基于低功耗蓝牙技术防丢器的设计与实现

基于低功耗蓝牙技术防丢器的

设计与实现

Design and Implementation of Lose Control Device Based on BLE

摘要

随着社会的进步，现代生活节奏的加快，在快节奏的都市生活中，人们外出的机会也越来越多，很多人常常会丢三落四，常常会记不清楚把手提包、钱包、手机等重要物品放在哪里。更要命的是有时候带孩子上街，稍不留意孩子就跑丢了。随身带的手提包、钱包、手机等重要物品有时候也不免被小偷盯上。为了防止这样的事情发生，人们可能直接将贵重物品挂在胸前、手腕上或者拴在腰上，或者直接塞进口袋。岂不知这样对自身的形象和舒适性产生很多影响。

于是电子防丢失报警器应运而生，它设计小巧玲珑，便于携带，广泛用于手机、钱包、箱包、小孩等贵重物品（人）的防偷及防丢失之用。其距离在一定范围内可以任意调节，具有防丢、寻找、警音（或附带振动）等功能，省电，环保，性能稳定可靠。方便适用，生活中必不可少。

本次课题针对的对象是老人（或小孩），旨在采用低功耗蓝牙技术，在老人意外走失时，防丢器能及时发出报警信息，让家人能通过手机接受到这一信息，以便采取相应措施防止老人走失，避免家人担心。

关键词：低功耗蓝牙 CC2540芯片防丢器

Abstract

With the progress of the society, to accelerate the pace of modern life, in the fast-paced city life, people go out opportunity also more and more, many people often forgetful, often can not remember the handbag, wallet, mobile phones and other important items to be placed in where. Awfuller is sometimes the kids in the street, a little attention the child ran away.Carry a handbag, wallet, mobile phone and other important items are sometimes not thieves eyeing. In order to prevent the occurrence of such things, people may direct the valuables hanging in the chest, wrists or tied around the waist, or directly into his pocket. Have a lot of influence on their own do not know such image and comfort.

So the electronic anti lost alarm came into being. It is designed with small and exquisite, easy to carry, widely used for stealing and loss prevention in the prevention of mobile phones, wallets, bags, children and other valuables (person). The distance in a certain range can be adjusted, with anti lost, search, alarm sound (or incidental vibration) and function, energy saving, environmental protection, stable and reliable performance. Easy to apply, essential in life.

The topic for the object is the old man (or child), aims to use low power Bluetooth technology, in the old man accidentally lost, anti lost device can issue timely warning information, let the family can be via mobile phone to receive this information, in order to take corresponding measures to prevent the old man lost, avoid family worry.

Keywords:Low Power Bluetooth CC2540 chip lose control device

目录

摘要................................................................I Abstract............................................................II 绪论. (1)

1 蓝牙技术背景 (2)

2 BLE 特点 (3)

3 BLE 结构概述 (4)

3.1 体系结构 (4)

3.2 物理层PHY规范 (6)

3.3 链路层LL规范 (6)

3.4 HIC 规范 (7)

3.5 主机规范 (8)

4 防丢器 (10)

4.1 原理 (10)

4.2 功能 (10)

5 硬件设计 (12)

5.1 防丢器的硬件设计 (12)

5.2 蓝牙芯片的选型 (12)

5.3 CC2540 芯片模块的设计 (14)

5.4 设计中采取的抗干扰措施 (15)

6 软件设计 (16)

7 测试 (20)

结论 (21)

致谢 (22)

参考文献 (23)

绪论

本文设计的低功耗蓝牙防丢器使用了以前的发射抑制原理，无线电信号通过传感器发出，如果手持设备可以接收到信号，则不报警，但是假如它们相互之间的距离超过预定的距离，手持设备就会因接收不到传感器的无线电信号而发出报警声，从而警告使用者。

防丢器使用了低功耗蓝牙技术，它结合了以前所有蓝牙技术，因为高版本蓝牙会自动融合低版本蓝牙。一枚纽扣大小的电池在使用低功耗蓝牙技术时，工作时间可长达半年之久，而且还非常安全、廉价，因此是设计此防丢器的不二选择。硬件的智能模块使用的是CC2540芯片，该芯片具有低功耗、体积小、廉价等特点。在设计中，考虑了低成本、低功耗、低复杂度等特点。

