基于CC2540的藍(lán)牙4.0物品標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)

強(qiáng)孫源 廖家舟 何壯

摘要：以TI公司CC2540超低功耗藍(lán)牙片上系統(tǒng)為核心器件，設(shè)計(jì)了一套內(nèi)置BLE4.0協(xié)議物品標(biāo)簽自動(dòng)識(shí)別與報(bào)警系統(tǒng)。闡述了藍(lán)牙無(wú)線通信物品標(biāo)簽識(shí)別的硬件框架及軟件流程，該系統(tǒng)可與BLE4.0協(xié)議的物品標(biāo)簽進(jìn)行無(wú)縫連接，圍繞最小功耗設(shè)計(jì)，具有功耗低、小型化、可靠性好、生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：CC2540;BLE4.0;超距離報(bào)警;天線及匹配電路;物品標(biāo)簽識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP334? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）28-0213-02

Abstract： With TI CC2540 ultra-low power bluetooth chip system as the core device， a set of built-in BLE4.0 protocol item label automatic identification and alarm system is designed. The hardware framework and software flow of Bluetooth wireless communication item label recognition are described. The system seamlessly interfaces with the BLE4.0 protocol item label and is designed around minimal power consumption， which has the characteristics of low power consumption， miniaturization， good reliability and low production cost.

Key words： CC2540; BLE4.0; over distance alarm; antenna and matching circuit; item tag recognition

1 背景

在日常生活中，人們?nèi)菀自诓唤?jīng)意間將隨身物品遺失，利用超低功耗的藍(lán)牙設(shè)備，對(duì)物體標(biāo)簽進(jìn)行識(shí)別和監(jiān)測(cè)具有重要的實(shí)際意義。基于BLE技術(shù)的CC2540[1]藍(lán)牙低功耗SOC作為核心控制器件，與藍(lán)牙4.0協(xié)議的物品標(biāo)簽進(jìn)行無(wú)縫連接，進(jìn)行射頻信號(hào)的采集與處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)牙數(shù)據(jù)的收發(fā)與存儲(chǔ)。該系統(tǒng)體積小、功耗低、易于實(shí)現(xiàn)。可實(shí)際制作為防丟器，保護(hù)易丟失的物件，或者近距離尋找物品。

2 CC2540的簡(jiǎn)介及藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 CC2540芯片介紹

美國(guó)德州儀器的CC2540是一款高性價(jià)比、低功耗的藍(lán)牙解決方案[2]。內(nèi)部包含一個(gè)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051MCU內(nèi)核、高性能2.4GHZ 射頻收發(fā)器，已成為市場(chǎng)上靈活的單模式藍(lán)牙低功耗解決方案。

2.2 藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

藍(lán)牙技術(shù)為一種通用的短距離無(wú)線連接協(xié)議，在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域都有廣泛的運(yùn)用[3]。國(guó)際統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙產(chǎn)品使公用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高速無(wú)線連接，與各類網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)從而方便在網(wǎng)絡(luò)上瀏覽信息、共享資源。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)總體框架

本系統(tǒng)主要利用CC2540片上系統(tǒng)對(duì)藍(lán)牙射頻信號(hào)的接收和處理[4]，系統(tǒng)可分為兩個(gè)部分：

第一部分：接收射頻信號(hào)，內(nèi)置BLE4.0的物品標(biāo)簽發(fā)出的藍(lán)牙信號(hào)，通過(guò)天線及藍(lán)牙匹配電路接收。

第二部分：由芯片內(nèi)部的8051內(nèi)核對(duì)藍(lán)牙信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，寄存器數(shù)值表示為強(qiáng)度值，對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行周期性檢測(cè)，判斷所標(biāo)簽的物品與系統(tǒng)主機(jī)的距離。

