一種基于藍牙的無線傳感網測控小車設計

龔成瑩

一種基于藍牙的無線傳感網測控小車設計

龔成瑩

（蘭州工業學院電信學院，甘肅蘭州730050）

針對無線傳感測控數據與移動互聯網相結合的需求，設計并實現了一種基于藍牙和Android智能終端的無線傳感網測控小車。利用由CC2530組成的無線傳感網進行節點數據的采集和通信，IAP15F2K61S2單片機控制的測控小車進行數據的匯聚和轉發，在Android終端上實現數據的存儲和顯示。實驗結果表明，該方案能夠對傳感數據、物聯網和移動互聯網進行有效融合。

無線傳感網；藍牙；智能小車；Android

引用格式：龔成瑩.一種基于藍牙的無線傳感網測控小車設計［J］.無線電工程，2016，46（5）：72-74，94.

0 引言

隨著檢測技術、無線傳感網及移動互聯網技術的相互滲透，產生了多種技術相融合的網絡化測控系統，將無線傳感網與智能小車以及Android智能終端相結合，對傳感數據的感知、數據傳輸、數據處理、數據存儲和數據顯示進行有效整合，這在工業生產、環境監控、智能交通、智能家居和公共衛生等多個領域有著廣泛應用。同時，作為一款開源系統，Android不僅在移動互聯網領域占據了大半市場，在物聯網和嵌入式領域也得到了廣泛應用［1-2］。

本文針對檢測數據與移動互聯網相結合的需求，融合利用無線傳感網、Android智能系統和單片機嵌入式技術，利用藍牙通訊，設計了一種多用途的智能測控小車。

1 系統設計

系統結構如圖1所示。系統由無線傳感網測控節點、測控小車和Android測控終端3部分組成，其中無線傳感節點負責對環境狀態進行數據采集，數據由無線傳感網絡進行傳輸；測控小車由Android終端進行控制，對無線傳感網節點數據進行匯聚，在測控小車上掛載無線傳感網網關節點，通過串口與無線傳感網交換數據；測控小車與Android終端之間使用藍牙方式通訊。

圖1　系統結構

2 無線傳感節點

采用無線傳感器網技術，主要是針對短距離、低功耗和低速的數據傳輸。傳感節點負責采集在不同方位布點的節點信息，包括節點溫度、濕度和光照等狀態信息，數據節點之間通過特定無線傳輸芯片進行連接和轉發。無線傳感網絡具有自組織和自維護特征，即當某些節點發生問題時，不會影響網絡其他傳感器節點的數據傳輸，可以在不增加單個節點成本同時進行大規模的布設［3］。

采用基于CC2530的Zigbee協議組建無線傳感網絡［4］，利用各網絡節點采集節點溫度、濕度等狀態，數據經由路由節點傳送到網關節點，將網關與測控小車控制器相連，通過串口與單片機進行通訊。

3 測控小車

測控小車在Android控制端的控制下完成無線傳感網數據的匯聚和傳輸功能，具有循跡、避障、測距、測溫、電機驅動和串口通訊等功能，最終通過藍牙方式將傳感數據上傳至Android控制終端。

3.1 模塊設計

測控小車包括：電源驅動、循跡、超聲波測距、紅外避障、測溫、顯示、WSN網關節點和藍牙串口等模塊，如圖2所示。其中，主控芯片采用STC公司生產的單時鐘周期的單片機IAP15F2K61S2，具有高速、低功耗和超強抗干擾功能強的特點，其內部集成3路PWM、2路串口和8路高速10位A/D轉換，非常適于在電機控制和強干擾場合應用［5］。

圖2　測控小車

3.2 雙串口應用

雙串口控制流程如圖3所示。

圖3　雙串口控制流程

利用IAP15F2K61S2的雙串口特點，實現測控小車同時與傳感節點和Android控制端進行通信的功能，串口2的默認端口是RxD2/P1.2（可通過寄存器設置到P4.2）和TxD2/P1.3（可通過寄存器設置到P4.3）［6］。程序控制使用中斷方式，當串口1收到無線傳感網網關節點的數據后，對數據進行校驗，若通過校驗，則將數據存入緩沖區；主程序定時讀取緩沖區數據，按照約定的協議格式封裝成數據幀，通過串口2向 Android上位端發送數據幀。反之，當Android端向測控小車發送指令時，IAP15F2K61S2執行類似的反方向操作。

3.3 藍牙通訊

測控小車與Android控制端采用藍牙方式進行數據通訊，由于IAP15F2K61S2單片機本身沒有藍牙通訊的功能，這里采用第3方的藍牙串口模塊將單片機的串行口擴展到藍牙無線信道［7］。

根據設計需求，選擇濟南華茂科技的藍牙數傳模塊HM-10，HM-10支持藍牙4.0，具有低功耗的特點，其串口收發沒有字節限制，在空曠環境下與iphone4S可以實現100 m的遠距通訊。HM-10采用TI CC2540芯片，配置256K空間，支持AT指令，用戶可以根據需要更改角色（主、從模式）以及串口波特率、設備名和配對密碼等參數，使用靈活［8］。

HM-10模塊具有豐富的外設接口，除了UART_ TX、UART_RX接口外，還有USB和PIO接口，這里選擇UART接口，IAP15F2K61S2的串口2與HM-10 的UART接口交叉相連，這樣無需了解藍牙底層協議，測控小車即可與Android終端通訊了。

