面向移動(dòng)終端的藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 毅，葉天翔，馬子超

(重慶郵電大學(xué)通信學(xué)院，重慶 400065)

在近距離無線通信技術(shù)中，ZigBee和藍(lán)牙的應(yīng)用極為廣泛。ZigBee所具有的近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低成本的特點(diǎn)，使其廣泛應(yīng)用于工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、家庭監(jiān)控和安全系統(tǒng)等無線領(lǐng)域［1－2］。然而，ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控軟件大多依賴于PC機(jī)的存在，不能滿足人們所預(yù)期的實(shí)時(shí)監(jiān)控要求。而現(xiàn)有的Zig-Bee手持設(shè)備價(jià)格昂貴、功能簡(jiǎn)單、體積偏大，攜帶起來也不方便。

智能手機(jī)的出現(xiàn)重新定義了手機(jī)的概念。它不僅滿足了人們?nèi)粘Ｍㄐ诺男枨螅⑶揖哂歇?dú)立的操作系統(tǒng)，像個(gè)人電腦一樣支持用戶自行安裝軟件、游戲等第三方服務(wù)商提供的程序，并通過此類程序不斷對(duì)手機(jī)的功能進(jìn)行擴(kuò)充，同時(shí)可通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)接入。在硬件方面，智能手機(jī)的核心處理器不斷升級(jí)，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足了手持設(shè)備的硬件需求。因此，可以設(shè)想在某些近距離通信場(chǎng)合(家庭、車間、樓道等)，設(shè)計(jì)一種支持藍(lán)牙與Zig-Bee相互通信的網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)ZigBee設(shè)備的檢測(cè)和控制。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和理論分析

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由智能手機(jī)、藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)和ZigBee設(shè)備組成。ZigBee設(shè)備集成了傳感器、微處理器和數(shù)據(jù)傳輸接口，分別負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、處理、接收和傳輸。藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的管理，接收節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行解析，然后將轉(zhuǎn)換后的信息發(fā)送至手機(jī)。智能手機(jī)將藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和存儲(chǔ)，并在手機(jī)屏幕上顯示。同樣，手機(jī)也可以通過藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的連接向ZigBee設(shè)備發(fā)送控制指令，實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)ZigBee設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)可行性

藍(lán)牙與ZigBee同屬于2.4 GHz頻段，需要考慮如何處理同在有效傳輸范圍內(nèi)的無線設(shè)備之間的相互干擾。

藍(lán)牙協(xié)議自帶調(diào)節(jié)性跳頻技術(shù)，它具有79個(gè)相互獨(dú)立且隨機(jī)選擇的有效通信頻率，藍(lán)牙設(shè)備可以使用其中的任意一個(gè)頻率，它可以隨時(shí)有規(guī)律地跳向另一個(gè)頻率。由于頻率之間的跳變每秒鐘會(huì)產(chǎn)生1600次，即使處于同一頻段，其持續(xù)的時(shí)間也不會(huì)超過千分之一秒。因此，調(diào)節(jié)性調(diào)頻技術(shù)可以將外界設(shè)備對(duì)藍(lán)牙設(shè)備的干擾降低到最低［3］。

ZigBee系統(tǒng)是非跳頻系統(tǒng)，所以藍(lán)牙在79次通信中才有1次機(jī)會(huì)和ZigBee的通信頻率產(chǎn)生重疊，且將會(huì)迅速跳至另一個(gè)頻率。因此，藍(lán)牙不會(huì)對(duì)ZigBee產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，而ZigBee對(duì)藍(lán)牙系統(tǒng)的影響可以忽略不計(jì)。另一方面，IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)中提供了很多機(jī)制來保證Zig-Bee在2.4 GHz頻段和其他無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的共存能力。

因此，兩種無線協(xié)議可以在2.4 GHz頻段共存。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)由藍(lán)牙模塊與ZigBee模塊組成。其連接圖如圖2所示。

圖2 藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)圖

藍(lán)牙模塊采用CSR公司的BC417143B芯片，它采用藍(lán)牙2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，支持微微網(wǎng)，帶有一路USB接口和兩路串口，采用BGA封裝，能夠與手機(jī)建立通信，有效傳輸距離為10 m，數(shù)據(jù)傳輸速率最大值為3 Mbit/s［4］。

ZigBee模塊采用德州儀器推出的CC2530芯片。它具有如下主要特性［5］:自帶8051處理器內(nèi)核;支持IEEE 802.15.4協(xié)議規(guī)范;具有強(qiáng)大的抗干擾性能，天線接收靈敏度高;采用3種電源模式，功耗更低;具有8通道14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換的ADC;支持AES加密;采用QFN封裝，便于焊接;自帶兩路RS－232串口、1個(gè)16位計(jì)數(shù)器和2個(gè)8位計(jì)數(shù)器。

2.2 藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的軟件結(jié)構(gòu)主要包括ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)的初始化、藍(lán)牙傳感器網(wǎng)絡(luò)的初始化、數(shù)據(jù)傳輸3個(gè)部分。

ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)的初始化包括ZigBee系統(tǒng)時(shí)鐘、堆棧、LED、按鍵、Flash、硬件模塊、MAC層、應(yīng)用框架層、操作系統(tǒng)等初始化。

