藍(lán)牙BLE模塊系統(tǒng)

BLE軟硬件模塊及系統(tǒng)組成

本文基于BLE模塊，方案從硬件電路的選型設(shè)計(jì)，到軟件功能的實(shí)現(xiàn)，最后組成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備的定位控制；1.物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是智能設(shè)備硬件模塊，2.物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)是將智能設(shè)備模塊嵌入的電器設(shè)備中并配以軟件的支持，3.物聯(lián)網(wǎng)到室內(nèi)定位控制系統(tǒng)是在完成1、2的基礎(chǔ)上加入算法模型，本文將詳細(xì)介紹BLE的硬件與軟件部分。

一、BLE硬件系統(tǒng)模塊

硬件電路的設(shè)計(jì)主要有3個(gè)重要模塊和1個(gè)功能模塊，3個(gè)重要模塊為主控設(shè)計(jì)、電源設(shè)計(jì)、天線設(shè)計(jì)，本文將主控模塊和電源模塊歸納入主控電路設(shè)計(jì)，下文將詳細(xì)介紹。

1.1主控電路設(shè)計(jì)

本課題設(shè)計(jì)采用CSR公司的CSR1010作為CPU主控芯片，其特性是：擁有64KB的運(yùn)行內(nèi)存和64KB的儲(chǔ)存內(nèi)存、藍(lán)牙低功耗輸出的最大功率為75dBm、藍(lán)牙低功耗接收信號(hào)的功率下限為-92.5dBm、支持藍(lán)牙4.2規(guī)范，主機(jī)協(xié)議棧包括ATT、GATT、SM、L2CAP、GAP等，睡眠模式下電流小于900nA、采用32.768KHz和16MHz的雙晶振系統(tǒng)時(shí)鐘，前者用于睡眠模式下，而后者為正常工作時(shí)鐘、開關(guān)電源供電、可編程的通用PIO控制器、10位高精度的內(nèi)置ADC、12個(gè)數(shù)字的PIO口、3個(gè)模擬的AIO口、支持UART串口通信，I2C通信、SPI總線對EEPROM燒寫、外置flash芯片、支持SPI仿真、支持4路PWM模式、中斷喚醒和看門狗功能。設(shè)計(jì)的總原理圖如圖4.1所示：

（1）EEPROM電路設(shè)計(jì)：CSR1010不存在內(nèi)嵌的程序存儲(chǔ)器，因此在設(shè)計(jì)時(shí)外接了一塊存儲(chǔ)容量為512Kb的EEPROM芯片，芯片型號(hào)為AT24C512，對模塊小型化的要求，封裝選為8-lead SOIC，其中1、2、3引腳為地址位，4和8分別為GND和VCC，5為數(shù)據(jù)引腳SDA，6為時(shí)鐘引腳SCL，7為寫保護(hù)引腳。其原理設(shè)計(jì)如圖4.2所示：通過SPI總線將程序燒入該芯片。

（2）時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)：芯片采用的低功耗設(shè)計(jì)方案是：正常模式和睡眠模式相互交替工作來實(shí)現(xiàn)低功耗輸出。睡眠模式下采用低速時(shí)鐘，其晶振頻率為32.768KHz，工作模式下采用則采用晶振頻率為16MHz的高速時(shí)鐘，這種雙晶振的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)是：時(shí)鐘更加準(zhǔn)確，減少內(nèi)部時(shí)鐘分頻帶來的損耗，其電路設(shè)計(jì)如圖4.3所示：

（3）電源電路設(shè)計(jì)：電源模塊的設(shè)計(jì)是保證整個(gè)電路穩(wěn)定工作的首要因素，輸入電源模塊和驅(qū)動(dòng)電路模塊設(shè)計(jì)如圖4.5所示：VDD_BAT即輸入的總電源，其閾值大小在1.8v~4.4v之間，將47uf的大電容并接一個(gè)鐵氧體（在總電路設(shè)計(jì)中畫出），實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和濾波，防止沖擊電流對電路的損壞；VBAT_REG_IN和VDD_CORE的閾值大小是0.8v~1.35v以及0.65v~1.2v，這兩部分模塊的功能是為數(shù)字電路模塊提供穩(wěn)定的工作電壓，可通過軟件編程實(shí)現(xiàn)VDD_CORE的電壓控制。