本文的结构安排，首先简单说明了蓝牙技术背景和低功耗蓝牙技术的特点；其次概述了低功耗蓝牙技术的体系结构；再次介绍了关于防丢器软硬件的设计；最后进行相关测试。接下来对本次设计进行总结，并对其中的不足进行了展望。综上所述，本次设计出的防丢器可以为防止丢失物品甚至儿童、老人提供一套简单的解决方案。

1 蓝牙技术背景

蓝牙（Bluetooth）技术，是一种短距离低成本的无线通信技术，它能够实现语言与数据无线传输，同时具有开放性。

蓝牙是无线数据和语音传输的开放式标准，它将各种通信设备、计算机及其终端设备、各种数字数据系统、甚至家用电器采用无线方式联接起来。它的传输距离为10cm～10m，如果增加功率或是加上某些外设便可达到100m的传输距离。它采用2.4GHz ISM频段和调频、跳频技术，使用权向纠错编码、ARQ、TDD 和基带协议。TDMA每时隙为0.625μs，基带符合速率为1Mb/s。蓝牙支持64kb/s 实时语音传输和数据传输，语音编码为CVSD，发射功率分别为1mW、2.5mW 和100mW，并使用全球统一的48比特的设备识别码。由于蓝牙采用无线接口来代替有线电缆连接，具有很强的移植性，并且适用于多种场合，加上该技术功耗低、对人体危害小，而且应用简单、容易实现，所以易于推广。

蓝牙技术诞生于1994年，而在1998年，英特尔、IBM、东芝、诺基亚和爱立信联合推出蓝牙技术，由随后成立的蓝牙技术特殊兴趣组织（SIG）来负责该技术的开发和协议的制定。SIG组织在1999年正式推出了蓝牙技术规范1.0版本。在2004年发布2.0+EDR版本，由于增强数据率(EDR)的推出，它能够实现更快速的数据传输。EDR的标称速率是3 Mbit/s，尽管实践中的数据传输速率为2.1 Mbit/s。EDR使用GFSK、相移键控(PSK)调制和π/4-DQPSK、8DPSK两个变量的组合。EDR可通过减少工作周期提供更低的功耗。于2007年推出的2.1+EDR版本最大的特点是安全简易配对(SSP):它为蓝牙设备提高了配对体验，同时也提升了安全性的实际应用和强度。于2009年推出的蓝牙3.0+HS的传输速率理论可高达24 Mbit/s，尽管这并非是通过蓝牙链接本身。相反，蓝牙链接是用于协商和建立，高速的数据传输是由相同位置的802.11链接完成的。主要的新特性是AMP(Alternative MAC/PHY)，它也是802.11新增的高速传输功能。于2010年正式推出蓝牙核心规格4.0 (称为Bluetooth Smart)。它包括经典蓝牙、高速蓝牙和蓝牙低功耗协议。高速蓝牙基于WiFi，经典蓝牙则包括旧有蓝牙协议。

4.0版本的一般性改进包括推进蓝牙低功耗模式所必需的改进、以及通用属性配置文件(GATT) 和AES加密的安全管理器(SM) 服务。于2013年推出的蓝牙4.1是对蓝牙4.0版本的一次软件更新,2014年推出的蓝牙4.2则是一次硬件更新。

2 BLE特点

低功耗蓝牙是蓝牙 4.0的一项关键功能，它重新定义了蓝牙技术的使用方式。它延续了传统蓝牙技术的精神，同时增加了新的低功耗运行模式，提供多种新类型的使用案例和应用可能性。

低功耗蓝牙针对小量信息传输进行了最佳化设计，维持最低延迟。低功耗蓝牙的整体数据传送时间远远低于传统蓝牙。与传统蓝牙技术相比，低功耗蓝牙也是利用快速跳频，将干扰减至最低，因此非常适用于包含多种不同通信协议设备的家庭环境。利用自适应跳频技术（adaptive hopping）和暂时并列（temporal coexistence）技术，低功耗蓝牙技术可以与WiFi一起置于一个功能齐全但小巧的装置内。

