擾性強(qiáng)，低成本的CC2541芯片，解決了傳統(tǒng)書包影響青少年的健康成長(zhǎng)的問題。經(jīng)過檢測(cè)，系統(tǒng)可以自動(dòng)跟隨青少年行走，對(duì)書包重量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，與青少年的距離超過限值發(fā)生報(bào)警等，可以滿足設(shè)計(jì)的整體要求。但是該設(shè)計(jì)還有一些不足之處，在今后的研究中將進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到商用的目的。