課題研究的一項(xiàng)重要工作是將BLE智能控制模塊嵌入電器中，在電源上實(shí)現(xiàn)工頻電到直流電的轉(zhuǎn)化；設(shè)計(jì)中對24v恒壓直流電進(jìn)行降壓穩(wěn)壓處理，導(dǎo)出3.3v恒壓源供給芯片使用，即圖4.5中的VDD_BAT等于3.3v，具體設(shè)計(jì)電路原理圖如圖4.6所示：

圖中VBAT為輸入的電壓24v，采用5.6v的穩(wěn)壓二極管和J3Y的三極管組成放大電路，輸出5v電壓給LM117供電，其中LM117是穩(wěn)壓IC芯片，本設(shè)計(jì)采用LM117-3.3型號(hào)，即輸入電壓控制4.75v~10v，輸出電壓恒定為3.3v，電流閾值為0~1A。

1.2天線電路設(shè)計(jì)

天線的匹配程度將直接影響電磁波信號(hào)的傳輸質(zhì)量、傳輸距離與信道模型的準(zhǔn)確性。藍(lán)牙常用的天線有倒F天線、蛇形天線和集成的陶瓷天線，這里介紹前兩種類型。

（1）倒F天線：倒F天線是一種四分之一波長的天線，天線有兩個(gè)方向，一端接GND，另一端作為射頻信號(hào)的發(fā)射末端，反饋點(diǎn)位于兩端之間，這種結(jié)構(gòu)的天線結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)方便，成本低；它的缺點(diǎn)是帶寬較窄。

（2）蛇形天線：蛇形天線的長度取決于它的幾何結(jié)構(gòu)和近地距離，本文參照蛇形天線的物理性質(zhì)，通過HFFS仿真設(shè)計(jì)獲得天線的模型結(jié)構(gòu)。根據(jù)藍(lán)牙的工作頻段該天線的中心頻率為2.44GHz；本課題的板材選用FR4，相應(yīng)的介電常數(shù)為4.5，損耗角為0.02，板厚選擇為0.8cm，其中，芯片的7引腳是RF端口，理論上需要將端口后的特性阻抗匹配到50?，因此通過HFSS軟件仿真，獲取天線的長度和寬度。

1.3功能電路設(shè)計(jì)

BLE最小系統(tǒng)板引出多個(gè)I/O口實(shí)現(xiàn)與功能電路的對接，CSR1010芯片一共有32個(gè)引腳，其中有12個(gè)PIO引腳，設(shè)計(jì)時(shí)利用PIO9、PIO10和PIO11三個(gè)引腳作為功能模塊的輸出端口，輸出端口接三級(jí)管驅(qū)動(dòng)電路，通過I/O口輸出的高低電平使三極管工作在開關(guān)狀態(tài)，即飽和狀態(tài)和截止?fàn)顟B(tài)的交互變化，其中三極管的集電極接上拉負(fù)載。

二、BLE軟件模塊

軟件功能的實(shí)現(xiàn)分為2大模塊：首先，是CSR1010主控CPU芯片的編程，驅(qū)動(dòng)智能設(shè)備工作，實(shí)現(xiàn)多個(gè)智能設(shè)備之間通信與電器設(shè)備的直接控制；然后，對移動(dòng)終端的編程與軟件優(yōu)化，完成用戶與智能控制設(shè)備之間的信息交互與電器設(shè)備的間接控制。

2.1藍(lán)牙相關(guān)協(xié)議

BLE的協(xié)議棧是實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙相關(guān)功能的基礎(chǔ)，BLE4.2的協(xié)議棧中主要分為兩大模塊1.主機(jī)（host）和2控制器（controller），其協(xié)議框架如圖4.10所示。其中控制器主要包括BLE的物理層協(xié)議以及鏈路層協(xié)議在此不再贅述，主機(jī)層從下往上包含了邏輯鏈路控制適配協(xié)議（L2CAP）、屬性協(xié)議（ATT）、安全管理器（SM）、通用屬性協(xié)議（GATT）和通用訪問協(xié)議(GAP)。