并存技术和超低功耗，让低功耗蓝牙技术成为简单装置最理想的无线技术，从遥控器到监测器等，这些应用都要求不能频繁更换电池。从具备超产电池寿命的基本遥控，到高端键盘遥控器等，低功耗蓝牙技术提供了一项有效的解决方案。

由于应用的不同，低功耗蓝牙技术可以达到传统蓝牙技术二十到一百倍的功率效益，因此低功耗蓝牙技术在无线应用发展上有无穷潜力。所以，有很多搭载低功耗蓝牙技术的应用只需一颗小型纽扣电池，就可以使用很长时间，基本与该产品的生命周期一样长。当低功耗蓝牙技术大举进军消费性电子领域时，我们现用的电池将会被淘汰。

不同于其他无线技术，低功耗蓝牙技术的优势之一就是现如今市场上已有的数十亿蓝牙装置基础。低功耗蓝牙技术已逐渐开始被加入到现有的蓝牙芯片上，对设计厂商来说，增加的成本微不足道，又不用重新设计。与其他无线技术相比，这显然是一种重大的优势。

3 BLE 结构概述

3.1 体系结构

与经典蓝牙技术的体系结构相比较，低功耗蓝牙系统更加精简。低功耗蓝牙系统从上到下分别为应用层、Host 层、HIC 层（Host Controller Interface ）和Radio 层。其中，Radio 层又分为两部分：物理层、链路层。如下图1所示。

图3-1 低功耗蓝牙系统体系结构

协议栈最上层是应用层，定义各种不同种类的应用业务。低功耗蓝牙系统使用传感器应用、人机接口应用和钟表应用来优化功能。而Host 层则规范了低功耗蓝牙中一部分不可缺少协议的规范、低功耗蓝牙系统采用的安全模式和各种数据包的格式。HIC 层则是Radio 层和Host 层之间的桥梁，作用是为低功耗蓝牙

应用层 适配器 嵌入 应用 操作系统 集成

应用API

低功耗蓝牙

Host 应用4 应用3 应用2 应用1 协议1 协议2 应用适配器 协议 安全 模块 SA 通用访问应用GPA HIC

Radio 链路层LL 物理层PHY

系统的Radio 层的功能提供统一的访问接口。

链路层的基本功能则是将物理层提供的原始传输比特流中可能出错的物理连接改造为逻辑上无差错的数据链路，同时执行部分基带协议。链路层定义了许多的应用服务，可分为以下几种：

（1）在蓝牙传送中预约低功耗蓝牙无线通信服务。

（2）通过加密技术和优秀节能，提供可靠、稳定的点对多点之间的数据传输。

（3）通过交换参数，建立快速连接。

（4）搜索本地其他蓝牙设备。

（5）在本地设备上可以看见其他设备，并得知它们的采用低功耗空闲模式和广告服务。

物理层的工作频率是ISM 2.4GHz ，物理层速率是1Mb/s ，连接距离是5—10m ，它采用调频技术来降低信号的衰减和减少干扰。低功耗蓝牙技术还运用了频分多址FDMA(Frequency Division Multiple Access)和时分多址TDMA(Time Division Multiple Access)技术。采用FDMA 技术时，系统把频段分为40个物理信道，其中的三个用于广播信道，剩余的三十七个信道用于数据信道。

在拓扑结构上，经典蓝牙规范使用的是微微网(Piconet)和散射网(Scatternet)两种模式，而低功耗蓝牙技术则采用星形拓扑结构。如图2所示。其中A 为主设备，它可以和多个从设备进行通信；B 、C 、D 为从设备，它们只能和一个主设备进行通信。主从设备之间的通信数据包是在链路层的连接中被交换的。链路层和每个从设备之间的连接每次最多只有一个，并且每个链路层的连接只能由一个主设备和从设备组成。

图3-2 星形拓扑结构 B A C

D

主设备可以连接从设备的数量，经典蓝牙和低功耗蓝牙也不同。经典蓝牙中允许一个主设备可以和7-16777184个从设备之间进行通信，而低功耗蓝牙可以让一个主设备与无数个从设备进行通信。

