基于BLE技术的智能寻物防丢器的设计与实现-刘俊峰,李振松

基于BLE技术的智能寻物防丢器的设计与实现刘俊峰，李振松*，李格菲，吕飞洋，刘嘉佩，杨萌（*北京信息科技大学信息与通信工程学院，北京 100101）摘 要：随着电子技术的发展，人们的生活节奏越来越快，不慎丢失物品的现象不时发生。为避免丢失物品造成不必要的损失，防丢失工具应运而生。随着技术的持续发展和不断完善，防丢失工具有了更加强大的抗干扰性能和更好的稳定性，离实际使用的要求越来越接近。本文采用传统的发射抑制原理，基于蓝牙低功耗技术（BLE），结合蓝牙4.0技术，设计并实现了一款智能防丢器。通过防丢器硬件和软件的精心设计，实现了防丢器无线蓝牙连接、信号检测、智能报警等基本功能，并进行了相应的系统功能测试，结果表明该设计方案结构简单、功能完善，具有较强的可行性和一定的实用价值。关键词：蓝牙低功耗技术，防丢器，蓝牙4.0 ，报警Design and Implementation of Smart Anti-lost Device Based on Bluetooth Low Energy Liu Junfeng, Li Zhensong, Li Gefei, Lv Feiyang, Liu Jiapei, Yang Meng(School of Information and Communication Engineering, Beijing Information Technology & Science University, Beijing 100101,China)Abstract: As the development of electronics technology, the pace of life becomes faster than ever before. Thereby people tend to lost something now and thenIn order to reduce loss, the anti-lost device was created. As technology continues to improve and perfect，the anti-lost device becomes stronger anti-interference and better stability, and is ready for the consumer. An anti-lost device system has been designed in this paper by using the previous emission suppression principle, including the bluetooth low energy technology. The anti-lost alarm uses the new Bluetooth technology 4.0,which plays an primary role in energy saving of this application. The system design of hardware and software are all completed and the main functions, including Bluetooth connection, signal detection and smart-alarm are exploitedFunction test confirms that the given anti-lost device has strong feasibility and practical value.Key words: Bluetooth Low Energy (BLE) , anti-lost device, Bluetooth technology 4.0, alarm一、引言在信息高速发展的时代的今天，随着生活节奏的加快，人们常常会因为丢失随身物件而带来一系列的麻烦。比如一些小的随身物件，如钥匙、手机、银行卡之类的东西，非常容易不经意的就找不着了，与此同时，贵重物品的丢失更加让人摸不着头脑。因此，我们就针对这一问题来研发一个基于BLE的智能寻物防丢系统。该系统由硬件和软件两部分组成。由硬件制成的小型贴片系在这些小的随身物件上，而这个小型贴片就会发出2.40GHz的射频信号，通过手机终端来接收信号，并进行分析。如果随身物件超出了设定的范围便会产生蜂鸣报警；如果在用户找不到物件时，也可以通过手机终端发出信号，此时贴片会产生蜂鸣报警，以此来找到物件的位置1。二、防丢器的整体框架设计对于防丢器的硬件系统主要由终端（手机）和接收机（贴片）构成（假设有5台接收机），如图1所示。接收机主要是完成与终端的匹配，在终端发出信号时能够接收到信号，并进行蜂鸣器报警；而终端主要功能是监测到接收机的状态，并与接收机进行广播通信。终端接收机接收机接收机接收机接收机无线射频图1. 防丢器硬件整体系统框架图三、防丢器无线通信方式的选择1. 无线通信技术市面上通用的无线通信技术包括了蓝牙、ZigBee、Wi-Fi等。随着时代的发展，无线技术也进行了适当的改变。基于对实际工程问题的考虑，人们会对无线通信技术进行适当的选择和比较。首先，我们先对这几种技术进行分析。第一，红外技术是现在通信和遥感的一种手段。红外线发射器发出多束红外光束，接收器对该红外光束进行接收，然后在转化为电信号，最后传给报警控制器。