（1）邏輯鏈路控制適配協(xié)議（L2CAP）：L2CAP是BLE協(xié)議棧的核心之一，是基帶的上層協(xié)議，它的功能是將基帶遞交的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為分組的格式，以便上層應(yīng)用的調(diào)用，且只支持異步無連接數(shù)據(jù)（ACL）。L2CAP根據(jù)不同功能定義了3種信道：1.用于多個(gè)設(shè)備之間的面向連接信道，2.作為廣播的無連接信道，3用于創(chuàng)建命令的信令信道。

（2）通用屬性協(xié)議（GATT）：GATT是建立BLE連接的基礎(chǔ)，主要功能是發(fā)送或者接收信號(hào)的屬性數(shù)據(jù)段，實(shí)現(xiàn)2個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)交換，它通過定義服務(wù)（Service）和特征（Characteristic）實(shí)現(xiàn)BLE的通信，其中一個(gè)服務(wù)下包含了多個(gè)特征數(shù)據(jù)段，每個(gè)特征都具有唯一標(biāo)識(shí)的16比特或者128比特的UUID；在連接方面，GATT定義了一個(gè)Master主控設(shè)備，能同時(shí)連接多個(gè)Peripheral從設(shè)備，因此在實(shí)驗(yàn)過程中可以出現(xiàn)一個(gè)移動(dòng)終端能同時(shí)控制多個(gè)BLE設(shè)備，而一個(gè)BLE設(shè)備只能被一臺(tái)移動(dòng)終端連接控制，它實(shí)現(xiàn)的原理是一個(gè)BLE設(shè)備被連接后將不再發(fā)送請求連接信號(hào)；這里引入了多個(gè)BLE設(shè)備自組網(wǎng)的概念，即從設(shè)備會(huì)間歇性的發(fā)給主設(shè)備請求被連接信號(hào)。

（3）通用訪問協(xié)議(GAP)：在BLE協(xié)議框架中GAP是面向應(yīng)用層的協(xié)議，它定義了BLE設(shè)備的2種通信方式：連接通信和廣播通信；同時(shí)上文提到的主設(shè)備與從設(shè)備是在GAP規(guī)范中定義的，通過HCI命令實(shí)現(xiàn)設(shè)備的掃描、連接、通信、中斷等功能。其中廣播通信有2種實(shí)現(xiàn)方式，廣播數(shù)據(jù)與掃描回復(fù)，前者是作為信號(hào)發(fā)生器向外輻射廣播，后者實(shí)現(xiàn)了來自GATT層數(shù)據(jù)的處理。

2.2驅(qū)動(dòng)模塊

智能設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊編程，涉及藍(lán)牙協(xié)議規(guī)范的編寫，以及軟件驅(qū)動(dòng)層實(shí)現(xiàn)電路功能，使用的軟件為CSRμEnergy SDK 2.4.5.13(xIDE)；APP設(shè)計(jì)是在移動(dòng)終端設(shè)備上編程，實(shí)現(xiàn)用戶信息的交換，這里采用Android4.3系統(tǒng)與android studio編程環(huán)境。

（1）驅(qū)動(dòng)模塊：軟件驅(qū)動(dòng)模塊分為3部分內(nèi)容：協(xié)議規(guī)范的實(shí)現(xiàn)、I/O口編程實(shí)現(xiàn)電路功能和Mesh自組網(wǎng)驅(qū)動(dòng)編程。

（2）協(xié)議規(guī)范的編寫主要是GAP和GATT這兩點(diǎn)內(nèi)容：GAP實(shí)現(xiàn)的功能函數(shù)：將BLE設(shè)備名稱寫入EEPROM gapWriteDeviceNameToNvm()、更新設(shè)備名稱updateDeviceName()、對GATT的信息進(jìn)行讀操作GapHandleAccessRead（）、對GATT的信息進(jìn)行寫操作GapHandleAccessWrite（）等；GATT實(shí)現(xiàn)的功能函數(shù)有：設(shè)置廣播參數(shù)gattSetAdvertParams（）、廣播定時(shí)器執(zhí)行g(shù)attAdvertTimerHandler（）、開始廣播GattStartAdverts（）以及停止廣播GattStopAdverts（）。如圖4.11所示：該圖表示BLE智能設(shè)備在協(xié)議規(guī)范中注冊、廣播與連接的流程圖。

