物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用 課件 項(xiàng)目五基于藍(lán)牙4.0的溫度計(jì)系統(tǒng)

項(xiàng)目五基于藍(lán)牙4.0的溫度計(jì)系統(tǒng)01任務(wù)一：建立藍(lán)牙4.0硬件環(huán)境智能穿戴設(shè)備的應(yīng)用智能可穿戴設(shè)備在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用場景也日趨豐富，如實(shí)時采集人體溫度信息等。數(shù)字健康產(chǎn)業(yè)受關(guān)注隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的快速發(fā)展，以智能可穿戴設(shè)備為代表的數(shù)字健康產(chǎn)業(yè)備受關(guān)注。老齡化進(jìn)程與養(yǎng)生需求我國老齡化進(jìn)程加快，人民群眾的養(yǎng)生需求與日俱增，對醫(yī)療健康領(lǐng)域的需求也越來越高。項(xiàng)目背景能夠搭建BLE（BluetoothLowEnergy，低功耗藍(lán)牙）協(xié)議棧的開發(fā)環(huán)境并完成工程建立、配置、調(diào)試與下載。能夠根據(jù)應(yīng)用需求修改BLE協(xié)議棧，組建BLE通信網(wǎng)絡(luò)。職業(yè)技能目標(biāo)本任務(wù)要求設(shè)計(jì)一個BLE技術(shù)的溫度監(jiān)測儀，并建立BLE通信網(wǎng)絡(luò)，完成外設(shè)與集中器的設(shè)備發(fā)現(xiàn)、請求連接、建立連接和終止連接等操作。任務(wù)描述與需求任務(wù)一：建立藍(lán)牙4.0硬件環(huán)境藍(lán)牙的定義藍(lán)牙是愛立信、諾基亞、東芝、國際商業(yè)機(jī)器公司以及英特爾等5家公司于1998年5月聯(lián)合發(fā)布的一種無線通信新技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備與移動設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。藍(lán)牙技術(shù)主要包含兩種技術(shù)：基本速率（BasicRate，BR）和低功耗（LowEnergy，LE），它們之間是不能互相通信的。BasicRate是傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)，包括可選的增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率（EnhancedDataRate，EDR）技術(shù)，以及交替使用的MAC層和PHY層擴(kuò)展（簡稱AMP）。知識梳理藍(lán)牙系統(tǒng)的組成知識梳理根據(jù)藍(lán)牙核心規(guī)范，藍(lán)牙系統(tǒng)的組成如圖所示，藍(lán)牙協(xié)議由藍(lán)牙核心協(xié)議和藍(lán)牙應(yīng)用層協(xié)議構(gòu)成。藍(lán)牙核心由兩部分構(gòu)成，分別是主機(jī)和控制器?？刂破靼ㄖ骺刂破骱投鄠€輔助控制器，負(fù)責(zé)定義射頻、基帶等硬件規(guī)范，并在此基礎(chǔ)上抽象出通信的邏輯鏈路（LogicalLink）。知識梳理藍(lán)牙核心的構(gòu)成藍(lán)牙核心由兩部分構(gòu)成，分別是主機(jī)和控制器?？刂破靼ㄖ骺刂破骱投鄠€輔助控制器，負(fù)責(zé)定義射頻、基帶等硬件規(guī)范，并在此基礎(chǔ)上抽象出通信的邏輯鏈路（LogicalLink）。藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用主機(jī)在邏輯鏈路的基礎(chǔ)上封裝藍(lán)牙技術(shù)的細(xì)節(jié)，以便實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙的應(yīng)用、開發(fā)。在一個藍(lán)牙系統(tǒng)中，藍(lán)牙核心只能有一個主機(jī)，但可以存在一個或多個控制器。藍(lán)牙技術(shù)的演練歷程目前，藍(lán)牙共發(fā)布了11個版本，從1.1到5.2。每個版本都在前一個版本的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，以提供更好的性能和更廣泛的應(yīng)用場景。藍(lán)牙5.0：2016年發(fā)布，更高速率，更遠(yuǎn)距離，大容量廣播，無需配對接收信標(biāo)數(shù)據(jù)藍(lán)牙技術(shù)概覽藍(lán)牙1.1/1.2：基礎(chǔ)版，1Mbit/s速率，易受干擾藍(lán)牙2.1+EDR：里程碑，2.1Mbit/s速率，多設(shè)備連接，低功耗高速與低功耗藍(lán)牙3.0+HS：24Mbit/s速率，802.11PAL集成，Wi-Fi級傳輸藍(lán)牙4.x+LE：轉(zhuǎn)向低功耗，4.0版本2010年發(fā)布，4.1/4.2增強(qiáng)安全性與連接性物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化藍(lán)牙技術(shù)的演練歷程目前，藍(lán)牙共發(fā)布了11個版本，從1.1到5.2。