基于无线射频和GPRS网络的林火监测数据采集电路设计

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随着蓝牙技术的迅速发展，目前蓝牙芯片市场涌现出了许多优秀产品。CSR公司的BlueCore系列产品、Bmadcom的BCM系列产品和TI公司的CC2540系列产品都有广泛的应用。其中TI公司的CC2450和CSR公司的CSR1000芯片都非常适用于蓝牙4.0应用解决方案。
       
        本文选用了TI公司的CC2450F128芯片作为蓝牙通信芯片，该芯片提供真正的单片低功耗蓝牙BLE解决方案，能够运行应用程序和BLE协议栈。CC2450F128芯片内部集成了高性能低功耗的8051微处理器核，片内提供来了128KB的Flash存储空间，对外支持UART和USB通信接口，所以非常适用于蓝牙4.0的应用解决方案。
       
        1总体方案设计
       
        该设计为基于蓝牙4.0的设备提供良好的通用方案，有助于研发特定应用的设备。系统总体架构如图1所示。在系统总体架构图中，主要包括两部分：支持蓝牙4.0的手持设备和蓝牙设备。其中支持蓝牙4.0的手持设备可以是诸如智能手机、平板电脑等；蓝牙设备则是本文提供的解决方案。支持蓝牙4.0的手持设备和蓝牙设备之间通过蓝牙4.0协议传输数据，可以为蓝牙耳机、手机防丢应用和无线拍照应用等提供数据方案。

       
       
        图1 系统总体架构框图

         
        从系统总体架构框图中不难看出，该设计方案支持一对多的通信连接，即每个支持蓝牙4.0的手持设备可以同时与多个蓝牙设备建立连接，对应用功能的扩展带了极大便利。
       
        2详细设计与实现
       
        该部分将对系统总体架构框图中的蓝牙设备给出解决方案。此处选用了TI公司的CC2450F128芯片作为蓝牙通信芯片，该芯片最大的特点是能够提供真正的单片低功耗蓝牙BLE解决方案，能够运行应用程序和BLE协议栈，使用起来简单高效。
       
        2.1 CC2450F128外围电路设计
       
        低功耗蓝牙芯片CC2450F128的外围电路原理图如图2所示。从图2中可以看出CC2450F128芯片一般需要两个时钟晶振，其最为核心的部分是天线的电路设计，需要根据实际的需要调整阻抗匹配。由于CC2450F128芯片使用的是8051微处理器核，所以其可以对外提供多个IO引脚以用于其他业务逻辑的实现。

       
       
        图2 CC2450F128外围电路原理图

         
        2.2通信协议扩展
       
        该解决方案另一个重要的部分就是其通信协议的设计和扩展。通常需要按照蓝牙4.0的通信协议来扩展其配置，包括Setvice配置和Characteristic配置。
       
        举例说明，可以先增加UUID为00001802-0000-1000-8000-00123456789b的Service，然后为该服务增加UUID为00002a06-0000-1000-8000-00123456789b的Characteristic.
       
        通常需要根据应用的业务逻辑划分出多个功能大类，再对功能大类进行细分。每一个功能大类对应一个Service，每一个功能细分对应一个Characteristic.总体看来，每个应用可以包括多个Service，每个Service可以包括多个Characteristic.
         
          3系统性能分析
       
        本文提供的解决方案是为了解决基于蓝牙4.0的设备的通信问题，所以必须关注于影响其通信的几个关键因素：信号强度、设备发现时间、稳定性和误报率。
       
        3. 1信号强度与距离的关系
       
        信号强度是决定蓝牙4.0通信质量的最重要因素之一，为了明确实际的信号强度衰减情况，进行了深入的实际数据测量。信号强度与距离的关系的原始数据图如图3所示。在图3中，蓝色交叉点显示的是492组数据，从图3中可以看出信号强度总体走势较为明显，相同距离下的数据相对集中，部分数据有波动现象。

       
       
        图3 信号强度与距离的关系的原始数据图

         
        为了更好的分析图3中的数据，需要对数据进行处理。首先以距离为依据，对同一距离下的6项信号强度数据进行均值处理，然后对处理后的数据进行数据拟合，得到信号强度与距离的关系图。
       
        信号强度与距离的关系图如图4所示。在图4中，红色交叉点表示对同一距离下的6项信号强度数据进行均值处理后的82组数据，蓝色线条表示对该82组数据进行拟合后的曲线。从图4中可以看出信号强度在1米以内迅速衰减，之后随着距离的增加逐渐缓慢衰减，并且衰减过程中呈现波动趋势。

       
       
        图4 信号强度与距离的关系图

         
        根据图4中信号强度与距离所呈现的规律，可以用于蓝牙测距方面的应用，在实现上需要考虑蓝牙信号强度本身的波动性因素，采用多次采样和历史数据校正等方式来合理处理数据，以获取可用的有效数据，提升系统本身的稳定性。
       
        3.2设备发现时间与距离的关系
       
        设备发现时间是评价蓝牙4.0通信质量的另一个最重要因素。在使用蓝牙设备时，通信之前的第一步工作就是扫描蓝牙设备，然而扫描过程中设备发现时间与距离存在极大的关联，为了明确该内在关系，进行了深入的实际数据测量。整理后的设备发现时间与距离的关系的统计数据如表1所示。

       
       
        表1
         

         
        从表1中不难看出，总体趋势是距离越近，设备发现时间越短；距离越远，设备发现时间越长。当距离超出10 m时，设备发现的时间非常长或者不能发现设备，所以在实际的应用上需要考虑系统的性能参数，选择合适的通信距离。
       
        3.3稳定性与误报率
       
        3.3.1设备发现压力测试
       
        为了验证该解决方案的稳定性，在10 m内采用100个蓝牙设备做设备发现压力测试。进行了压力测试之后显示，使用100个蓝牙设备进行扫描发现，距离越近的设备发现的频率越高，距离越远的设备发现的频率越低。设备的整体发现率可达到近90%，10%的设备未被发现主要原因是距离近的设备信号较强，容易被发现，优先占用资源。
       
        3.3.2设备连接测试
       
        设备的连接测试与硬件设备和上层的软件设计有极大的关系。理论上设备连接数量不受限制，但受到实际的软硬件资源的约束以及应用场景的不同，设备连接数量也有极大的不同。此处我们的原型设备同时连接3台蓝牙设备时非常稳定，同时连接5台蓝牙设备时较稳定，连接更多蓝牙设备时将出现不能连接的状况。
       
        3.3.3设备误报率测试
       
        实际的应用中，将考虑蓝牙设备当前的连接状况问题。由于当距离超出10 m时，设备发现的时间非常长或者不能发现设备，此时应用中的逻辑通常认为该蓝牙设备已断开连接，所以进行了10 m误报率测试。该测试中首先将蓝牙设备连接，然后移动到不足距离10 m的位置上检查其提示连接已断开的状况。经过100测试发现其在10 m左右的位置上的误报率在15%左右，其将受到软件的逻辑的影响。
       
        4结束语
       
        本文从实际应用的角度出发，设计并实现了基于蓝牙4.0的设备通信方案。该方案提供了低功耗的蓝牙解决方案，能够支持多设备的同时通信。实际实验测试结果表明，通信距离对接受到的蓝牙设备的信号强度、设备发现时间和误报率都有较大影响。本文所提供的设计方案经过大量的数据的验证，可以较好的完成蓝牙4.0通信功能，提供了多设备发现和连接的能力，以及根据信号强度测距的应用方案。