基于藍牙的自組網裝置設計

邊 際,吳恩銘（中國民航大學,天津 300300）

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基于藍牙的自組網裝置設計

邊 際,吳恩銘
（中國民航大學,天津 300300）

摘 要：設計并實現了一種基于藍牙的自組網裝置，將若干個該藍牙自組網裝置布置在一定區域內，這些藍牙自組網裝置能夠自動形成Ad-Hoc網絡。網絡中的藍牙自組網裝置可通過串口與其他設備進行通信，從而將其他設備加入無線物聯通信網絡中。本文闡述了該裝置的工作原理，軟硬件設計等。

關鍵詞：藍牙；物聯通信網絡；Ad-Hoc

1 藍牙技術

藍牙是一種使用ISM（Industrial Scientific Medical）波段的無線技術標準。藍牙無線技術系統分為BR（Basic Rate）和LE（Low Energy）兩大系統。LE系統相比BR系統數據傳輸速率較低，但其具有超低的功耗以及更快的連接速度。

目前，藍牙核心協議尚未對藍牙組建Ad-Hoc網絡做出具體的描述。如何基于藍牙通信技術組建多節點通信網絡仍然是一個開放性的問題，也是當前研究的熱點之一。

2 系統功能及設計

2.1 系統功能

該藍牙的自組網裝置支持藍牙LE系統。使用若干個該藍牙自組網裝置能夠在一定區域內快速組建無中心、自組織、多跳路由、動態拓撲的Ad-Hoc網絡。同時，該裝置支持串口通信功能，可以通過串口與其他設備進行有線通信，使這些設備加入物聯通信網絡中。該裝置可用于組建智能家居無線通信網絡、工業無線通信網絡。

2.2 工作原理

該藍牙自組網裝置在初次通過串口與其他設備連接時，其他設備需通過串口向藍牙自組網裝置發送設備識別碼。本藍牙自組網裝置在工作過程中不斷發出廣播，以被周圍其他藍牙自組網裝置發現。廣播內容中包含藍牙自組網裝置同意的特定識別碼，以便其他藍牙自組網裝置過濾其他類型的藍牙設備。

當與該藍牙自組網裝置通過串口連接的其他設備需要發送信息時，需要發送信息的設備直接將待發送信息（信息中包含信息接收方設備識別碼）通過串口發送到與之連接的藍牙自組網裝置。藍牙自組網裝置接收到來自串口的信息之后，對信息進行封包（包含信息唯一編號、發送方設備識別碼、接收方設備識別碼）處理，再發送給其通信范圍內的其他藍牙自組網裝置。

藍牙自組網裝置接收到封包處理后的信息之后，提取出數據包中的識別碼，若接收方識別碼與和該藍牙自組網裝置通過串口連接的設備的識別碼相同，藍牙自組網裝置則通過串口將數據包發送給該設備。若識別碼不相同，該藍牙自組網裝置則作為數據轉發橋節點，將消息轉發給其通信范圍內的其他藍牙自組網裝置。

為了避免信息在多個藍牙自組網裝置之間重復發送，每個藍牙自組網裝置會在數據庫中記錄接收到的所有信息以及每條信息對應的接收設備列表。藍牙自組網裝置使用接收設備列表來過濾已經接收過某條信息的藍牙自組網裝置。

2.3 硬件設計

該藍牙自組網裝置的基本硬件組成如圖1所示。考慮到本裝置可能運用在不方便直接接入電源的工作環境中，在本裝置中加入可充電鋰電池。LED指示燈用于顯示該裝置的工作狀態和充電電路的工作狀態。

為了保持較低的系統功耗和設備成本，本裝置采用單芯片方案設計，裝置中除了藍牙芯片外不包含其他的處理器，軟件程序直接運行在藍牙芯片中。藍牙芯片可以采用Nordic公司生產的nRF51822芯片，該芯片供電電壓為1.8V到3.6V，由降壓電路將電源電壓降到nRF51822芯片可接受的范圍內。本設計完成的藍牙自組網裝置硬件實物圖如圖2所示。

2.4 軟件設計

該藍牙自組網裝置軟件系統基于藍牙LE系統，使用Nordic公司的S130低功耗藍牙協議棧，通過編寫應用層軟件調用相應的API來操縱藍牙底層。藍牙LE系統以服務（Service）的形式來組織數據，而不是以數據流的形式。一個服務可以包含若干個特性（Characteristic），每個特性又包含若干個屬性（Attribute），數據存儲在屬性中。在該軟件中建立了一個服務用于數據傳輸，該服務包含三個特性，這三個特性分別用于傳輸狀態數據包、指令數據包、消息數據包。可以將這三個特性視為三個不同的數據通道，分通道傳輸不同類型數據包，從而簡化數據處理流程。根據工作原理中對系統工作過程的闡述，編寫應用層軟件，完成數據處理及藍牙狀態轉換。

3 結束語

經過測試，由該裝置組建的無線通信網絡具有功耗低、成本低、抗毀性強等優點，另外組網過程簡單，無需用戶手動配置。但是，由于目前藍牙LE系統技術的限制，該裝置組建的無線通信網絡存在數據吞吐量較低、實時性不高的缺點，適合用于組建控制型物聯通信網絡。

參考文獻：

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大學生創新創業訓練計劃項目”資助，項目編號：201510059032。

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.180