每個版本都在前一個版本的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，以提供更好的性能和更廣泛的應(yīng)用場景。低功耗藍(lán)牙技術(shù)概述低功耗藍(lán)牙的應(yīng)用領(lǐng)域主要應(yīng)用于醫(yī)療保健、運(yùn)動健身、信標(biāo)、安防、家庭娛樂等領(lǐng)域。低功耗藍(lán)牙的核心特點(diǎn)低功耗、低成本、快速連接、長距離通信等。藍(lán)牙4.0與低功耗藍(lán)牙藍(lán)牙4.0是藍(lán)牙技術(shù)的一個重要版本，其中就包含了低功耗藍(lán)牙（BLE）技術(shù)。ble技術(shù)的特點(diǎn)詳解低功耗藍(lán)牙技術(shù)提供了穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，能夠保證數(shù)據(jù)的高可靠性，使得在醫(yī)療保健、安防等領(lǐng)域的應(yīng)用更加可信賴。高可靠性與數(shù)據(jù)傳輸相較于經(jīng)典藍(lán)牙，低功耗藍(lán)牙顯著降低了功耗和成本，使得更多的設(shè)備能夠采用這項(xiàng)技術(shù)，拓寬了其應(yīng)用范圍。低功耗藍(lán)牙技術(shù)不僅支持遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸，還具有良好的抗干擾能力，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和準(zhǔn)確性。低成本、低功耗的優(yōu)勢低功耗藍(lán)牙技術(shù)能夠快速啟動并瞬間完成設(shè)備間的連接，為用戶提供了流暢的使用體驗(yàn)。快速啟動與瞬間連接體驗(yàn)01020403遠(yuǎn)距離傳輸與抗干擾能力任務(wù)實(shí)施CC2541模塊介紹藍(lán)牙4.0模塊采用的CC2541是一款針對低功耗及私有2.4GHz頻段應(yīng)用的功率優(yōu)化的真正片上系統(tǒng)解決方案，結(jié)合了射頻收發(fā)器的出色性能、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051MCU、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8KBRAM及很多其他強(qiáng)大功能器件。CC2541提供的外設(shè)CC2541提供了多種外設(shè)，包括21個通用I/O引腳、閃存控制器、5個通道的DMA控制器、6個通用定時器、2個串口和1個隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。硬件選型本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)基于藍(lán)牙4.0的溫度計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過藍(lán)牙傳輸采集到的溫度數(shù)據(jù)，在應(yīng)用開發(fā)之前可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行硬件選型。030201溫度模塊DS18B20接線方便，封裝后可應(yīng)用于多種場合，如管道式、螺紋式、磁鐵吸附式、不銹鋼封裝式，型號多種多樣。DS18B20的應(yīng)用場合開發(fā)環(huán)境搭建CC2541和CC2530采用的開發(fā)環(huán)境都為IAREmbeddedWorkbenchfor8051，具體開發(fā)環(huán)境搭建可以參考項(xiàng)目二的任務(wù)一。溫度模塊采用常用的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其輸出的是數(shù)字信號，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)。任務(wù)實(shí)施BLE協(xié)議棧版本選擇根據(jù)應(yīng)用需求及硬件選型方案，選用TI公司提供的BLE協(xié)議棧，版本號為1.3.2，安裝包名為BLE-CC254x-1.3.2。BLE協(xié)議棧文件結(jié)構(gòu)從TI官方網(wǎng)站下載藍(lán)牙安裝包BLE-CC254x-1.3.2后，雙擊即可進(jìn)行安裝，默認(rèn)安裝路徑是“C:\TexasInstruments\BLE-CC254x-1.3.2”。任務(wù)實(shí)施BLE協(xié)議棧工程文件BLE協(xié)議棧軟件包的文件結(jié)構(gòu)BLE協(xié)議棧軟件包的各文件夾內(nèi)容如下。