基于蓝牙的自组网装置设计

2016-06-13吴恩铭中国民航大学天津300300

山东工业技术 2016年12期

关键词：蓝牙

边际,吴恩铭（中国民航大学,天津 300300）

基于蓝牙的自组网装置设计

边际,吴恩铭
（中国民航大学,天津 300300）

摘要：设计并实现了一种基于蓝牙的自组网装置，将若干个该蓝牙自组网装置布置在一定区域内，这些蓝牙自组网装置能够自动形成Ad-Hoc网络。网络中的蓝牙自组网装置可通过串口与其他设备进行通信，从而将其他设备加入无线物联通信网络中。本文阐述了该装置的工作原理，软硬件设计等。

关键词：蓝牙；物联通信网络；Ad-Hoc

1 蓝牙技术

蓝牙是一种使用ISM（Industrial Scientific Medical）波段的无线技术标准。蓝牙无线技术系统分为BR（Basic Rate）和LE（Low Energy）两大系统。LE系统相比BR系统数据传输速率较低，但其具有超低的功耗以及更快的连接速度。

目前，蓝牙核心协议尚未对蓝牙组建Ad-Hoc网络做出具体的描述。如何基于蓝牙通信技术组建多节点通信网络仍然是一个开放性的问题，也是当前研究的热点之一。

2 系统功能及设计

2.1 系统功能

该蓝牙的自组网装置支持蓝牙LE系统。使用若干个该蓝牙自组网装置能够在一定区域内快速组建无中心、自组织、多跳路由、动态拓扑的Ad-Hoc网络。同时，该装置支持串口通信功能，可以通过串口与其他设备进行有线通信，使这些设备加入物联通信网络中。该装置可用于组建智能家居无线通信网络、工业无线通信网络。

2.2 工作原理

该蓝牙自组网装置在初次通过串口与其他设备连接时，其他设备需通过串口向蓝牙自组网装置发送设备识别码。本蓝牙自组网装置在工作过程中不断发出广播，以被周围其他蓝牙自组网装置发现。广播内容中包含蓝牙自组网装置同意的特定识别码，以便其他蓝牙自组网装置过滤其他类型的蓝牙设备。

当与该蓝牙自组网装置通过串口连接的其他设备需要发送信息时，需要发送信息的设备直接将待发送信息（信息中包含信息接收方设备识别码）通过串口发送到与之连接的蓝牙自组网装置。蓝牙自组网装置接收到来自串口的信息之后，对信息进行封包（包含信息唯一编号、发送方设备识别码、接收方设备识别码）处理，再发送给其通信范围内的其他蓝牙自组网装置。

蓝牙自组网装置接收到封包处理后的信息之后，提取出数据包中的识别码，若接收方识别码与和该蓝牙自组网装置通过串口连接的设备的识别码相同，蓝牙自组网装置则通过串口将数据包发送给该设备。若识别码不相同，该蓝牙自组网装置则作为数据转发桥节点，将消息转发给其通信范围内的其他蓝牙自组网装置。

为了避免信息在多个蓝牙自组网装置之间重复发送，每个蓝牙自组网装置会在数据库中记录接收到的所有信息以及每条信息对应的接收设备列表。蓝牙自组网装置使用接收设备列表来过滤已经接收过某条信息的蓝牙自组网装置。

2.3 硬件设计

该蓝牙自组网装置的基本硬件组成如图1所示。考虑到本装置可能运用在不方便直接接入电源的工作环境中，在本装置中加入可充电锂电池。LED指示灯用于显示该装置的工作状态和充电电路的工作状态。

为了保持较低的系统功耗和设备成本，本装置采用单芯片方案设计，装置中除了蓝牙芯片外不包含其他的处理器，软件程序直接运行在蓝牙芯片中。蓝牙芯片可以采用Nordic公司生产的nRF51822芯片，该芯片供电电压为1.8V到3.6V，由降压电路将电源电压降到nRF51822芯片可接受的范围内。本设计完成的蓝牙自组网装置硬件实物图如图2所示。

2.4 软件设计

该蓝牙自组网装置软件系统基于蓝牙LE系统，使用Nordic公司的S130低功耗蓝牙协议栈，通过编写应用层软件调用相应的API来操纵蓝牙底层。蓝牙LE系统以服务（Service）的形式来组织数据，而不是以数据流的形式。一个服务可以包含若干个特性（Characteristic），每个特性又包含若干个属性（Attribute），数据存储在属性中。在该软件中建立了一个服务用于数据传输，该服务包含三个特性，这三个特性分别用于传输状态数据包、指令数据包、消息数据包。可以将这三个特性视为三个不同的数据通道，分通道传输不同类型数据包，从而简化数据处理流程。根据工作原理中对系统工作过程的阐述，编写应用层软件，完成数据处理及蓝牙状态转换。