除此之外，系統(tǒng)還可以對(duì)所連接的物品標(biāo)簽進(jìn)行定位，通過(guò)對(duì)外部按鍵的操作，系統(tǒng)給所連接的物品標(biāo)簽發(fā)出信號(hào)，從而使物品標(biāo)簽本身蜂鳴器啟動(dòng)。系統(tǒng)的整體硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

硬件系統(tǒng)可分為接收模塊、微處理器模塊、電源及人機(jī)接口模塊。通過(guò)藍(lán)牙印制倒F形狀的PCB天線來(lái)接受原始的射頻信號(hào)[5，6]。接收數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在寄存器中，根據(jù)數(shù)據(jù)的值來(lái)識(shí)別物品標(biāo)簽、判斷距離。并采用TPS62730芯片為系統(tǒng)提供平穩(wěn)的電流。

3.2 藍(lán)牙模塊主控芯片

主控芯片采用TI公司的CC2540藍(lán)牙單芯片解決方案，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理。CC2540芯片外部接口電路如圖2所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件設(shè)計(jì)

首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，啟動(dòng)操作系統(tǒng)，啟動(dòng)操作系統(tǒng)的里面包含了：檢測(cè)是否創(chuàng)建任務(wù)、開(kāi)機(jī)創(chuàng)建任務(wù)、檢測(cè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)并進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)度。然后開(kāi)始執(zhí)行任務(wù)。CC2540串口對(duì)天線及匹配電路接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和存儲(chǔ)，建立距離與信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系，定時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值，當(dāng)數(shù)據(jù)超出一定范圍觸發(fā)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。CC2540節(jié)點(diǎn)設(shè)備與物品標(biāo)簽之間的識(shí)別及數(shù)據(jù)傳輸操作流程如下：

1）物品標(biāo)簽發(fā)起掃描請(qǐng)求，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備發(fā)射廣告，兩者均為BLE4.0協(xié)議可以相匹配，建立連接。

2）物品標(biāo)簽與外設(shè)建立連接關(guān)系，并等待UUID進(jìn)入數(shù)據(jù)服務(wù)狀態(tài)。

3）返回狀態(tài)數(shù)據(jù)給標(biāo)簽，進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

物品標(biāo)簽掃描發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)備并與之建立連接，即物品標(biāo)簽的識(shí)別流程圖如圖3所示。

物品標(biāo)簽識(shí)別CC2540節(jié)點(diǎn)設(shè)備并與之建立連接后，進(jìn)行服務(wù)發(fā)現(xiàn)、信號(hào)強(qiáng)度的檢測(cè)及信號(hào)強(qiáng)度傳輸。實(shí)時(shí)地檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度值并保存在存儲(chǔ)器中，與規(guī)定的上限值進(jìn)行比較，超出范圍則啟動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。信號(hào)的檢測(cè)報(bào)警流程如圖4所示。

4.2 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)與內(nèi)置BLE4.0協(xié)議的物品標(biāo)簽互相識(shí)別后成功連接，CC2540集中器對(duì)接收到物品標(biāo)簽發(fā)出的無(wú)線數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在超出預(yù)定范圍后進(jìn)行報(bào)警。

5 結(jié)束語(yǔ)

BLE4.0技術(shù)是應(yīng)用范圍廣泛的藍(lán)牙技術(shù)，繼承傳統(tǒng)藍(lán)牙短距離傳輸?shù)目煽啃栽偃谌敫咚?、低功耗技術(shù)。本文設(shè)計(jì)的標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)采用小型鋰電池作為供電系統(tǒng)，在低功耗技術(shù)基礎(chǔ)上以極低的運(yùn)行和待機(jī)功耗可以使設(shè)備連續(xù)工作幾個(gè)月甚至幾年之久。另外，3mS的啟動(dòng)提高傳送距離，擁有AES—128安全加密，整個(gè)系統(tǒng)安全可靠?？蓪?shí)際應(yīng)用于體育、醫(yī)療、家庭日常生活等眾多的領(lǐng)域。

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