（1）Accessories：附件，如USB驅(qū)動、Hex文件。（2）Components：組件，此文件夾下有4個二級文件夾，“ble”存儲協(xié)議棧源代碼，“hal”存儲硬件驅(qū)動，“osal”存儲操作系統(tǒng)抽象層源代碼、“services”存儲系統(tǒng)服務(wù)的相關(guān)文件。（3）Documents：說明文檔，如協(xié)議棧API、示例工程說明文檔等。（4）Projects：工程文件。協(xié)議棧示例工程的結(jié)構(gòu)分析工程結(jié)構(gòu)分析以SimpleBLEPeripheral示例工程為例，分析工程結(jié)構(gòu)。在路徑“C:TexasInstrumentsBLE-CC254x-1.3.2ProjectsbleSimpleBLEPeripheralCC2541DB”下雙擊“SimpleBLEPeripheral．eww”，系統(tǒng)將自動使用IAREmbeddedWorkbench軟件打開該示例工程。示例工程分析圖5-1-3中的“Projects/ble”文件夾中可以看到多個示例工程，涉及傳感器的實(shí)際應(yīng)用和藍(lán)牙系統(tǒng)的角色。協(xié)議棧示例工程的結(jié)構(gòu)分析工程文件夾分組工程文件夾的分組情況如下。（1）APP：包含應(yīng)用程序源代碼和頭文件。（2）HAL：包含硬件抽象層源代碼和頭文件。協(xié)議棧庫文件LIB：包含協(xié)議棧庫文件。NPI：包含網(wǎng)絡(luò)處理器接口文件。OSAL：包含操作系統(tǒng)抽象層源代碼和頭文件。GAP角色與安全PROFILES：包含GAP角色、GAP安全、GATT的源代碼和頭文件。TOOLS：包含buildConfig.cfg、buildComponents.cfg、OnBoard.c和OnBoard.h，用于處理用戶接口。編譯輸出結(jié)果OUTPUT：IAR集成開發(fā)環(huán)境編譯輸出的結(jié)果，如目標(biāo)文件、庫文件等，便于用戶查看和管理編譯輸出。按照路徑“C:TexasInstrumentsBLE-CC254x-1.3.2ProjectsbleSimpleBLEPeripheralCC2540DB”打開SimpleBLEPeripheral.eww工程。打開工程任務(wù)基于協(xié)議棧的SimpleBLEPeripheral工程進(jìn)行，打開工程后選擇“CC2540”選項(xiàng)。協(xié)議棧工程打開SimpleBLEPeripheral工程串口初始化配置串口初始化添加串口初始化函數(shù)，串口初始化其實(shí)就是配置串口號、波特率、流控、校驗(yàn)位等，具體代碼如下。配置波特率和流控代碼中通過配置uartConfig.baudRate和uartConfig.flowControl來設(shè)置串口的波特率和流控，具體數(shù)值可根據(jù)需求進(jìn)行修改。添加串口初始化函數(shù)在最新的BLE協(xié)議棧中添加了NPI接口，所以可以直接利用該接口進(jìn)行串口的操作。在NPI文件夾下找到npi.c文件。030201配置串口緩沖區(qū)通過配置uartConfig.rx.maxBufSize和uartConfig.tx.maxBufSize來設(shè)置串口接收和發(fā)送緩沖區(qū)的大小，以適應(yīng)不同的數(shù)據(jù)傳輸需求。配置串口調(diào)用函數(shù)通過配置uartConfig.callBackFunc來設(shè)置串口調(diào)用函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)接收和發(fā)送時的函數(shù)調(diào)用。打開UART串口通過調(diào)用HalUARTOpen函數(shù)來打開UART串口，并將halUARTCfg_t類型的結(jié)構(gòu)體變量作為參數(shù)，以配置串口相關(guān)的參數(shù)。配置空閑超時和中斷通過配置uartConfig.idleTimeout和uartCEnable來設(shè)置串口的空閑超時時間和中斷使能狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)超時控制和中斷處理。串口初始化串口發(fā)送添加頭文件語句在初始化代碼的后面加入一條上電提示“HelloWorld”，具體代碼為NPI_WriteTransport("HelloWorldn",12);//（串口0，‘字符’，字符個數(shù)）。編譯程序?qū)Τ绦蜻M(jìn)行編譯，編譯完成如圖5-1-11所示，接下來單擊下載程序按鈕即可將程序下載到藍(lán)牙開發(fā)板中，單擊“全速運(yùn)行”按鈕。連接調(diào)試助手將USB轉(zhuǎn)串口線連接到藍(lán)牙開發(fā)板上，打開串口調(diào)試助手可以看到串口調(diào)試助手接收到CC2540模塊發(fā)送來的信息，如圖5-1-12所示。程序編譯對程序進(jìn)行編譯，編譯完成如圖5-1-11所示，接下來單擊下載程序按鈕即可將程序下載到藍(lán)牙開發(fā)板中，單擊“全速運(yùn)行”按鈕。01.