基于藍牙4．0的設備通信方案設計與實(shí)現

隨著(zhù)藍牙技術(shù)的迅速發(fā)展，目前藍牙芯片市場(chǎng)涌現出了許多優(yōu)秀產(chǎn)品。CSR公司的BlueCore系列產(chǎn)品、Bmadcom的BCM系列產(chǎn)品和TI公司的CC2540系列產(chǎn)品都有廣泛的應用。其中TI公司的CC2450和CSR公司的CSR1000芯片都非常適用于藍牙4.0應用解決方案。

本文選用了TI公司的CC2450F128芯片作為藍牙通信芯片，該芯片提供真正的單片低功耗藍牙BLE解決方案，能夠運行應用程序和BLE協(xié)議棧。CC2450F128芯片內部集成了高性能低功耗的8051微處理器核，片內提供來(lái)了128KB的Flash存儲空間，對外支持UART和USB通信接口，所以非常適用于藍牙4.0的應用解決方案。

1 總體方案設計

該設計為基于藍牙4.0的設備提供良好的通用方案，有助于研發(fā)特定應用的設備。系統總體架構如圖1所示。在系統總體架構圖中，主要包括兩部分：支持藍牙4.0的手持設備和藍牙設備。其中支持藍牙4.0的手持設備可以是諸如智能手機、平板電腦等;藍牙設備則是本文提供的解決方案。支持藍牙4.0的手持設備和藍牙設備之間通過(guò)藍牙4.0協(xié)議傳輸數據，可以為藍牙耳機、手機防丟應用和無(wú)線(xiàn)拍照應用等提供數據方案。

從系統總體架構框圖中不難看出，該設計方案支持一對多的通信連接，即每個(gè)支持藍牙4.0的手持設備可以同時(shí)與多個(gè)藍牙設備建立連接，對應用功能的擴展帶了極大便利。

2 詳細設計與實(shí)現

該部分將對系統總體架構框圖中的藍牙設備給出解決方案。此處選用了TI公司的CC2450F128芯片作為藍牙通信芯片，該芯片最大的特點(diǎn)是能夠提供真正的單片低功耗藍牙BLE解決方案，能夠運行應用程序和BLE協(xié)議棧，使用起來(lái)簡(jiǎn)單高效。

2.1 CC2450F128外圍電路設計

低功耗藍牙芯片CC2450F128的外圍電路原理圖如圖2所示。從圖2中可以看出CC2450F128芯片一般需要兩個(gè)時(shí)鐘晶振，其最為核心的部分是天線(xiàn)的電路設計，需要根據實(shí)際的需要調整阻抗匹配。由于CC2450F128芯片使用的是8051微處理器核，所以其可以對外提供多個(gè)IO引腳以用于其他業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現。

2.2 通信協(xié)議擴展

該解決方案另一個(gè)重要的部分就是其通信協(xié)議的設計和擴展。通常需要按照藍牙4.0的通信協(xié)議來(lái)擴展其配置，包括Setvice配置和Characteristic配置。

舉例說(shuō)明，可以先增加UUID為00001802-0000-1000-8000-00123456789b的Service，然后為該服務(wù)增加UUID為00002a06-0000-1000-8000-00123456789b的Characteristic。

通常需要根據應用的業(yè)務(wù)邏輯劃分出多個(gè)功能大類(lèi)，再對功能大類(lèi)進(jìn)行細分。每一個(gè)功能大類(lèi)對應一個(gè)Service，每一個(gè)功能細分對應一個(gè)Characteristic?？傮w看來(lái)，每個(gè)應用可以包括多個(gè)Service，每個(gè)Service可以包括多個(gè)Characteristic。

3 系統性能分析

本文提供的解決方案是為了解決基于藍牙4.0的設備的通信問(wèn)題，所以必須關(guān)注于影響其通信的幾個(gè)關(guān)鍵因素：信號強度、設備發(fā)現時(shí)間、穩定性和誤報率。

3. 1 信號強度與距離的關(guān)系

信號強度是決定藍牙4.0通信質(zhì)量的最重要因素之一，為了明確實(shí)際的信號強度衰減情況，進(jìn)行了深入的實(shí)際數據測量。信號強度與距離的關(guān)系的原始數據圖如圖3所示。在圖3中，藍色交叉點(diǎn)顯示的是492組數據，從圖3中可以看出信號強度總體走勢較為明顯，相同距離下的數據相對集中，部分數據有波動(dòng)現象。