在低功耗蓝牙中，Radio层分为五种不同的工作状态：连接状态、初始化状态、扫描状态、广播状态和待机状态。在同一时间内，蓝牙设备中只允许处于五种状态中的一种。同时这五种状态并不是每个蓝牙设备都需要使用的，但是广播状态和扫描状态是不可或缺的。

3.2 物理层PHY规范

物理层PHY规范位于协议中的最底层，它主要是解决如何收发空中数据的问题。

我国采用通用频带范围（2400-2483.5）MHz，射频信道为（2402+K*2）MHz,K=0,1，...，39，把频带均分为40个信道，每个信道宽2MHz。其中三个广播信道是固定的，用于建立连接和发现设备，采用此种方式可大大缩减建立连接所需要的时间。其余的37个信道采用自适应跳频技术来发送数据，从而减少干扰和辐射。而且系统在该频段中保留了保护带，下保护带预留2MHz,上保护带预留3.5MHz。

3.3 链路层LL规范

蓝牙设备之间是靠设备地址识别的，而地址又分为随机设备地址和公共设备地址，且都是48位的。公共设备地址是出厂就已确定的48位全球唯一蓝牙设备地址。随机设备地址包含两种格式：私有地址和静态地址，私有地址又分为不可分割设备地址和可分割设备地址。

在低功耗蓝牙技术中，TDMA使用于链路层的连接中，FDMA使用于连接的建立和在共同区域里共存的多个链路层的连接中。每一个数据信道或广播信道都只有唯一的索引去标识它。

设备发现需要有一个扫描者设备和一个广播者设备。广播者设备在广播信道中以广播事件的形式周期性地发送广播数据包。及时分割广播事件，是为了减少在广播信道上的干扰。扫描者设备会请求更多的关于广播设备的信息并作为扫描报告传输给Host层。广播者设备的链路连接建立后，它就可以对来自某个低功耗蓝牙设备的扫描者请求或连接请求做出响应。广播事件使用的是三个已被定义好的广播信道。广播者设备的Host层可决定广播信道是否被用于广播。

链路层有两种的事件操作：扫描、建立连接。设备扫描又分为主动扫描和被动扫描。前者扫描者设备会要求广播者设备发送比广播包更多的信息，而后者仅仅监听广播包，并不向广播者设备发送任何数据。

低功耗蓝牙中空中接口包只有一种类型，它被用在数据信道包中和广播信道包中。每个包可分为四部分：CRC、协议数据包、同步字和前导。如图3和图4所示。

LSB MSB

前导（8位）同步字（32位）

10101010 10001110100010011011111011010110 PDU CRC

图3-3 广播信道包结构

LSB MSB 前导（8位）同步字（32位）

10101010/01010101 访问地址PDU CRC(24位)/ICV(24位)

图3-4 数据信道包结构

3.4 HIC规范

HIC层是Radio层和Host层之间的桥梁，它提供了进入蓝牙基带的统一方式，是整个蓝牙协议体系中十分重要的部分。HIC层并不直接访问蓝牙设备的寄存器和内存空间，直接向设备发送指令和数据包，并从该设备接收数据包和响应时间包。

HIC层中流控制的使用是从Host层到Radio层，避免造成Radio层中数据缓冲区的溢出。Host层会基于Radio层缓冲区状态的信息做出判断，是否应该向Radio层提交新数据，或者是否等待。

总的来说，HIC层有两种等级的命令：系统命令和局部命令。局部命令会对一些Radio层中的行为做出要求，但它和别的低功耗蓝牙设备的行为或低功耗蓝牙包的接收行为是无关的。而系统命令则会导致Radio层的行为，这些行为的执行时间取决于别的低功耗蓝牙设备的行为。

3.5 主机规范

在低功耗蓝牙传输分组中，分组头总是首先发送的。分组头的功能是描述分组的类型，以及包含一些特定信息。主要有三种类型的分组：

（1）应用适配器PAL(Profile Adaption Layer)协议分组；

（2）属性协议分组；

（3）面向连接数据分组。

通用访问应用描述的是低功耗蓝牙设备访问系统进程的定义好需求。它包括低功耗蓝牙设备如何发送和与其他设备建立连接，如何扮演扫描、广播、连接的角色模式。图5显示了建立连接的流程，用虚线表示可选的操作模块。在链路层LL 连接处于激活模式时，可以在任意时间段内发送协议属性消息。