運(yùn)行調(diào)試串口調(diào)試助手將USB轉(zhuǎn)串口線連接到藍(lán)牙開發(fā)板上，打開串口調(diào)試助手可以看到串口調(diào)試助手接收到CC2540模塊發(fā)送來的信息。02.串口發(fā)送功能可通過調(diào)用NPI_WriteTransport(uint8*,uint16)實(shí)現(xiàn)串口發(fā)送功能。本任務(wù)瀏覽了BLE協(xié)議棧，并通過BLE協(xié)議棧完成了串口的調(diào)用和發(fā)送功能。03.02任務(wù)二：設(shè)計(jì)藍(lán)牙無線控制功能任務(wù)二：設(shè)計(jì)藍(lán)牙無線控制功能職業(yè)技能目標(biāo)了解BLE協(xié)議棧及其工作模式。能夠根據(jù)應(yīng)用需求讀寫特征值，完成相應(yīng)的控制需求。任務(wù)描述與需求本任務(wù)要求實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙溫度計(jì)的異常溫度報警，并通過集中器控制報警器的開關(guān)。BLE標(biāo)準(zhǔn)的主機(jī)與從機(jī)建立連接的過程外設(shè)上電后進(jìn)入“發(fā)送廣播”狀態(tài)，等待被掃描。外設(shè)發(fā)送廣播集中器上電后進(jìn)入“發(fā)現(xiàn)設(shè)備”狀態(tài)，發(fā)送“掃描請求”信息，掃描正在發(fā)送廣播的外設(shè)。集中器首先向外設(shè)發(fā)送連接請求，外設(shè)響應(yīng)連接請求，然后兩個設(shè)備進(jìn)入“連接”狀態(tài)。集中器發(fā)送掃描請求外設(shè)接收到“掃描請求”信息后，判斷兩者通用訪問配置文件服務(wù)的UUID，若匹配則回復(fù)“掃描響應(yīng)”信息。外設(shè)回復(fù)掃描響應(yīng)01020403建立連接控制器部分控制器部分主要包括物理層、鏈路層、主機(jī)控制器接口（HCI）層。應(yīng)用層BLE的軟件平臺支持兩種不同的應(yīng)用開發(fā)配置，即單一設(shè)備配置和網(wǎng)絡(luò)處理器配置。主機(jī)部分主機(jī)部分包括通用訪問配置文件（GAP）層、邏輯鏈路控制及自適應(yīng)協(xié)議（L2CAP）層、安全管理（SM）層、屬性協(xié)議（ATT）層、通用屬性配置文件（GATT）層。BLE協(xié)議棧分層設(shè)計(jì)BLE協(xié)議棧采用分層的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括控制器部分和主機(jī)部分。BLE協(xié)議棧架構(gòu)GATT層旨在設(shè)計(jì)應(yīng)用程序在兩個連接設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信，與用戶直接打交道。GATT層功能從GATT層的角度看，設(shè)備連接后，它會充當(dāng)GATT客戶端或GATT服務(wù)器角色，與BLE鏈路層的從機(jī)和主機(jī)的角色完全獨(dú)立。GATT客戶端與服務(wù)器角色一個GATT服務(wù)器可以由多個完成一個特定功能的GATT服務(wù)器組成。GATT服務(wù)器組成BLE協(xié)議深度介紹在SimpleBLECentral應(yīng)用程序中有三個必備的GATT服務(wù)，包括MandatoryGAPService、MandatoryGATTService和SimpleGATTProfileService。BLE協(xié)議深度介紹Profile定義了設(shè)備如何實(shí)現(xiàn)連接或應(yīng)用，用戶可根據(jù)需要自行實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的Profile，不必帶來更大開銷。非標(biāo)準(zhǔn)的Profile有SimpleGATTProfile和SimpleKeyProfile，下面將通過Profile的實(shí)驗(yàn)介紹其特性和使用。GATTProfile用于存儲和處理GATT服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，特征值定義如表5-2-1所示，從機(jī)程序流程圖如圖5-2-3所示，主機(jī)程序流程圖如圖5-2-4所示。BLE協(xié)議深度介紹任務(wù)目的藍(lán)牙4.0模塊應(yīng)用藍(lán)牙4.0模塊+繼電器模塊實(shí)現(xiàn)無線控制，通過藍(lán)牙控制繼電器的通斷來實(shí)現(xiàn)報警裝置的開關(guān)控制。計(jì)算機(jī)或手機(jī)作為主機(jī)將模塊、計(jì)算機(jī)或手機(jī)作為主機(jī)，連接從機(jī)，主機(jī)通過按鍵S1發(fā)送數(shù)據(jù)給從機(jī)。從機(jī)執(zhí)行控制繼電器指令從機(jī)接收到信息后執(zhí)行控制繼電器指令，從而控制報警燈。過程在BLE協(xié)議棧中進(jìn)行整個過程在BLE協(xié)議棧（BLE-CC254x-1.3.2）中進(jìn)行，確保了通信的可靠性和穩(wěn)定性。