（3）I/O編程：首先，初始化應(yīng)用的時(shí)鐘、硬件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，注冊固件在數(shù)據(jù)庫中的屬性，編寫系統(tǒng)事件驅(qū)動(dòng)；然后，對CPU芯片的12個(gè)PIO口以及一些寄存器進(jìn)行編寫，其中包括對4路PWM進(jìn)行設(shè)置，它實(shí)現(xiàn)的方式是通過調(diào)制脈沖頻率、周期、占空比，實(shí)現(xiàn)對三極管電路的開關(guān)頻率的控制；并以查找表的形式輸出電流，即查找預(yù)設(shè)表中所對應(yīng)的輸出值。

（4）Mesh自組網(wǎng)編程：主要通過幾個(gè)功能函數(shù)對Mesh信息的處理，包括數(shù)據(jù)初始化、讀/寫GATT的消息、通知和答復(fù)GATT從設(shè)備、以及對Mesh事件的編寫；BLE設(shè)備在Mesh網(wǎng)絡(luò)有3種狀態(tài)：未連接、連接中、已連接，其中連接中狀態(tài)到已連接需要發(fā)送網(wǎng)絡(luò)密鑰。

2.3APP設(shè)計(jì)

APP軟件的功能是實(shí)現(xiàn)了對功能電路的控制和室內(nèi)定位導(dǎo)航的控制；課題采用基于android4.5系統(tǒng)的移動(dòng)終端，其中，BLE功能模塊對android系統(tǒng)的最低要求是4.3版本，該版本以上(包括4.3)系統(tǒng)提供了BLE的適配器、管理器等功能模塊；其實(shí)現(xiàn)步驟為1.藍(lán)牙管理器（BluetoothManager）對象實(shí)例化，2.通過BluetoothManager獲取藍(lán)牙適配器（BluetoothAdapter）的實(shí)例化對象，3.打開藍(lán)牙即對適配器的實(shí)例化對象使能，4.搜索藍(lán)牙，5.創(chuàng)建藍(lán)牙設(shè)備，并連接。

三、BLE智能設(shè)備控制系統(tǒng)及功能架構(gòu)

CSR1010芯片設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)板作為智能設(shè)備的控制單元，功能電路設(shè)計(jì)為智能照明的MESH燈，將最小系統(tǒng)板嵌入功能電路模塊，實(shí)現(xiàn)手機(jī)移動(dòng)終端對該智能設(shè)備的控制；在室內(nèi)部署智能控制設(shè)備作為BLE基站，并向空間輻射信號(hào)，每個(gè)基站發(fā)射出具有唯一UUID標(biāo)識(shí)碼的廣播信號(hào)，通過不同基站組建的RSSI網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位的控制與導(dǎo)航。系統(tǒng)框架依次為移動(dòng)終端、最小系統(tǒng)板、功能照明模塊。對于復(fù)雜的室內(nèi)空間，部署B(yǎng)LE智能照明設(shè)備的間隔距離為8米，有效的控制精度與成本。

總結(jié)

本文首先從芯片選型與功能結(jié)構(gòu)方面介紹硬件電路的設(shè)計(jì)，包括時(shí)鐘電路、天線電路、功能電路、及電源驅(qū)動(dòng)電路；然后，軟件方面先從L2CAP、GATT、GAP等介紹了BLE協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用，以及功能驅(qū)動(dòng)模塊與Mesh自組網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)，再結(jié)合手機(jī)終端簡述了智能設(shè)備控制與室內(nèi)定位導(dǎo)航、路徑規(guī)劃等功能實(shí)現(xiàn)的原理；最后，簡要概述室內(nèi)定位控制系統(tǒng)的架構(gòu)組成。

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