图3-5 连接过程

在创建连接之前，需要进行设备的查找与相关信息的收集，图2-5给出了创建连接流程。

在建立连接前，对于扫描设备来说，需要连接的设备必须是可见的。从设备B 的应用适配层将Radioc 层设置为可见模式，以及主机控制接口将通过 设备发送

LL 连接 加密

功能交换 使用ATP 传输配置数 剖面数据的传输

L2CAP 信道连接 信道中断 LL 连接终止

广播或扫描

HCI_Activate_Advertisement命令Radio层开始广播，而使用的广播参数则为TBD或是授权使用的应用。

当主设备A知道从设备B想进行连接后，会发送一个连接建立请求，该连接请求分组中包含需要进行连接设备的信息，而当从设备B的Radio层接收到该请求后，它会用HCI_Remote_LL_Connection_Request事件通知上一层。该事件同时说明了从设备B的Radio层不再处于广播状态，不会在继续发送广播分组。如果终止连接，从设备B就会重新初始化广播模式。而当从设备B的Radio层在通信通道接收到第一个分组数据时，它就会向从设备B发送HCI_Connection_Created事件，此时表明链路层完成连接，可以传输数据了。

关于连接的断开，可能有以下几个原因：

（1）协议超时；

（2）链路丢失（链路连接监控超时）；

（3）主机的初始化（主从设备都可以）。

4 防丢器

4.1 原理

随着现代生活节奏的不断加快，丢失各种物品，如手机、钱包，钥匙等等，甚至是儿童、老人，所以为了防止这此类事情的发生，防丢器产品应运而出，这种产品需要两个设备，如图6所示，其中传感器可至于需防丢的物品、小孩、老人等等上，手持设备则需要人们随身携带。手持设备与传感器之间通过低功耗蓝牙技术进行通信，当它们离开事先设定的距离时，手持设备便会报警。在外设方面，手持设备需一个蜂鸣器音量开关键、一个对码键、电压指示灯、配对指示灯，传感器则需要一个电压指示灯、一个码按键。

图4-1 防丢器原理

本次设计的防丢器是基于低功耗蓝牙技术的，同别的技术相比，蓝牙防丢器，超低功耗，对孩子、老人辐射小，尤其是其整体更小更轻，系脖子上、挂腰间、放口袋里都是很方便的。

4.2 功能

本次设计的防丢器可满足一下几点要求：

传感器与手持设备都需要节能，即使用一枚纽扣电池可使该防丢器工作时间不少于三个月；

（1）通信可靠安全，由于防丢器可保护人们的财产、小孩老人的安全等，所以需要稳定的通信技术使手持设备和传感器之间的信息进行安全的传输。

（2）成本低廉，因为防丢器并不是生活的必需品，但是丢失现象频繁发生，为了在未来容易推广和销售设备，必须对成本进行严格的控制。

将传感器安放或粘贴在老人身上，手持设备可由家人控制。当传感器在手持设备一定距离（0-30米，可以自行设置）内，手持设备一直能接收到传感器发 传感器1

...... 传感器2 手持设备

出的信号，不发出警报声；当传感器离开该距离后，手持设备不能接收到传感器发出的信号，手持设备发出报警声（可附带震动），提醒使用者注意。

当发现老人走丢后，可以手持手持设备进行寻找，开启寻找功能，设置最大距离进行寻找，当手持设备、传感器之间的距离达到设置距离时，手持设备可接受到传感器发出的无线电信号，此时手持设备、传感器同时发出警报声（警报声可设计大些），由此判断双方大概位置。

手持设备与传感器之间基于蓝牙4.0协议的2.4G进行无线通信，以通信时的信号强度RSSI（Received Signal Strength Indication）为参考，再加上一系列的滤波算法，最终基本上实现测量防丢母机与子机之间的距离。最容易实现的方法是通过读取接收RSSI值来计算。无线通讯中功率与距离的关系如下：PR（dBm）=A-10·n·lg r

其中A可以看作是信号传输1米远时接收信号的功率，n是传播因子（它受障碍、温度和湿度等影响），r是节点之间的距离。当确定了常数A与n的值后，就可以根据PR（dBm）大致计算出距离r。