任務(wù)原理繼電器（Relay）是當(dāng)輸入量（激勵量）的變化達(dá)到規(guī)定要求時在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定階躍變化的一種電器。它具有控制系統(tǒng)（又稱為輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱為輸出回路）之間的互動關(guān)系，通常用于自動化的控制電路中。繼電器實(shí)際上是用小電流去控制大電流運(yùn)作的一種“自動開關(guān)”，故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。本任務(wù)中使用的繼電器硬件原理如圖5-2-5所示。添加初始化代碼設(shè)置輸出高電平初始化GPIO引腳設(shè)置為輸出模式打開SimpleBLEPeripheral.eww工程，在SimpleBLEPeripheral_Init初始化函數(shù)中添加繼電器P0_7的初始化代碼，設(shè)置為輸出。使用P0_7作為繼電器控制的GPIO引腳，由于繼電器低電平觸發(fā)，因此初始化輸出為高電平，以防止繼電器跳變。初始化報警控制使用的GPIO引腳，由于使用的GPIO可能會被系統(tǒng)占用，所以在系統(tǒng)運(yùn)行后，強(qiáng)行將該GPIO設(shè)置為輸出控制。P0_7=1;//防止繼電器跳變，初始化為高電平P0DIR|=BV(7);//設(shè)置為輸出模式P0SEL&=~BV(7);//設(shè)置為普通GPIO核心代碼03任務(wù)三：設(shè)計(jì)藍(lán)牙溫度計(jì)職業(yè)技能目標(biāo)能夠搭建BLE（BluetoothLowEnergy，低功耗藍(lán)牙）協(xié)議棧的開發(fā)環(huán)境并完成工程建立、配置、調(diào)試與下載。能夠根據(jù)應(yīng)用需求修改BLE協(xié)議棧，組建BLE通信網(wǎng)絡(luò)。任務(wù)三：設(shè)計(jì)藍(lán)牙溫度計(jì)任務(wù)描述與需求設(shè)計(jì)一個藍(lán)牙溫度計(jì)，基于已經(jīng)建立的藍(lán)牙通信網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)應(yīng)用程序可以顯示藍(lán)牙外設(shè)采集的溫度數(shù)據(jù)。知識梳理一個藍(lán)牙主機(jī)可以同時連接多個從機(jī)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的一個從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)、斷開連接后，又可以有新的從機(jī)加入網(wǎng)絡(luò)，而且每個從機(jī)與主機(jī)斷開連接后，又可以加入另一網(wǎng)絡(luò)，即連接其他主機(jī)，這樣網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可拓展至多個，典型藍(lán)牙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5-3-1所示。典型的藍(lán)牙組網(wǎng)方式為星形網(wǎng)絡(luò)，由一個主機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)起連接、斷開連接，連接下一個從機(jī)等，主機(jī)程序組網(wǎng)流程如圖5-3-2所示。圖5-3-1典型藍(lán)牙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖5-3-2主機(jī)程序組網(wǎng)流程編寫溫度驅(qū)動函數(shù)01創(chuàng)建一個“ds18b20.c”文件和一個“ds18b20.h”文件，存儲在工程文件ProjectsbleSimpleBLEPeripheralSource中。編寫“ds18b20.c”文件，首先需要包含幾個頭文件，包括“iocc2540.h”、“OnBoard.h”、“ds18b20.h”。定義幾個常量，包括uint和uchar，以及Ds18b20Data、ON和OFF。ON表示讀取成功，OFF表示讀取失敗。0203創(chuàng)建文件包含頭文件定義常量編寫溫度驅(qū)動函數(shù)輸入初始化編寫函數(shù)Ds18b20InputInitial，用于將端口設(shè)置為輸入模式。通過修改P0DIR寄存器的值，將指定的端口設(shè)置為輸入。輸出初始化編寫函數(shù)Ds18b20OutputInitial，用于將端口設(shè)置為輸出模式。通過修改P0DIR寄存器的值，將指定的端口設(shè)置為輸出。延遲函數(shù)編寫一個微秒級延遲函數(shù)Ds18b20Delay，通過調(diào)用MicroWait函數(shù)實(shí)現(xiàn)。延遲時間根據(jù)輸入?yún)?shù)k的值進(jìn)行計(jì)算。0302