基于藍牙4.0的教室人數(shù)監(jiān)測智能系統(tǒng)設(shè)計

鄭大偉，魏智鵬，魏雪萍

（1.福州大學 物理與信息工程學院，福州350108；2.沈陽工業(yè)大學；3.國家海洋局寧德海洋環(huán)境監(jiān)測中心站）

引 言

智能人數(shù)統(tǒng)計、環(huán)境監(jiān)測等系統(tǒng)，一直以來備受無線通信及電子行業(yè)的高度關(guān)注，并被廣泛應(yīng)用于機場、車站、劇院等人流量較大且空間有限的環(huán)境資源中。教室作為現(xiàn)在大學生最為熟悉的學習場所，其環(huán)境的優(yōu)劣直接關(guān)系到學生的學習效率。教室人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)作為出勤率統(tǒng)計的輔助系統(tǒng)，一方面，服務(wù)于教師，使教師能將精力集中于教學活動而非出勤率考量活動（點名或簽到）；另一方面，便于學校教師管理部門實時獲得教室利用率等信息的傳遞與反饋，從而合理安排教室資源，同時也有助于同學快速了解教室使用情況。

藍牙無線技術(shù)是使用范圍廣泛的全球短距離無線標準之一，藍牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）于2010年7月發(fā)布了藍牙4.0版本核心規(guī)范，自此藍牙邁入了4.0時代。藍牙4.0規(guī)范的核心是低功耗技術(shù)，即藍牙4.0BLE。該技術(shù)最大特點是擁有超低的運行功耗和待機功耗，藍牙低功耗設(shè)備使用一粒紐扣電池便可以持續(xù)工作數(shù)年之久。同時，該設(shè)備可以應(yīng)用于對成本和功耗都有嚴格要求的無線方案，并廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健、體育健身、家庭娛樂、傳感器物聯(lián)網(wǎng)等眾多領(lǐng)域[1]。

因此，本文設(shè)計了一種基于最新藍牙4.0技術(shù)的教室人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)，相比于已有的人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)[2]，具有低成本、低功耗和更好的通用性能，擴展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能手機、平板電腦等移動終端上的應(yīng)用，具有很高的實用價值和參考價值。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要由CC2540射頻單片機[3]、液晶顯示器、紅外光電傳感器、溫濕度傳感器及WiFi模塊組成，分為教室前門和后門兩個子系統(tǒng)，其中，前門藍牙模塊作為主節(jié)點（Central），而后門藍牙模塊作為從節(jié)點（Peripheral）。與后門系統(tǒng)相比，前門系統(tǒng)多了一個WiFi模塊，其主要作用是為手機終端和上位機提供連接。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 硬件設(shè)計總體框圖

前后門子系統(tǒng)的溫濕度傳感器和光電傳感器負責采集教室的溫濕度、人數(shù)信息，前門（后門）子系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)通過藍牙4.0協(xié)議發(fā)送到后門（前門）子系統(tǒng)，接收到的數(shù)據(jù)將通過液晶顯示器顯示在門口，也可以通過WiFi發(fā)送給上位機監(jiān)控終端和手機終端。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 處理器單元

主控單元以CC2540射頻單片機為核心，CC2540是TI公司推出的集成了2.4 GHz射頻收發(fā)器、完全兼容8051內(nèi)核的無線射頻單片機，它與藍牙低功耗協(xié)議棧共同構(gòu)成高性價比、低功耗的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，非常適合藍牙低功耗應(yīng)用。它也包含了豐富的硬件資源，包括21個通用I/O口、8通道12位ADC、3個通用定時器、2個串口、5通道DMA，支持SPI、USB等。

CC2540外圍電路簡單，外接幾個阻容器件構(gòu)成的濾波電路和PCB天線即可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的構(gòu)建。CC2540最小系統(tǒng)主要由32 MHz片外晶振、32 k Hz睡眠晶振、復位電路、＋5 V電源及去耦電容、射頻阻抗匹配電路及單極性PCB天線組成。如果芯片不需要休眠，32 k Hz晶振可以不用。CC2540芯片外部接口電路如圖2所示。

圖2 CC2540接口電路

其中，L1為磁珠，型號為BLM15HG102SN1D，其在100 MHz時，阻抗為1 kΩ。

2.2 WiFi模塊

人數(shù)統(tǒng)計模塊與服務(wù)器端通過WiFi模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，一般校園內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)都使用WiFi覆蓋并且會覆蓋每一個教室，為了節(jié)約成本，可以合理利用現(xiàn)有的資源，實現(xiàn)每個數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊與服務(wù)器之間的無線通信。

WiFi模塊選用的芯片是海凌科電子推出的低成本模塊HLK-RM04，該模塊是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標準的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶串口、以太網(wǎng)、無線網(wǎng)（WiFi）3個接口之間的轉(zhuǎn)換[4]。通過HLK-RM04模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸自己的數(shù)據(jù)。HLK-RM04模塊通過串口與CC2540相連。

