基于藍牙4.0的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計

郭曉光　馮思奇

摘 要：針對國內(nèi)外一些可穿戴式智能設備的無線傳感節(jié)點的設計方案，有一些是基于集成了無線傳輸協(xié)議的控制器，它們有數(shù)字處理能力有限，硬件系統(tǒng)固定，缺乏單元靈活性，特別不利于多路參數(shù)并行處理的問題，設計了一種基于藍牙4.0的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。使用了基于藍牙4.0技術(shù)的CC2540芯片和Xilinx公司的低功耗FPGA芯片，并結(jié)合手機應用程序完成了系統(tǒng)設計。并且在硬件設計和軟件設計上注意降低整個系統(tǒng)的功耗。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)在低功耗設計的基礎上，可以準確地將數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送出去。該系統(tǒng)具有低功耗、低成本、開發(fā)難度小等特點，可適用于可穿戴式智能設備等領域。

關鍵詞：CC2540；藍牙4.0；BLE；FPGA

引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、技術(shù)進步和高性能低功耗處理芯片的推出等，一些穿戴式智能設備已經(jīng)從概念化走向商用化[1]，而一些穿戴式智能設備本質(zhì)就是帶三軸、六軸加速度傳感器或心率傳感器的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。微電子技術(shù)的快速發(fā)展，使FPGA芯片在成本、集成度和功耗等方面已能滿足社會發(fā)展各個方面的需求。特別是基于FPGA的SOC概念，結(jié)合了硬件軟件協(xié)同工作的優(yōu)點，實現(xiàn)上層任務和底層硬件的有機融合。可以預見，在提高無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點的智能程度和靈活程度上，F(xiàn)PGA擁有廣闊應用場景。藍牙無線技術(shù)[2]是使用范圍最廣泛的全球短距離無線標準之一。新的藍牙4.0版本它在繼承了藍牙技術(shù)在無線連接上的固有優(yōu)勢的同時，增加了高速藍牙和低功耗藍牙的特點[3]，并且隨著支持藍牙4.0的智能手機的不斷推出，藍牙4.0技術(shù)的優(yōu)勢使其能夠很好的滿足可穿戴式智能設備的應用要求。結(jié)合FPGA和藍牙低功耗兩種技術(shù)的優(yōu)點，文章介紹了一種以FPGA為控制器的SOPC嵌入式系統(tǒng)，使用基于藍牙4.0技術(shù)的CC2540芯片回傳數(shù)據(jù)的無線傳感器節(jié)點。該系統(tǒng)功耗低、使用方便、通用性強，能滿足可穿戴式智能化設備和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)葟V泛的應用要求。

1 系統(tǒng)總體方案設計

本設計選擇了FPGA嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動藍牙協(xié)議棧芯片CC2540。不僅開發(fā)簡單、開發(fā)成本低、通用性強，而且運用FPGA嵌入式開發(fā)系統(tǒng)可更多地節(jié)約FPGA中的工作資源，可適用于大多數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的接口模塊。傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

被采集物理量通過數(shù)字傳感器或者模擬傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊處理之后，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號量，F(xiàn)PGA直接獲取到這些數(shù)字信號量，并進行處理之后傳輸給藍牙模塊，藍牙模塊將這些數(shù)據(jù)發(fā)送至智能手機或帶藍牙接收端的接收設備。

2 硬件設計

2.1 總控芯片選型

本設計選用了Xilinx公司的第六代Spartan系列的XC6SLX9作為主控芯片。此系列FPGA是低風險、低成本和低功耗的最佳平衡，與前幾代器件相比，不僅功耗降低42%，同時性能提高12%。XC6SLX9的工作電壓為3.3V低電壓，有9152個邏輯單元、集成式PCI Express模塊、高級儲存器支持250MHz DSP Slice和3.125Gbps低功耗收發(fā)器。它能夠很好地滿足本設計的要求。

2.2 無線傳輸模塊設計

本設計的無線傳輸模塊的電路設計使用基于藍牙4.0技術(shù)的CC2540[4]芯片。CC2540是TI公司推出的完全兼容藍牙4.0低功耗BLE協(xié)議棧的SOC芯片，CC2540有超低功耗的睡眠模式和運行模式，并且兩種模式的互相轉(zhuǎn)化可以進一步實現(xiàn)超低功耗，這使CC2540可以很好地適用于低功耗系統(tǒng)。它的工作電壓為3.3V低電壓，在發(fā)送模式下電流損耗為19.6mA，待機模式下電流僅為0.4μA。具體的無線傳輸模塊原理圖如圖2所示。

在實際電路設計中可通過CC2540芯片管腳40連接一個1pF的電容實現(xiàn)。在兩個時鐘電路中，其中一個時鐘電路用一個工作頻率為32.768kHz的石英晶振和兩個均為15pF的電容實現(xiàn)，石英晶振接芯片管腳33和32，另一個時鐘電路由一個工作頻率為32 MHz的石英晶振和兩均為12pF的電容實現(xiàn)，32MHz的石英晶振接芯片管腳22和23。RF_N和RF_P這兩個為射頻天線接口，接天線及巴倫匹配電路。巴倫匹配電路能使得單極天線接收的信號轉(zhuǎn)為雙路差分信號時，維持天線的輻射效率，這部分的結(jié)構(gòu)好壞對通信距離，系統(tǒng)功耗都有較大的影響。

