張紅軍，袁艷林，石博文

（1.安陽(yáng)學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院，河南 安陽(yáng) 455000；2.平頂山職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，河南 平頂山 467000）

1 引言

警報(bào)系統(tǒng)是指用物理方法或電子技術(shù)，自動(dòng)探測(cè)發(fā)生在布防監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的侵入行為或意外險(xiǎn)情，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并提示人員發(fā)生報(bào)警的區(qū)域，顯示可以采取的對(duì)策的系統(tǒng)[1]。

警報(bào)系統(tǒng)分為探測(cè)系統(tǒng)與報(bào)警系統(tǒng)，一些精密智能的警報(bào)系統(tǒng)還有主控系統(tǒng)。警報(bào)系統(tǒng)產(chǎn)品通常分為三部分：探測(cè)器部分，警報(bào)部分和主控部分。前兩者是所有警報(bào)系統(tǒng)都必備的，第三部分是高端系統(tǒng)所采用的技術(shù)[2]。探測(cè)器部分是一個(gè)警報(bào)系統(tǒng)的靈魂，傳統(tǒng)的有紅外探測(cè)、熱感探測(cè)、顆粒物探測(cè)等。新型的有震動(dòng)探測(cè)、聲波探測(cè)、虹膜識(shí)別、人臉識(shí)別等[3]。目前探測(cè)器的發(fā)展方向是多樣化、靈敏化、清晰化[4,5]。

現(xiàn)有智能警報(bào)系統(tǒng)技術(shù)還不夠成熟，存在不夠長(zhǎng)效穩(wěn)定、操作不簡(jiǎn)便、不便于擴(kuò)展等弊端?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)一套基于物聯(lián)網(wǎng)的智能警報(bào)系統(tǒng)，并進(jìn)行算法優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能警報(bào)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

本設(shè)計(jì)主要分兩部分，一是硬件部分，二是軟件部分。硬件部分由電源四塊、pw-01 藍(lán)牙芯片、有源蜂鳴器、AD/DA 模塊、DC-DC 穩(wěn)壓升壓模塊、pwm 模塊組成。軟件部分則是基于Android 系統(tǒng)的手機(jī)端。手機(jī)端由Android 語(yǔ)言制作界面，Java語(yǔ)言編寫(xiě)后臺(tái)。

功能主要有三部分：一是利用藍(lán)牙芯片進(jìn)行測(cè)距，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)硬件部分與手機(jī)端之間的距離，并實(shí)時(shí)反饋給手機(jī)端，手機(jī)端接收并顯示。二是當(dāng)硬件部分離手機(jī)端過(guò)遠(yuǎn)，藍(lán)牙信號(hào)斷開(kāi)時(shí)，手機(jī)發(fā)出震動(dòng)。三是當(dāng)手機(jī)端發(fā)出指令時(shí)，硬件部分蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲。

2.2 硬件部分

2.2.1 硬件部分組成

本設(shè)計(jì)有兩組電源供電，每組電源由2 塊3 V的紐扣電池組成。有源蜂鳴器有一個(gè)獨(dú)立供電電源，pw-01 藍(lán)牙芯片、AD/DA 模塊、穩(wěn)壓升壓模塊、pwm 模塊共享另一個(gè)供電電源。