3.4 通訊協議

Android端向測控小車發送數據協議格式如表1所示。

表1　Android向小車發送數據格式

數據幀由5個字節構成，前2個字節是固定值，即包頭，第3個字節是主指令，后2個字節是副指令，副指令是屬于主指令的功能指令，主指令功能包括：

①停止：“0x01”，副指令為“0x00”，“0x00”；

②前進：“0x02”，副指令為小車速度，即PWM設置值；

③后退：“0x03”，副指令為小車速度，即PWM設置值；

④左轉：“0x04”，副指令為小車速度，即PWM設置值；

⑤右轉：“0x05”，副指令為小車速度，即PWM設置值；

⑥自動循跡：“0x05”，副指令為小車速度，即PWM設置值。

測控小車向Android端發送的指令協議格式如表2所示，長度根據傳感節點的數量而定，包括：包頭、包尾、小車狀態、測距值和各傳感節點狀態值等字段。

表2　小車向Android發送數據格式

4 Android測控端

Android控制端由運行在Android移動設備上的APP應用程序來實現，該APP利用藍牙串口協議SPP與測控小車進行無線通訊［9］，實現對測控小車的控制，包括：方向的手動控制、重力感應、避障和自動尋跡；同時，Android移動設備能夠實時地接收、存儲和顯示測控小車發送來的傳感節點數據。

Android應用對藍牙串口數據輸入、輸出處理流程如圖4所示。

圖4　數據輸入、輸出處理流程

Android應用程序以Client的角色主動連接藍牙模塊HM-10，Android的藍牙串口服務（SPP）具有其唯一的UUID和MAC地址。在主線程中用Bluetooth Adapter適配器對象注冊Broadcast Receiver廣播接收者來獲取藍牙狀態并實現設備的搜索和配對；在與HM-10配對后，建立Android服務組件在后臺監聽藍牙數據，驗證接收到的數據后，對數據幀進行解封，根據約定的協議，將數據存入本機的SQLite數據庫［10］，同時顯示在Activity界面上。以同樣的方法向測控小車發送指令，實現全雙工串行通訊。

5 實驗測試

在Android 2.3以上的系統中運行測控小車的APP應用程序，程序界面如圖5所示。實驗室環境下，在小車以外布設3個CC2530網絡節點，在小車車身上安裝1個協調器節點。結果表明，使用此方案可以對測控小車進行流暢的控制，小車可以手動和自動運行，測控小車能夠在運動狀態下保障節點數據的正確匯聚和傳輸，節點狀態界面每隔1 s刷新顯示無線傳感網絡中各監測節點采集到的數據。

圖5　Android端測控界面

6 結束語

利用無線傳感網節點實現環境狀態的采集，構建可以自組網、多跳、便于擴展的傳感數據通訊網絡；采用基于IAP15F2K61S2單片機的測控小車作為數據匯聚網關，實現小車控制、循跡、測距和雙串口通訊等功能；通過藍牙通訊方式完成Android系統對測控小車的控制、測控數據交換和存儲顯示。文中提出的方案適用于工業控制、消防安全和探測等工作環境，具有一定的應用價值。

［1］ 馮艷紅，何加銘，楊任爾，等.基于Android藍牙技術的健康服務系統設計［J］.無線電通信技術，2014，40 （1）：61-64.

［2］ 湯莉莉，馬 仟，黃 偉.語音無線遙控智能小車設計［J］.無線電工程，2014，44（12）：66-69.

［3］ 馬正華，宋 磊，焦竹青，等.基于無線傳感網的蔬菜工廠智能監控系統設計［J］.自動化與儀表，2013（11）：20-24.

［4］ 黃家露，楊 方，張衍林.基于CC2430的溫室無線傳感器節點設計與應用［J］.華中農業大學學報，2013，32 （5）：119-123.

［5］ 韋建新.超小型減搖鰭變參PID電控系統的實現與分析［J］.船舶工程，2012，34（s2）：284-286.

［6］ 湯莉莉，黃 偉，王春波，等.基于Cortex-M3單片機的WiFi物聯網小車的設計［J］.無線電工程，2014，44 （4）：58-61.

［7］ 王筱珍，關艷如.基于Modbus協議的Android端工廠化養殖移動監測軟件［J］.測控技術，2014，33（1）：115-117.

［8］ 馬丹萍，李 勇，梁勤歐.無線遙控智能小車的運動模擬及軌跡繪制［J］.浙江師范大學學報（自然科學版），2015，38（1）：116-120.

［9］ 劉哲源，王 麗，師五喜.基于安卓平臺的血壓檢測系統［J］.單片機與嵌入式系統應用，2013（11）：67-69.

［10］王 浩，邵高平，胡澤明.基于SQLite的戰場態勢信息快速存取研究［J］.計算機工程與設計，2013，34（8）：2 743-2 749.

Design of Measurement and Control Car for WSN Based on Bluetooth

GONG Cheng-ying
（College of Electronics and Information Engineering，Lanzhou Institute of Technology，Lanzhou Gansu 730050，China）

For the demands of test data combined with the mobile Internet，a car for wireless sensor network measurement and control based on Bluetooth and Android is designed and implemented.In this system，the information of environment status is acquired and transmitted by wireless sensor network which consists of CC2530，the WSN data is gathered and forwarded by IAP15F2K61S2 MCU，and finally data is stored and displayed using Android smart terminal.The test shows that this system can effectively integrate the sensor data，IoT and mobile Internet.

wireless sensor network；Bluetooth；smart car；Android

TP277

A

1003-3106（2016）05-0072-03

10.3969/j.issn.1003-3106.2016.05.19

2016-01-06

甘肅省高等學校研究生導師科研計劃資助項目（2014A-124）；蘭州工業學院青年科技創新計劃項目（14K-008）。

龔成瑩 女，（1979—），碩士，副教授。主要研究方向：信號與信息處理。