3 軟件設計

3.1 BLE協(xié)議棧

系統(tǒng)中的無線設備之間的互聯(lián)和無線數(shù)據(jù)的傳輸是通過CC2540芯片所具有的藍牙4.0 BLE協(xié)議實現(xiàn)的。藍牙4.0 BLE協(xié)議棧包含了藍牙4.0 BLE協(xié)議所規(guī)定的基本功能，協(xié)議棧是以函數(shù)形式來實現(xiàn)這些基本功能的，為了方便管理函數(shù)集，藍牙4.0 BLE協(xié)議棧內(nèi)加入了一個叫做OSAL（操作系統(tǒng)抽象層）的小操作系統(tǒng)。藍牙4.0 BLE協(xié)議棧以及所有的應用程序都是建立在OSAL基礎上的。OSAL是一種支持多任務運行的系統(tǒng)資源分配機制，OSAL負責調(diào)度各個任務的運行，如果有事件發(fā)生了，則會調(diào)用相應的事件處理函數(shù)來處理。

3.2 FPGA與CC2540

XC6SLX9作為主控芯片通過ISE14.2軟件套裝中的EDK軟件完成了嵌入式系統(tǒng)外設的系統(tǒng)架構(gòu)的設計，并且在ISE14.2軟件套裝中的SDK軟件設計工具中完成了與CC2540的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送的C語言編程。

在對芯片CC2540編程時，需要先使用IAR軟件把程序燒錄到CC2540芯片中。在程序燒入后，將藍牙模塊接到FPGA開發(fā)板的串口上。由于CC2540作為MCU和數(shù)據(jù)傳輸兩個功能的使用對于狀態(tài)的控制需要特別安排，以免出現(xiàn)錯誤。配置XC6SLX9和CC2540后得到狀態(tài)轉(zhuǎn)換方式，狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。

CC2540在接通電源后便處于待機狀態(tài)，等待FPGA發(fā)送指令或者數(shù)據(jù)。接收到指令之后，CC2540執(zhí)行相應的操作，便又返回待機狀態(tài)，接收到數(shù)據(jù)之后，CC2540便將接收到的數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送出去。然后繼續(xù)進入待機狀態(tài)?？傊珻C2540在非工作狀態(tài)下一直處于超低功耗待機狀態(tài)。

4 實驗結(jié)果分析

目前有很多設備開始支持藍牙4.0技術(shù)，如移動電話、PC、平板計算機等。本測試是以支持藍牙4.0的iPhone 5s為例，通過在iPhone 5s上運行的lightblue APP，讓手機能夠接收到該節(jié)點采集到的MPU6050六軸加速度數(shù)字傳感器的數(shù)據(jù)，lightblue軟件可以接收數(shù)據(jù)并以十六進制，八進制，二進制以及UTF-8形式顯示。圖4中（a）圖為數(shù)據(jù)顯示選擇界面，（b）圖為數(shù)據(jù)的十六進制顯示界面。

如圖5所示為支持藍牙4.0的安卓手機上運行的APP，測試過程是通過手機APP發(fā)送數(shù)據(jù)，然后藍牙模塊可以接受到數(shù)據(jù)并且通過串口工具在電腦的串口助手軟件上顯示出來。（a）圖為安卓手機APP發(fā)送數(shù)據(jù)界面，（b）圖為串口工具顯示界面。

5 總結(jié)與展望

文章設計了一種以FPGA為控制器，以藍牙4.0技術(shù)為無線通信方式的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，該設計具有低功耗、低成本、開發(fā)難度小、擴展性強、節(jié)點組網(wǎng)簡單和適用范圍廣等特點。對整個節(jié)點的硬件和軟件低功耗設計，使本設計有很好的低功耗特性，增強了節(jié)點的使用壽命。本設計在低功耗的特點下能夠準確地發(fā)送數(shù)據(jù)。并且隨著iPhone系列手機和各種國產(chǎn)智能手機以及平板電腦開始支持藍牙4.0技術(shù)，使本設計有了更廣泛的適用范圍。

參考文獻

[1]金純，賈珍梅，劉魯云，等.基于CC2540的超低功耗藍牙模塊的設計[J].電視技術(shù)，2014，39（1）：60-64.

[2]孫利民，李建中，陳渝.無線傳感網(wǎng)絡[M].北京：清華大學出版社，2005.

[3]歐陽駿，陳子龍，黃寧淋.藍牙4.0BLE開發(fā)完全手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013.

[4]TI.2.4GHz Bluetooth low energy System-on-Chip[EB/OL].[2014-04-08].http//www.ci.com.En/produce/en/CC2540.

[5]盧浩昌.基于FPGA的無線傳感器網(wǎng)絡低功耗節(jié)點設計及實現(xiàn)[D].長沙：中南大學，2012.

作者簡介：郭曉光（1990-），男，山西長治人，碩士研究生，研究方向為超聲無損檢測及信號與信息處理。