藍(lán)牙傳感器網(wǎng)絡(luò)的初始化是通過串口向藍(lán)牙模塊發(fā)送AT指令實(shí)現(xiàn)的。其中包括設(shè)置藍(lán)牙模塊的工作角色、獲取模塊藍(lán)牙地址、設(shè)置配對(duì)密碼、設(shè)置串口參數(shù)、初始化SPP規(guī)范庫(kù)、進(jìn)入節(jié)能模式等。

手機(jī)與藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)綁定地址后，進(jìn)行一對(duì)一的數(shù)據(jù)傳輸。在網(wǎng)關(guān)管理層中，藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)將來自手機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，根據(jù)節(jié)點(diǎn)類型獲取ZigBee節(jié)點(diǎn)的短地址。然后通過單播的方式向?qū)?yīng)的節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制信息。節(jié)點(diǎn)收到指令后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，獲取功能指令和操作類型，再產(chǎn)生相應(yīng)的操作，實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)ZigBee節(jié)點(diǎn)的操控。同樣的，該信息的傳遞也是可逆的，ZigBee設(shè)備可以將節(jié)點(diǎn)的傳感器信息通過藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)上傳到手機(jī)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)ZigBee設(shè)備的監(jiān)測(cè)。藍(lán)牙/ZigBee協(xié)議的模型如圖3所示。網(wǎng)關(guān)管理層負(fù)責(zé)兩種協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

圖3 藍(lán)牙/ZigBee協(xié)議的模型

2.3 移動(dòng)終端軟件設(shè)計(jì)

這里采用Windows Mobile操作系統(tǒng)的智能手機(jī)作為監(jiān)控端，它界面類似于PC上的Windows，便于熟悉電腦的人操作。手機(jī)端的軟件開發(fā)工具為Microsoft Visual Studio，它具有豐富的插件，可以提高開發(fā)人員的工作效率。

軟件在架構(gòu)上分為藍(lán)牙虛擬串口驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)解析與存儲(chǔ)、界面功能實(shí)現(xiàn)。其軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 手機(jī)監(jiān)控端應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)圖

串口的驅(qū)動(dòng)是通過構(gòu)造一個(gè)serialPort類來實(shí)現(xiàn)的。serialPort的構(gòu)造函數(shù)中首先以讀寫的方式打開串口，用一個(gè)用于控制以及配置串口通信設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行串口配置。其中，包括串口的串口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位的配置。串口讀和寫是通過serialPort.Read-Byte()和serialPort.Write()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。

根據(jù)節(jié)點(diǎn)的類型、編號(hào)、功能指令的不同，將信息分類，然后將解析后的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。最后，在手機(jī)屏幕上顯示數(shù)據(jù)。

根據(jù)功能的需求，在應(yīng)用層添加功能函數(shù)，實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)ZigBee節(jié)點(diǎn)的控制。

3 通信協(xié)議

根據(jù)ZigBee節(jié)點(diǎn)的類型、編號(hào)、功能指令、操作類型等參數(shù)，定義相應(yīng)的數(shù)據(jù)包格式。在智能終端和ZigBee節(jié)點(diǎn)通信時(shí)，按照統(tǒng)一的指令傳輸數(shù)據(jù)。通信協(xié)議指令包格式如表1所示。

表1 通信協(xié)議指令包格式 byte

4 系統(tǒng)測(cè)試

運(yùn)用上述方案完成藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)，并對(duì)該設(shè)計(jì)進(jìn)行了測(cè)試。

首先，將移動(dòng)終端與藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)建立連接。然后，通過手機(jī)對(duì)相應(yīng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令。最后，對(duì)手機(jī)端接收的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)解析，并在手機(jī)上顯示ZigBee節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的狀態(tài)。測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5 手機(jī)端監(jiān)控界面

測(cè)試表明，經(jīng)過藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)對(duì)ZigBee設(shè)備的控制和檢測(cè)。經(jīng)過后期功能的豐富和完善，可以實(shí)現(xiàn)智能手機(jī)對(duì)ZigBee手持設(shè)備的替換。

5 小結(jié)

現(xiàn)代家庭中，各式各樣的遙控器琳瑯滿目，而且每家擁有的遙控器數(shù)量越來越多，造成了使用上的不便。用手機(jī)替代現(xiàn)有控制器是一種很好地解決辦法，不僅給人們帶來諸多的便捷，而且避免了閑置和丟棄的遙控器產(chǎn)生的大量電子垃圾。

本文設(shè)計(jì)的藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙與ZigBee信息的轉(zhuǎn)換，向移動(dòng)終端添加了ZigBee手持設(shè)備的功能。不僅節(jié)省了ZigBee手持設(shè)備開發(fā)的成本，而且使人們對(duì)ZigBee節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控更加方便。同時(shí)，也證明了在近距離無線通信領(lǐng)域，ZigBee和藍(lán)牙不是相互競(jìng)爭(zhēng)，而是互相補(bǔ)充，可以利用其在各自應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)點(diǎn)，將二者更好地結(jié)合，擴(kuò)展應(yīng)用方案。

［1］高守瑋，吳燦陽(yáng).ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

［2］王銳華，于全.淺析 ZigBee技術(shù)［J］.電視技術(shù)，2004，28(6):33－35.

［3］金純，林金朝，萬寶紅.藍(lán)牙協(xié)議及其源代碼分析［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

［4］BC417143B Data Sheet［EB/OL］.［2011－02－22］.http://www.datasheetarchive.com/pdf.

［5］CC2530 Data Sheet［EB/OL］.［2011－02－22］.http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.