為了更好的分析圖3中的數據，需要對數據進(jìn)行處理。首先以距離為依據，對同一距離下的6項信號強度數據進(jìn)行均值處理，然后對處理后的數據進(jìn)行數據擬合，得到信號強度與距離的關(guān)系圖。

信號強度與距離的關(guān)系圖如圖4所示。在圖4中，紅色交叉點(diǎn)表示對同一距離下的6項信號強度數據進(jìn)行均值處理后的82組數據，藍色線(xiàn)條表示對該82組數據進(jìn)行擬合后的曲線(xiàn)。從圖4中可以看出信號強度在1米以?xún)妊杆偎p，之后隨著(zhù)距離的增加逐漸緩慢衰減，并且衰減過(guò)程中呈現波動(dòng)趨勢。

根據圖4中信號強度與距離所呈現的規律，可以用于藍牙測距方面的應用，在實(shí)現上需要考慮藍牙信號強度本身的波動(dòng)性因素，采用多次采樣和歷史數據校正等方式來(lái)合理處

理數據，以獲取可用的有效數據，提升系統本身的穩定性。

3.2 設備發(fā)現時(shí)間與距離的關(guān)系

設備發(fā)現時(shí)間是評價(jià)藍牙4.0通信質(zhì)量的另一個(gè)最重要因素。在使用藍牙設備時(shí)，通信之前的第一步工作就是掃描藍牙設備，然而掃描過(guò)程中設備發(fā)現時(shí)間與距離存在極大的關(guān)聯(lián)，為了明確該內在關(guān)系，進(jìn)行了深入的實(shí)際數據測量。整理后的設備發(fā)現時(shí)間與距離的關(guān)系的統計數據如表1所示。

從表1中不難看出，總體趨勢是距離越近，設備發(fā)現時(shí)間越短;距離越遠，設備發(fā)現時(shí)間越長(cháng)。當距離超出10 m時(shí)，設備發(fā)現的時(shí)間非常長(cháng)或者不能發(fā)現設備，所以在實(shí)際的應用上需要考慮系統的性能參數，選擇合適的通信距離。

3.3 穩定性與誤報率

3.3.1 設備發(fā)現壓力測試

為了驗證該解決方案的穩定性，在10 m內采用100個(gè)藍牙設備做設備發(fā)現壓力測試。進(jìn)行了壓力測試之后顯示，使用100個(gè)藍牙設備進(jìn)行掃描發(fā)現，距離越近的設備發(fā)現的頻率越高，距離越遠的設備發(fā)現的頻率越低。設備的整體發(fā)現率可達到近90%，10%的設備未被發(fā)現主要原因是距離近的設備信號較強，容易被發(fā)現，優(yōu)先占用資源。

3.3.2 設備連接測試

設備的連接測試與硬件設備和上層的軟件設計有極大的關(guān)系。理論上設備連接數量不受限制，但受到實(shí)際的軟硬件資源的約束以及應用場(chǎng)景的不同，設備連接數量也有極大的不同。此處我們的原型設備同時(shí)連接3臺藍牙設備時(shí)非常穩定，同時(shí)連接5臺藍牙設備時(shí)較穩定，連接更多藍牙設備時(shí)將出現不能連接的狀況。

3.3.3 設備誤報率測試

實(shí)際的應用中，將考慮藍牙設備當前的連接狀況問(wèn)題。由于當距離超出10 m時(shí)，設備發(fā)現的時(shí)間非常長(cháng)或者不能發(fā)現設備，此時(shí)應用中的邏輯通常認為該藍牙設備已斷開(kāi)連接，所以進(jìn)行了10 m誤報率測試。該測試中首先將藍牙設備連接，然后移動(dòng)到不足距離10 m的位置上檢查其提示連接已斷開(kāi)的狀況。經(jīng)過(guò)100測試發(fā)現其在10 m左右的位置上的誤報率在15%左右，其將受到軟件的邏輯的影響。

4 結束語(yǔ)

本文從實(shí)際應用的角度出發(fā)，設計并實(shí)現了基于藍牙4.0的設備通信方案。該方案提供了低功耗的藍牙解決方案，能夠支持多設備的同時(shí)通信。實(shí)際實(shí)驗測試結果表明，通信距離對接受到的藍牙設備的信號強度、設備發(fā)現時(shí)間和誤報率都有較大影響。本文所提供的設計方案經(jīng)過(guò)大量的數據的驗證，可以較好的完成藍牙4.0通信功能，提供了多設備發(fā)現和連接的能力，以及根據信號強度測距的應用方案。