2.3 傳感器模塊

溫濕度傳感器采用瑞士Scnsirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片SHT11。其主要特點如下：將溫度感測、濕度感測、信號變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個芯片上；提供二線數(shù)字符串行接口，接口簡單、傳輸可靠性高、測量精度可編程調(diào)節(jié)、測量精確度高、封裝尺寸超小，測量和通信結(jié)束后，自動轉(zhuǎn)入低功耗模式[5]。將其數(shù)據(jù)線接口外接上拉電阻，電源與地之間加上100 nF去耦電容，CC2540就可以用它來采集溫濕度信息。

光電傳感器選用的是上海泰武電器有限公司型號為E3F-DS304C的光電傳感器，其本身已經(jīng)將放大器LM324、電阻等外圍器件集成在該模塊內(nèi)，并引出三根線，分別是地線、數(shù)據(jù)線和電源線。只要將數(shù)據(jù)線直接接在CC2540的外部中斷接口并接好電源和地線，就可以實現(xiàn)計數(shù)的功能。在前后門系統(tǒng)各裝兩個光電傳感器，并排架設(shè)，一前一后。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計是根據(jù)藍牙4.0BLE協(xié)議[6]，在藍牙4.0BLE協(xié)議棧基礎(chǔ)上構(gòu)建節(jié)點應(yīng)用程序，實現(xiàn)藍牙設(shè)備的互聯(lián)以及無線數(shù)據(jù)的發(fā)送。此協(xié)議棧不僅完全支持CC2540芯片的單模模式，而且還具有結(jié)構(gòu)簡單、清晰、兼容性高以及可以免費下載等優(yōu)點，極大地節(jié)省了系統(tǒng)開發(fā)的成本。

協(xié)議棧代碼以C語言為基礎(chǔ)，具有很強的易讀性，開發(fā)人員只需要修改部分代碼便能實現(xiàn)相應(yīng)的特定功能，節(jié)省了軟件開發(fā)的時間及成本。協(xié)議棧的實現(xiàn)方式采用分層的思想，從下到上一共分了8層，分別為物理層、鏈路層、控制接口層、邏輯鏈路控制及自適應(yīng)協(xié)議層、安全管理層、屬性協(xié)議層、通用訪問配置文件層（GAP）、通用屬性配置文件層（GATT），掌握與應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)層（GAP和GATT）就可以滿足大部分設(shè)計需要。

在使用BLE協(xié)議棧進行應(yīng)用程序開發(fā)過程中，開發(fā)者不必關(guān)心BLE協(xié)議棧的具體細節(jié)，但要求其對BLE協(xié)議棧的基本構(gòu)成和內(nèi)部工作原理有個清晰的認識。關(guān)于藍牙4.0協(xié)議棧的內(nèi)容可以看相關(guān)參考文獻作進一步的了解。

軟件的設(shè)計主要包括3部分：一是溫濕度和人數(shù)數(shù)據(jù)的采集與處理，二是無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，三是上位機與手機終端的設(shè)計。

3.1 溫濕度和人數(shù)數(shù)據(jù)的采集與處理

溫濕度傳感器SHT11是I2C總線接口，由于CC2540沒有I2C總線接口（CC2541有I2C總線接口），因此采用模擬I2C總線進行數(shù)據(jù)的讀寫，SHT11的驅(qū)動程序需要參考SHT11的數(shù)據(jù)手冊，這里不再詳述。而對于進出人數(shù)的判斷，主要是利用進出門時兩個光電傳感器所產(chǎn)生的信號順序進行判斷。比如，前門系統(tǒng)放著的兩個光電傳感器分別為A和B，當人走進教室時，A先產(chǎn)生信號，B后產(chǎn)生信號，此時判斷有一個人進了教室；而當人走出教室時，B先產(chǎn)生信號，A后產(chǎn)生信號，此時判斷有一個人出了教室。人數(shù)采集流程如圖3所示。

圖3 人數(shù)采集流程圖

3.2 無線數(shù)據(jù)的收發(fā)

藍牙節(jié)點組網(wǎng)中，只能存在一個主節(jié)點和單個或者多個從節(jié)點，從節(jié)點是發(fā)出信號者，主節(jié)點是掃描且發(fā)起連接者[7]。當從節(jié)點發(fā)出廣告信號（包括設(shè)備地址和設(shè)備名稱之類的附加信息），主節(jié)點收到此廣告信號后，向從節(jié)點發(fā)出掃描請求，當從節(jié)點回應(yīng)掃描時，就完成了設(shè)備發(fā)現(xiàn)過程。接著主節(jié)點向從節(jié)點發(fā)出連接請求（包括連接時隙、從節(jié)點待機次數(shù)、連接超時值），從節(jié)點回應(yīng)連接，自此主從節(jié)點建立了連接。

藍牙從節(jié)點與主節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸可以分為主節(jié)點向從節(jié)點讀寫和從節(jié)點向主節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)兩種。當主節(jié)點向從節(jié)點讀寫數(shù)據(jù)時，主節(jié)點會調(diào)用GATT＿WriteChar Value或者GATT＿ReadChar Value和從節(jié)點進行通信。

