基于藍牙技術的可穿戴式智能環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)

基于藍牙技術的可穿戴式智能環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)

孫廣維,楊小天

(吉林建筑大學電氣與電子信息工程學院，長春130018)

摘要：提出了一種基于藍牙技術的無線可穿戴式環(huán)境參數(shù)獲取系統(tǒng)，其采用智能手持終端(例如手機)，實現(xiàn)了將個人用戶周邊環(huán)境信息的實時采集，融合了可穿戴式傳感器、物聯(lián)網技術以及智能終端等技術。系統(tǒng)集成了多種傳感器，可檢測溫濕度、光照、氣壓、PM2.5等。另外，該系統(tǒng)很容易通過增加傳感器種類和數(shù)目實現(xiàn)擴展，還可以與其他系統(tǒng)通過廣域網進行無線組網，實現(xiàn)一個大型環(huán)境參數(shù)監(jiān)測無線傳感器網絡，將會在環(huán)境監(jiān)測、天氣、自然災害預警方面得到廣泛發(fā)展。

關鍵詞：藍牙技術；可穿戴式；采集系統(tǒng)

收稿日期:2014-12-20

作者簡介:孫廣維(1982-)，男，吉林農安人，講師，碩士研究生，主要從事多媒體技術方面研究；楊小天(1969-)，男，吉林長春人，研究員，博士，主要從事電子功能材料合成、生長，電子器件制備，液晶顯示驅動電路設計等方面研究。

中圖分類號：TP 8文獻標志碼：A

0引言

可穿戴式智能系統(tǒng)是近年來剛剛興起的熱點產業(yè)，例如谷歌眼鏡、Apple iWatch、智能服飾等，可以成為人體的一部分，為個人用戶提供專屬化、個性化的智能服務[1]，其主要特點還包括：可在運動狀態(tài)下使用；具有智能控制能力；可以長時間使用等。隨著技術的進步，可穿戴式智能設備逐漸在工業(yè)、醫(yī)療、軍事、教育、娛樂等諸多領域表現(xiàn)出重要的研究價值和應用潛力，到2016年全球穿戴式智能設備市場的規(guī)模將達到60億美元。

隨著社會的發(fā)展，生活水平的不斷提高，人們對自己周邊環(huán)境的了解需要也日益迫切。但通常情況下，人們了解環(huán)境狀況的方式比較單一，只能依靠天氣預報等傳統(tǒng)方式來了解周邊環(huán)境狀況，但這種傳統(tǒng)方式是基于大范圍的測量，無法針對個體環(huán)境參數(shù)進行實時測量，其準確性會大幅度降低。在本文中，我們提出了一種基于藍牙技術的可穿戴式智能環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)，將利用多種緊湊型傳感器進行可穿戴式整合，進行環(huán)境參數(shù)的實時測量，然后通過藍牙方式將數(shù)據(jù)傳輸給人人都具備的智能手持終端(例如手機)，再將結果處理和反饋給用戶。在本文中，采用了基于Android系統(tǒng)的智能手機進行數(shù)據(jù)處理和顯示。

1系統(tǒng)設計

系統(tǒng)的實現(xiàn)框圖如圖1所示。本系統(tǒng)可分解成兩個子系統(tǒng)，即可穿戴式多傳感器系統(tǒng)，基于Android系統(tǒng)的顯示和處理系統(tǒng)，二者通過藍牙模塊進行通訊和數(shù)據(jù)交互。其中可穿戴式多傳感器系統(tǒng)集成了溫度測量、光照強度測量、濕度測量、氣壓測量和PM值測量功能。各個模塊將采集到的參數(shù)首先發(fā)送到可穿戴式多傳感器系統(tǒng)中央處理器來進行處理，然后處理器將數(shù)據(jù)打包后傳遞給藍牙模塊，藍牙模塊再將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)姆绞絺鬟f給手持智能終端[2]。智能手持終端搭載的Android系統(tǒng)會將數(shù)據(jù)獲取并在自己的應用層進行顯示。本系統(tǒng)具有以下幾個特點：

