張紅軍,袁艷林,石博文
(1.安陽學(xué)院 計(jì)算機(jī)學(xué)院,河南 安陽 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)
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?,本文設(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)。
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 語言制作界面,Java語言編寫后臺(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)端過遠(yuǎn),藍(lán)牙信號(hào)斷開時(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。
2.2.1 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)鳎凸牡乃{(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 模塊接收電壓開始工作,通過調(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
2.3.1 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 語言設(shè)計(jì),后臺(tái)由JAVA 語言編寫。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。
2.4.1 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。
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)確的來說藍(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,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,無線射頻單元負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)和語音的發(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]。
本設(shè)計(jì)藍(lán)牙芯片對(duì)硬件部分的控制主要通過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
手機(jī)端APP 的核心技術(shù)在于藍(lán)牙接口的開發(fā)。軟件核心代碼內(nèi)容依次為:申請(qǐng)權(quán)限,打開藍(lán)牙,搜索設(shè)備,連接設(shè)備,設(shè)備通信,斷開連接。設(shè)備通信又可以分為:等待設(shè)備連接成功,開啟掃描服務(wù),獲取負(fù)責(zé)通信的 BluetoothGatt-Characteristic,開啟監(jiān)聽,寫入數(shù)據(jù),接收數(shù)據(jù)。
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,無異?,F(xiàn)象,且具有更強(qiáng)的魯棒性。