基于CC2540的藍牙4.0物品標簽識別系統

強孫源 廖家舟 何壯

摘要：以TI公司CC2540超低功耗藍牙片上系統為核心器件，設計了一套內置BLE4.0協議物品標簽自動識別與報警系統。闡述了藍牙無線通信物品標簽識別的硬件框架及軟件流程，該系統可與BLE4.0協議的物品標簽進行無縫連接，圍繞最小功耗設計，具有功耗低、小型化、可靠性好、生產成本低的特點。

關鍵詞：CC2540;BLE4.0;超距離報警;天線及匹配電路;物品標簽識別

中圖分類號：TP334? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）28-0213-02

Abstract： With TI CC2540 ultra-low power bluetooth chip system as the core device， a set of built-in BLE4.0 protocol item label automatic identification and alarm system is designed. The hardware framework and software flow of Bluetooth wireless communication item label recognition are described. The system seamlessly interfaces with the BLE4.0 protocol item label and is designed around minimal power consumption， which has the characteristics of low power consumption， miniaturization， good reliability and low production cost.

Key words： CC2540; BLE4.0; over distance alarm; antenna and matching circuit; item tag recognition

1 背景

在日常生活中，人們容易在不經意間將隨身物品遺失，利用超低功耗的藍牙設備，對物體標簽進行識別和監測具有重要的實際意義。基于BLE技術的CC2540[1]藍牙低功耗SOC作為核心控制器件，與藍牙4.0協議的物品標簽進行無縫連接，進行射頻信號的采集與處理，實現對藍牙數據的收發與存儲。該系統體積小、功耗低、易于實現。可實際制作為防丟器，保護易丟失的物件，或者近距離尋找物品。

2 CC2540的簡介及藍牙技術的應用現狀

2.1 CC2540芯片介紹

美國德州儀器的CC2540是一款高性價比、低功耗的藍牙解決方案[2]。內部包含一個工業標準的8051MCU內核、高性能2.4GHZ 射頻收發器，已成為市場上靈活的單模式藍牙低功耗解決方案。

2.2 藍牙技術的應用現狀

藍牙技術為一種通用的短距離無線連接協議，在各個行業領域都有廣泛的運用[3]。國際統一標準的藍牙產品使公用網絡實現高速無線連接，與各類網絡實現互聯從而方便在網絡上瀏覽信息、共享資源。

3 系統硬件設計

3.1 硬件設計總體框架

本系統主要利用CC2540片上系統對藍牙射頻信號的接收和處理[4]，系統可分為兩個部分：

第一部分：接收射頻信號，內置BLE4.0的物品標簽發出的藍牙信號，通過天線及藍牙匹配電路接收。

第二部分：由芯片內部的8051內核對藍牙信號數據進行處理，寄存器數值表示為強度值，對強度進行周期性檢測，判斷所標簽的物品與系統主機的距離。

除此之外，系統還可以對所連接的物品標簽進行定位，通過對外部按鍵的操作，系統給所連接的物品標簽發出信號，從而使物品標簽本身蜂鳴器啟動。系統的整體硬件設計結構框圖如圖1所示。

硬件系統可分為接收模塊、微處理器模塊、電源及人機接口模塊。通過藍牙印制倒F形狀的PCB天線來接受原始的射頻信號[5，6]。接收數據后將數據存儲在寄存器中，根據數據的值來識別物品標簽、判斷距離。并采用TPS62730芯片為系統提供平穩的電流。

3.2 藍牙模塊主控芯片

主控芯片采用TI公司的CC2540藍牙單芯片解決方案，實現數據的存儲和處理。CC2540芯片外部接口電路如圖2所示。

4 軟件設計

4.1 軟件設計

首先進行系統的初始化，啟動操作系統，啟動操作系統的里面包含了：檢測是否創建任務、開機創建任務、檢測任務優先級并進行實時調度。然后開始執行任務。CC2540串口對天線及匹配電路接收到數據進行讀取和存儲，建立距離與信號強度的關系，定時監測數據值，當數據超出一定范圍觸發蜂鳴器進行報警。CC2540節點設備與物品標簽之間的識別及數據傳輸操作流程如下：

1）物品標簽發起掃描請求，系統節點設備發射廣告，兩者均為BLE4.0協議可以相匹配，建立連接。

2）物品標簽與外設建立連接關系，并等待UUID進入數據服務狀態。

3）返回狀態數據給標簽，進行監測。

物品標簽掃描發現節點設備并與之建立連接，即物品標簽的識別流程圖如圖3所示。

物品標簽識別CC2540節點設備并與之建立連接后，進行服務發現、信號強度的檢測及信號強度傳輸。實時地檢測信號強度值并保存在存儲器中，與規定的上限值進行比較，超出范圍則啟動蜂鳴器進行報警。信號的檢測報警流程如圖4所示。

4.2 系統測試

系統與內置BLE4.0協議的物品標簽互相識別后成功連接，CC2540集中器對接收到物品標簽發出的無線數據進行實時監測，在超出預定范圍后進行報警。

5 結束語

BLE4.0技術是應用范圍廣泛的藍牙技術，繼承傳統藍牙短距離傳輸的可靠性再融入高速、低功耗技術。本文設計的標簽識別系統采用小型鋰電池作為供電系統，在低功耗技術基礎上以極低的運行和待機功耗可以使設備連續工作幾個月甚至幾年之久。另外，3mS的啟動提高傳送距離，擁有AES—128安全加密，整個系統安全可靠。可實際應用于體育、醫療、家庭日常生活等眾多的領域。

參考文獻：

[1] 曹青春， 劉輝. 基于CC2540的藍牙射頻模塊設計[J]. 海南師范大學學報， 2013， 26（2）： 173-176.

[2] 余建華， 李有文. 基于CC2540藍牙4.0的雙向尋物報警器設計[J]. 機械工程與自動化， 2018（4）： 173-175.

[3] 徐峰， 刁節濤. 藍牙技術標準的發展與未來[J]. 電腦知識與技術， 2010， 6（15）： 4057-4059.

[4] 陳子龍， 張紅雨， 李俊斌. CC2540和SHT11的無線溫濕度采集系統設計[J]. 新器件新技術， 2013（4）： 41-44.

[5] 韋奮. 藍牙無線通信模塊設計[D]. 西安： 西安電子科技大學， 2008： 1-10.

[6] 李茂， 張宏， 李智， 等. 一種適用于無線網絡的倒F天線設計[J]. 信息與電子工程， 2006， 4（6）： 464-466.

【通聯編輯：謝媛媛】