这种技术主要用在家庭监控报警系统当中，对切割红外信号时，就会产生报警。但是红外信号不能穿过障碍物，对寻找物件存在一定的局限信。第二，Wi-Fi技术是现在广为使用的一种技术，正式的名称是IEEE802.11b，该技术传输距离远，并且可以绕过障碍物，是防丢器的不错选择，但是如果使用这一技术，那么接收机的设备体积将无法保证，这样会显得比较笨重，不利于随身携带。第三，蓝牙技术，它工作在2.40GHz的ISM频段，传输距离相对较短，应用在短距离通信和嵌入式产品中，以及各种便携式通信设备中。然而我们这个问题重要考虑的是在随身物件的寻找，主要就是针对短距离的通信，并且蓝牙的信号也可以绕过障碍物，对这一问题，我们认为使用蓝牙技术是相对较好的一种选择。其次，蓝牙技术也有它的优点：发射功率自适应，低干扰；同时支持异步方式和同步方式；将频带分成若干个跳频信道，可以防止在ISM频段遇到干扰。总的来讲，各种无线通信技术各有优缺点，针对不同的实际问题，我们采取不同措施，来保证方案的优越性。2. BLE蓝牙技术的特点：(1)省电：BLE蓝牙技术可以让Radio层在工作时并不是一直保持着激活状态。并且在完成应答的过程中只需要发送3个数据包即可，再加上终端监听的时间远远比标准的蓝牙设备要快。这样，通过提高效率的方式来减少时间，从而表现出来延长了电池的使用寿命。(2)可靠：它采用了跳频的技术，即设备需要不断地搜索干扰较小的信道，以至于每隔一段时间就从一个频率跳到另一个频率，那么数据传输的可靠性就得到保证了。(3)多设备连接：标准的蓝牙在同一个时间只能一个主设备与一个从设备进行连接，但是，多个BLE蓝牙可以同时与主设备连接，而通信的只有一个BLE蓝牙设备。四、防丢器硬件模块设计接收机主要由纽扣式电源供电模块、控制模块、报警电路、天线接受模块、天线发射模块等。接收机组成的框图如图2所示。接收机使用3V纽扣电池供电，而不是是使用锂电池供电，目的是为了让接收机尽可能的小，方便携带，而且使用BLE蓝牙模块，具有寿命长的优点。终端与接收机匹配后，接收机接收到射频信号，对这个信号进行解调，还原成电信号，用控制电路完成对蜂鸣器的控制，实现报警。天线接收模块蓝牙控制模块天线发射模块报警电路无线信号电源供电模块无线信号按键与LED模块图2. 接收机组成的框图接收机模块在实现功能的同时，更重要的是实现低功耗，以此来让设备能长时间的工作。我们使用的是CC2540芯片，当低功耗蓝牙协议栈运行时，芯片不光要让定时器2工作，与此同时还要让睡眠定时器一起工作，且系统进入低功耗模式时，提供计时功能。事实上，芯片大部分时间工作在休眠状态，只有少部分的时间是在工作的，只要终端对其在极短的间断时间内，对其双方进行简单的呼叫和应答即可。BLE蓝牙的工作方式：BLE采用拓扑结构的方式，如图3所示 。A是通信的主设备，B、C和D是关于A的从设备。数据以帧的形式在链路层进行交换。ACBD图3. BLE拓扑结构图一般情况下，BLE工作在五种状态下:待机状态、广播状态、扫描状态、初始化状态和连接状态。在待机状态下，BLE不会接受和传送任何数据包；在广播状态下，主要是用来发送广播信号和监听响应两个作用；扫描状态则是用来监听信道中的数据包；初始化状态可以向指定的设备发出广播包和发起链接请求等。五、防丢器软件模块设计BLE蓝牙软件由2个主要组成部分：操作系统抽象层OSAL和硬件抽象层HAL，多个任务和事件在OSAL管理下工作，而每隔任务和事件由BLE协议栈和应用程序组成。BLE蓝牙运行的流程图，如图4所示。N蓝牙芯片初始化操作系统运行OSAL任务轮询事件发生比较优先级Y调用事件处理函数高处理结束YN图4. BLE蓝牙运行流程图防丢器工作可以分为两种情况：一种是在贴片超出范围的时候；一种是终端主动的寻找贴片的时候。以此来做到轻松寻物和安全防丢的要求。图5所示是系统具体工作流程图。安全范围内轻松寻物xunwu蓝牙芯片 按下寻物按钮显示断开连接前蓝牙的定位位置发光发声 安全防丢设置安全距离超出范围？N安全发射3次信号 回应Y 无回应安全范围外图5. 防丢器工作流程图六、结束语此智能防丢器以高性能、低功耗的CC2540芯片作为中央管理单元的处理器和低功耗蓝牙4.0无线通信协议作为通信技术，设计实现了主从蓝牙设备的连接，并且主从设备离开一定的距离后，蜂鸣器就会报警。而且从整体上考虑了稳定性、低功耗等性能。在整个过程中，作者查阅了大量的相关资料，但由于时间短、实验条件不足和水平有限，导致该设计仍存在很多的不足之处，有待于改进和完善。具体体现在：报警器可以发出用户指定的声音，以提高用户体验；可适当增加一些传感器，增强防丢器的功能，如加入GPS芯片，用户就可以在一定误差内实时了解其物件的大致位置；可提高硬件的制作工艺以及相应软件的优化，以方便用户的使用。总的来说，通过本次项目工作的锻炼，增进了对很多新的知识和一些未知的技术的了解，为以后的工作打下良好的基础。致谢本论文由2016年北京市大学生科技创新项目资助。参考文献1毛晓波.单片机原理及接口技术X. 北京:机械工业出版社,2015.2钱宗峰, 刘培国, 于飞. 单片机原理与项目实践:基于C语言X. 北京:机械工业出版社,2015.3柯博文. Android实战指南:智能电视、智能手表、穿戴设备、蓝牙4.0及周边设计T. 北京:清华大学出版社,2015.4毛剑飞, 周雪. 物联网技术实践教程:基于蓝牙4 T. 北京:清华大学出版社,2015.5欧阳骏, 陈子龙, 黄宁淋. 牙4.0BLE开发完全手册:物联