PW-01 藍(lán)牙模塊是主從機(jī)一體，串口數(shù)據(jù)透?jìng)?，超低功耗的藍(lán)牙透?jìng)髂K。本模塊基于藍(lán)牙4.0 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，采用美國(guó)德州儀器TI CC2541 芯片作為核心處理器。支持Android 手機(jī)、平板、電腦連接，可廣泛應(yīng)用于2.4 G 低功耗藍(lán)牙系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸及控制。部分引腳可做數(shù)字信號(hào)輸出之用。本設(shè)計(jì)采用的AD/DA 模塊是基于I2C 接口的模塊，8 位精度，四通道AD，單通道DA，電壓輸出型。將輸入的數(shù)字信號(hào)改變?yōu)槟M信號(hào)輸出，將輸入的模擬信號(hào)改變?yōu)閿?shù)字信號(hào)輸出。采用的DC-DC 穩(wěn)壓升壓模塊輸入電壓1.2 V至6 V，輸出電壓為1.5 V 至15 V，輸出最大電流500 uA。采用的PWM 模塊內(nèi)嵌芯片NE555，進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，可從0%調(diào)整至占比100%。采用的有源蜂鳴器，是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，內(nèi)含驅(qū)動(dòng)線路，采用S8050 三極管驅(qū)動(dòng)。當(dāng)pwm 模塊輸出高電平脈沖便可被驅(qū)動(dòng)，發(fā)出警報(bào)聲。

2.2.2 硬件部分工作原理

電源供給藍(lán)牙芯片電源，藍(lán)牙芯片接收APP發(fā)出的指令，發(fā)射脈沖信號(hào)。AD/DA 模塊接收脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)之后發(fā)送給穩(wěn)壓升壓模塊。穩(wěn)壓升壓模塊接收信號(hào)，將電壓升高并穩(wěn)住電壓，將電壓輸出給pwm 模塊。pwm 模塊接收電壓開(kāi)始工作，通過(guò)調(diào)整電位器，調(diào)整輸出的脈沖信號(hào)脈寬，使輸出的脈沖高電平占比100%，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。蜂鳴器接收高電平信號(hào)進(jìn)而被驅(qū)動(dòng)，發(fā)出警報(bào)聲。硬件系統(tǒng)工作原理如圖1 所示。

圖1 硬件工作流程圖

2.3 軟件部分

2.3.1 AT 指令集

AT 指令集，是pw-01 藍(lán)牙模塊內(nèi)置的一款指令集。它主要用于pw-01 藍(lán)牙模塊的操縱與控制。它幾乎涵蓋了pw-01 藍(lán)牙模塊的所有工作場(chǎng)景與應(yīng)用方式。具體指令與工作方式如表1 所示。

表1 AT 指令集

2.3.2 手機(jī)端APP

手機(jī)端APP 界面由Android 語(yǔ)言設(shè)計(jì)，后臺(tái)由JAVA 語(yǔ)言編寫(xiě)。主要包括APP 界面文件、藍(lán)牙協(xié)議文件、通信文件、圖標(biāo)文件等。主要功能便是與硬件部分的pw-01 藍(lán)牙芯片通信、發(fā)送AT指令，最終目的是控制整個(gè)硬件部分。

2.4 測(cè)試條件和方法

2.4.1 仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件

空曠地帶的藍(lán)牙信號(hào)傳輸距離與系統(tǒng)工作狀態(tài)、建筑物密集區(qū)的藍(lán)牙信號(hào)傳輸距離與系統(tǒng)工作狀態(tài)、人群密集區(qū)的藍(lán)牙信號(hào)傳輸距離與系統(tǒng)工作狀態(tài)、藍(lán)牙芯片工作頻段、藍(lán)牙芯片發(fā)射功率、藍(lán)牙芯片低供電電壓、透?jìng)魉俾?、各部分工作狀態(tài)下的電流電壓、藍(lán)牙芯片功耗。

2.4.2 仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試方式與場(chǎng)地

測(cè)試選擇在上課時(shí)間段校園四面鐘廣場(chǎng)及周邊道路，模擬空曠地帶；選擇中午放學(xué)時(shí)間段的校園四面鐘廣場(chǎng)及周邊道路，模擬人群密集區(qū)；選擇在圖書(shū)館大樓內(nèi)部，模擬建筑物密集區(qū)。每種模擬區(qū)域中，各測(cè)試指令發(fā)送不低于5 次。使用示波器、萬(wàn)用表、手機(jī)端返回值、計(jì)算機(jī)等工具測(cè)試觀察硬件部分各元器件的各項(xiàng)數(shù)值，各元器件測(cè)試不低于3 次，并做準(zhǔn)確記錄。