1)便攜性：本可穿戴式系統(tǒng)的傳感器可采用分布式布線，即多個傳感器可分布于衣服的不同位置，從而使穿戴系統(tǒng)不會對原有衣物的舒適性造成影響。傳感器管理用處理器與智能手持終端之前采用基于藍牙技術的無線傳輸方式，可進行短距離數(shù)據(jù)傳輸，極大地提高了系統(tǒng)的便攜性。

2)操作人性化：該系統(tǒng)采用智能手持設備進行人機交互，初步工程采用廣泛使用的Android系統(tǒng)，圖形化、觸摸化操作，具有良好的交互性，非常人性化。

3)可擴展性：本系統(tǒng)核心是基于單片機的多傳感器數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，與智能終端構成了星型總線連接的局部傳感器網絡，所集成的傳感器可進行分布式布局，這種布局具有非常良好的可擴展性，可以通過增加傳感器來擴展系統(tǒng)。另外，本系統(tǒng)可擴展性還體現(xiàn)在手持智能終端應用上，可以將從傳感器接受的信息處理后通過無線數(shù)據(jù)連接提供給上層網絡系統(tǒng)及應用，從而構成一個大型分布式、多人參與的移動無線傳感器網絡系統(tǒng)，不僅可提供基本環(huán)境參數(shù)的采集、分析，還可以對突發(fā)天氣、事故等進行及時播報。

圖1　系統(tǒng)的實現(xiàn)框圖

2系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1　主控模塊的處理器

主控模塊本設計采用由單片機作為主控芯片而構成的系統(tǒng)，單片機型號選用STC12C5A60S2, STC12C5A60S2是由國內的生產廠商宏晶科技生產的新一代8051系列單片機[3]。它運用了增強型8051內核，其運行速度比普通的8051單片機快8-12倍，內部包含有60K字節(jié)的程序存儲器和1280字節(jié)的隨機存儲器。此外該系列的單片機還包含了8通道的高速十位ADC，兩路PWM，以及四個16位的定時器。該系列的單片機默認情況下是完全兼容普通的8051單片機并且兼容普通的8051指令集。

單片機的VCC引腳 要接+ 5V電源，GND 引腳+接地，增加兩個濾波電容電壓保持恒定。這樣就能夠為單片機提供正常的工作電壓。

本設計采用11.0592M的晶振， XTAL1引腳和XTAL2引腳分別是放大器的輸入端和輸出端。外接的石英晶體作為反饋元件與該放大器恰好構成自激振蕩電路。石英晶體與兩個電容構成并聯(lián)諧振電路。這兩個電容的大小這里選用30pF。

根據(jù)STC12C5A60S2的特性，在單片機工作時，當RST引腳被給予兩個振蕩周期以上的高電平，將會觸發(fā)單片機的復位指令。

2.2　藍牙芯片BC417173

當采用藍牙方式進行傳輸時，單片機對傳感器數(shù)據(jù)采集完畢后，會將數(shù)據(jù)通過串口傳遞給藍牙模塊，藍牙模塊作為主機會通過藍牙協(xié)議將數(shù)據(jù)進行無線傳輸，發(fā)送給智能手持終端。

本設計采用的藍牙串口模塊選用CSR的藍牙芯片BC417173以及相應的解決方案。其電路如圖2所示：

圖2　藍牙芯片BC417173電路圖

該芯片上電之后首先會進行初始化工作，初始化完畢之后會對藍牙的相關參數(shù)進行相應的配置，如波特率、晶振頻率等。該設計中采用的波特率為9600bps，晶振頻率為11.0592MHZ。藍牙的參數(shù)配置完畢之后芯片會加載相關的藍牙固件，藍牙的固件為藍牙的硬件設備與通信協(xié)議之間提供相應的驅動。這些準備工作完成之后，該芯片會按照預定的格式將單片機采集到的數(shù)據(jù)進行傳遞。

2.3　實現(xiàn)涉及的傳感器

該系統(tǒng)目前已經集成有溫度傳感器DS18B20、光照強度傳感器bh1750、濕度傳感器DHT11、氣壓傳感器BMP085和PM2.5傳感器，采用星型網絡模型，可以繼續(xù)擴展其他環(huán)境參數(shù)測量裝置[5]。