而當從節(jié)點向主節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，從節(jié)點需要通過notify的方式，也就是通過調(diào)用GATT＿Notification發(fā)起和主節(jié)點的通信。在本設(shè)計中，前門系統(tǒng)通過調(diào)用GATT＿WriteChar Value將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給后門系統(tǒng)，后門系統(tǒng)通過調(diào)用GATT＿Notification將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給前門系統(tǒng)，確保了人數(shù)統(tǒng)計的準確性。

在CC2540的設(shè)計應(yīng)用中，低功耗是尤為重要的內(nèi)容，為充分發(fā)揮其作用，同時利用人員進出教室時光電傳感器數(shù)據(jù)接口產(chǎn)生中斷信號的特點，在沒有人員進出教室時，藍牙節(jié)點將處于深度睡眠狀態(tài)（功耗最低，只能通過復位或者中斷喚醒），而當教室有人員進出時，立刻喚醒節(jié)點進行數(shù)據(jù)的采集與傳輸。

3.3 上位機與手機終端的設(shè)計

由控制系統(tǒng)產(chǎn)生的教室人數(shù)、教室溫濕度等數(shù)據(jù)通過WiFi模塊傳給上位機監(jiān)控端，這樣有利于管理人員對教室的管理。當教室沒有人時，管理員可以第一時間知道，去關(guān)掉燈以節(jié)約能源。本次設(shè)計的上位機采用JAVA設(shè)計而成，主要是采用Swing工具實現(xiàn)用戶操作界面，結(jié)合SQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和遠程數(shù)據(jù)的訪問。上位機與人數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊之間采用JAVA自帶的Socket中的UDP協(xié)議實現(xiàn)相互之間的通信。上位機與手機終端之間通過HTTP的POST方式實現(xiàn)全網(wǎng)內(nèi)的無線通信。上位機界面如圖4所示。

圖4 上位機界面

手機終端APP程序設(shè)計是使用Myeclipse2014開發(fā)環(huán)境，在程序中通過JDBC遠程訪問服務(wù)器端的SQL數(shù)據(jù)庫。用戶僅需輸入所要查詢的教室編號，點擊查詢按鈕便可獲得實時的教室信息，并將查詢結(jié)果顯示在下面的Text View中。查詢的結(jié)果包括教室是否有課、教室的人數(shù)和教室的氣溫。手機終端的安卓界面如圖5所示。

結(jié) 語

教室作為一個與學生息息相關(guān)的環(huán)境資源，舒適、安逸的學習環(huán)境可以極大地提高學習效率以及學習積極性。但在現(xiàn)階段，大多數(shù)學校面臨著教室資源的不足，其中很大一部分原因并非教室數(shù)量不足，而是因為缺乏實時數(shù)據(jù)反饋而導致資源的不均衡使用以及學校對教室資源管理不能進行實時的調(diào)控。

本文基于藍牙4.0標準規(guī)范，提出了一種低功耗、高可靠性的教室人數(shù)統(tǒng)計智能系統(tǒng)，其利用藍牙4.0協(xié)議進行無線數(shù)據(jù)的傳輸，并通過WiFi模塊實現(xiàn)藍牙無線網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)之間的互連。

該系統(tǒng)能將采集到的教室內(nèi)的實時人數(shù)和溫濕度信息等用液晶屏幕顯示出來，同時，通過WiFi模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給遠程的上位機，手機等終端設(shè)備也可以通過該模塊查詢教室信息。

圖5 手機終端界面

該系統(tǒng)的實現(xiàn)和推廣既方便了學生，又為教學管理提供了便利。但由于種種原因，此系統(tǒng)還存在一些不足，比如，目前只有安卓系統(tǒng)的客戶端可以查詢教室信息，其應(yīng)用和推廣還有很大限制，希望未來能夠在如iOS系統(tǒng)等客戶端上進行數(shù)據(jù)查詢。

[1]Bluetooth Special Interest Group.Bluetooth Specification Version 4.0[EB/OL].（2010-06）[2014-09].http：//www.bluetooth.org.

[2]祁國鵬，何偉東，徐哲壯.基于ZigBee的無線室內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計系統(tǒng)設(shè)計[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2014（9）：10-12.

[3]Texas Instruments.CC2540/41 System-on-Chip solution for 2.4-GHz Bluetooth low energy application user’s guide[EB/OL].（2012-04）[2014-09].http//ww w.ti.com/lit/ug/swrul91e/swml91e.pdf.

[4]王贊森，馬維華.手機WiFi熱點的電子秤自動質(zhì)監(jiān)系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2014（4）：21-24.

[5]姜連祥，許培培.溫濕度傳感器SHT11的感測系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007（4）：49-51.

[6]Texas Instruments.CC2540 Bluetooth Low Energy Software Developer’s Guide[EB/OL].[2014-09]，http//www.ti.com/tool/ble-stack.

[7]歐陽駿，陳子龍，黃宇淋.藍牙4.0 BLE開發(fā)完全手冊一物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)技術(shù)實踐[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013.