3 優(yōu)化算法關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

3.1 藍(lán)牙芯片通信

本設(shè)計(jì)采用的pw-01 藍(lán)牙模塊，內(nèi)部核心處理器是美國(guó)德州儀器所產(chǎn)的TI CC2541 芯片，通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)采用的是藍(lán)牙4.0 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，與以往的標(biāo)準(zhǔn)有很大的不同[6]。準(zhǔn)確的來(lái)說(shuō)藍(lán)牙4.0 標(biāo)準(zhǔn)是由兩個(gè)協(xié)議構(gòu)成，一個(gè)是傳統(tǒng)的藍(lán)牙協(xié)議（classic bluetooth），另一個(gè)是低功耗部分協(xié)議（low energy）。本設(shè)計(jì)的核心技術(shù)有三點(diǎn)，一是手機(jī)端與藍(lán)牙芯片之間的通信；二是藍(lán)牙芯片對(duì)硬件部分的控制；三是手機(jī)端對(duì)藍(lán)牙芯片的遙控[7]。如此一來(lái)，本設(shè)計(jì)核心技術(shù)關(guān)聯(lián)到藍(lán)牙芯片與手機(jī)端這兩大部分。

藍(lán)牙通信系統(tǒng)共有4 部分組成，無(wú)線射頻單元（Radio）、基帶或鏈路控制單元（LinkController）、鏈路管理單元（LinkManager）、藍(lán)牙通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)[8]。在本設(shè)計(jì)中，無(wú)線射頻單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和語(yǔ)音的發(fā)送和接收；基帶或鏈路控制單元負(fù)責(zé)將射頻信號(hào)、數(shù)字或語(yǔ)音信號(hào)之間相互轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)基帶協(xié)議和其它的底層連接規(guī)程；鏈路管理單元負(fù)責(zé)管理藍(lán)牙設(shè)備之間的通信，實(shí)現(xiàn)通信鏈路的建立、驗(yàn)證與鏈路配置等操作；藍(lán)牙通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)與主機(jī)接口、高層協(xié)議、應(yīng)用程序之間的通信[9]。

藍(lán)牙通信協(xié)議部分包含了AT 指令集，AT 指令集是在藍(lán)牙協(xié)議棧之上的應(yīng)用軟件所涉及到的協(xié)議[10]。

3.2 藍(lán)牙對(duì)硬件部分的控制

本設(shè)計(jì)藍(lán)牙芯片對(duì)硬件部分的控制主要通過(guò)AT 指令集控制藍(lán)牙芯片的管腳，各管腳發(fā)出高低電平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件部分的控制。pw-01 藍(lán)牙芯片擁有管腳20 個(gè)，具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 Pw-01 藍(lán)牙芯片管腳結(jié)構(gòu)圖

3.3 手機(jī)端核心算法技術(shù)

手機(jī)端APP 的核心技術(shù)在于藍(lán)牙接口的開(kāi)發(fā)。軟件核心代碼內(nèi)容依次為：申請(qǐng)權(quán)限，打開(kāi)藍(lán)牙，搜索設(shè)備，連接設(shè)備，設(shè)備通信，斷開(kāi)連接。設(shè)備通信又可以分為：等待設(shè)備連接成功，開(kāi)啟掃描服務(wù)，獲取負(fù)責(zé)通信的 BluetoothGatt-Characteristic，開(kāi)啟監(jiān)聽(tīng)，寫(xiě)入數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本設(shè)計(jì)采用JDK 和VMware 仿真軟件進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試性能指標(biāo)如表2 所示。

表2 測(cè)試性能指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與其它算法相比，本文提出的算法操作方便，便于擴(kuò)展，在各種環(huán)境下運(yùn)行良好，工作狀態(tài)穩(wěn)定，各部分工作電壓電流均正常穩(wěn)定，無(wú)異?，F(xiàn)象，且具有更強(qiáng)的魯棒性。