主控系統(tǒng)要采集各傳感器采集到的數(shù)據(jù)，然后按照規(guī)定的通信格式與智能手持終端進行通信。手持終端將數(shù)據(jù)處理后通過安卓系統(tǒng)上的應用進行顯示[4]。本設計的軟件設計主要包括：主控模塊與傳感器的通信設計、主控系統(tǒng)與智能手持終端的通信設計、智能手持終端的操作界面與數(shù)據(jù)顯示設計三部分。

智能手持終端的藍牙接收流程圖如圖3所示：

圖3　系統(tǒng)實現(xiàn)流程圖

3結語

本設計將可穿戴式傳感器、物聯(lián)網技術以及智能終端技術融合在一起，實現(xiàn)了一種可擴展的分布式環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)目前已經集成有溫度傳感器DS18B20、光照強度傳感器bh1750、濕度傳感器DHT11、氣壓傳感器BMP085和PM2.5傳感器，采用星型網絡模型，可以繼續(xù)擴展其他環(huán)境參數(shù)測量裝置。環(huán)境參數(shù)首先通過傳感器系統(tǒng)中央處理器STC12C5A60S2進行處理后，經由藍牙模塊BC417173，以無線方式發(fā)送給手持智能終端，然后由運行在智能終端上的App(目前實現(xiàn)了Android操作系統(tǒng)下)將結果顯示，或以聲音、震動等形式反饋給用戶。經測試，運行狀況良好，各項參數(shù)采集實時、準確。本系統(tǒng)還具有良好的擴展性，不僅可以體現(xiàn)在傳感器種類、數(shù)目的可擴展性，而且還體現(xiàn)在本設計還是大型無線傳感器的一個節(jié)點。這個節(jié)點的核心是手持智能終端App，它可以將獲得的環(huán)境參數(shù)信息與地理信息相結合，然后進行加工、處理，再通過無線數(shù)據(jù)信息網絡將數(shù)據(jù)發(fā)送給更高一層的節(jié)點或中心處理單元上，從而完成一個大型無線傳感器網絡的組網工作。本論文所給出的系統(tǒng)建成后，不僅可以應用在個人用戶所關心的環(huán)境參數(shù)獲取，還可以應用到異常天氣監(jiān)測、自然災害報警、智能環(huán)境控制等。本設計與柔性太陽能電池技術、柔性電路技術相結合將是未來幾年產業(yè)界發(fā)展的方向。

參考文獻:

[1]方琨,張娟,蔡振江,等.基于DS18B20數(shù)字溫度傳感器的溫室環(huán)境采集系統(tǒng)設計及應用[J].安徽農業(yè)科學,2010(1):12792-12794.

[2]蔣梁中,許勇,卞青青.基于arm7環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)[J].微計算機信息,2009 (1)：14:20-26.

[3]金建設．單片機系統(tǒng)與應用[M]．北京：北京郵電大學出版社, 2013:138-170．

[4]余榮發(fā).基于Android的移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學.2011.

[5]王建,毛騰飛,陳英革. 基于BH1750芯片的測光系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 常熟理工學院學報,2011 (2):117-120.

責任編輯：吳旭云

Wearable Intelligent Environment Parameters Acquisition System Based on Bluetooth Technique

SUN Guangwei，YANG Xiaotian

(School of Electrical and Electronic Information Engineering, Jilin Jianzhu University, Changchun 130018, China)

Abstract：This paper presents a wearable environment parameters acquisition system based on Bluetooth technique, which achieves the individual user environment information acquisition by using intelligent handheld terminal (such as a mobile phone), showing the fusion of technologies of wearable sensors, network of things and intelligent terminal. The system with many sensors integrated can detect the temperature and humidity, light, pressure, PM2.5, etc. In addition, the system is very easy to achieve expansion by adding types and numbers of sensors, also form wireless network with other systems through wide area network. The realization of a large-scale wireless sensor network of environment parameters monitoring will be widely developed in environmental monitoring, weather and natural disaster prediction.

Keywords：Bluetooth technique； wearable; acquisition system