徐 曉 羅 劍

（1、湖南科技學(xué)院電子工程系，湖南 永州425100；2、湖南瀟湘技師學(xué)院，湖南 永州 425001）

藍(lán)牙技術(shù)在小區(qū)警情無線監(jiān)測中的應(yīng)用設(shè)計

徐 曉1羅 劍2

（1、湖南科技學(xué)院電子工程系，湖南 永州425100；2、湖南瀟湘技師學(xué)院，湖南 永州 425001）

藍(lán)牙技術(shù)目前是最先進(jìn)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它以低成本、近距離、微功耗的無線連接為基礎(chǔ),取代電纜,將一定范圍的計算機(jī)通信電路及設(shè)備連接起來,實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的快速互連。應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)與藍(lán)牙芯片 ROK101007相結(jié)合,提出了“智能小區(qū)警情監(jiān)控系統(tǒng)”方案,這種 高效、快速 低耗、穩(wěn)定、可靠 ”的方案,具有廣闊的應(yīng)用前景。

藍(lán)牙技術(shù)；警情監(jiān)控系統(tǒng)；大樓監(jiān)控中心；藍(lán)牙終端

引 言

伴隨著迅猛發(fā)展的數(shù)字通信技術(shù)和數(shù)字集成芯片 ,以藍(lán)牙技術(shù)為代表的局域無線移動通信技術(shù) ,正在不斷地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、百姓生活和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等各個領(lǐng)域。居民住宅小區(qū)、大型商場、賓館、車站、學(xué)校等場所的警情 (火災(zāi)、煤氣泄漏、盜竊、求救等 )時有發(fā)生 ,公安、物業(yè)管理和居民都希望有一種“快速、實(shí)用、可靠 ”的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)全天候無線自動監(jiān)測 ,以便及時得到警情信息 ,采取相應(yīng)措施 ,確保人民生命財產(chǎn)的安全。藍(lán)牙技術(shù)具有成本低、距離近、功耗微、抗干擾能力強(qiáng) 組網(wǎng)靈活等優(yōu)勢 ,是實(shí)現(xiàn)上述功能要求的理想選擇。

1 藍(lán)牙技術(shù) (Bluetooth)

藍(lán)牙設(shè)備工作在 2. 4～2. 5GHz的 IS M 頻段多數(shù)國家為 2400～2. 4835GHz,使用 79個頻道通道帶寬為 1MHz,頻率偏移在 140～175KHZ之間 ;采用時分雙工(TDD )工作方式 ;采用 BT = 0. 5的高斯濾波最小頻移鍵控 (GFSK)調(diào)制方式 ;最大發(fā)射功率為 100mw ( 20dBm )、2. 5mw ( 4dBm )和1mw ( 0dBm ) 3個等級。在 0～20dBm 的范圍內(nèi)采用功率控制。因此藍(lán)牙最適合的通信距離為 10～100m ,增加高頻功放可增加到千米以上。藍(lán)牙的基帶符號速率為 1Mbit /s,采用數(shù)據(jù)包的形式按時隙傳送 ,每時隙 0. 3625μs。跳頻技術(shù)使得藍(lán)牙系統(tǒng)具有足夠高的抗干擾能力和多址能力 ,對于單時隙包 ,藍(lán)牙的跳頻速率為 1600跳 / s;對于多時隙包 ,跳頻速率有所降低 ,但在建立鏈接時 (包括尋呼和查詢 ) ,則提高到 3200跳 / s。[1]

藍(lán)牙根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的概念 ,提供點(diǎn)到點(diǎn)和點(diǎn)到多點(diǎn)的無線鏈接 ,在任意有效的通信范圍內(nèi) ,利用時分多址 ( TDMA ) ,一個主設(shè)備 (提出通信要求的設(shè)備 )最多可以同時與 7個從設(shè)備 (被動通信設(shè)備 )進(jìn)行通信并和多個設(shè)備 (可超過200個 )保持同步 ,但不通信。1個主設(shè)備和多個從設(shè)備間存在通信所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)稱為藍(lán)牙微微網(wǎng)絡(luò) ; 2個以上的微微網(wǎng)絡(luò)存在設(shè)備間的通信 ,則構(gòu)成藍(lán)牙分散網(wǎng)絡(luò)。任一藍(lán)牙設(shè)備在微微網(wǎng)絡(luò)或分散網(wǎng)絡(luò)中 ,既可作為主設(shè)備又可作為從設(shè)備 ,或同時既是主設(shè)備又是從設(shè)備 ,因此 ,藍(lán)牙系統(tǒng)是無中心網(wǎng)絡(luò) ,具有自然靈活的組網(wǎng)方式。[2]

圖1 智能小區(qū)警情監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 智能小區(qū)警情監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

所謂智能小區(qū) ,就是將現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、通信與信息處理技術(shù)、多媒體技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)與傳統(tǒng)的土木建筑技術(shù)相結(jié)合的居民生活小區(qū)。目前國內(nèi)的智能小區(qū)構(gòu)建 ,有利用電話網(wǎng) , 利用有線電視網(wǎng)和單獨(dú)布線三種方案。其中以應(yīng)用 LonWorkS現(xiàn)場總線而單獨(dú)布線的方案被廣泛推廣和采用 ,但是 ,這種單獨(dú)布線的方案要將整個小區(qū)實(shí)現(xiàn)無縫隙的監(jiān)控 ,設(shè)備投入的成本和運(yùn)行維護(hù)的費(fèi)用自然很高。如何解決這一難題呢 ?

本文提出了圖1所示“有線 /無線混合網(wǎng)絡(luò)方案 ”,在圖 1將整個小區(qū)劃分為上層 (小區(qū)監(jiān)控中心 ) ,中層 (大樓監(jiān)控中心 ) ,下層 (用戶藍(lán)牙終端 )三個層次。中上層間構(gòu)成有線 (局域網(wǎng) )網(wǎng)絡(luò) ,中、 下層間構(gòu)成藍(lán)牙無線網(wǎng)絡(luò)。用戶藍(lán)牙終端(見圖 2 )主、從設(shè)備間可以采用有線、無線相結(jié)合的連接方式 ,主設(shè)備負(fù)責(zé)對用戶或公用設(shè)施監(jiān)控點(diǎn)中各個從設(shè)備 (包括各類傳感器、信號處理器、藍(lán)牙模塊和家電設(shè)備等 )進(jìn)行控制、管理 ,同時通過藍(lán)牙分散網(wǎng)絡(luò)及時和樓房監(jiān)控中心進(jìn)行無線通信 ,藍(lán)牙終端的主、從設(shè)備構(gòu)成藍(lán)牙微微網(wǎng)絡(luò)。大樓監(jiān)控中心，既要對樓內(nèi)用戶與樓內(nèi)公用設(shè)施監(jiān)控點(diǎn)的藍(lán)牙終端進(jìn)行連接與控制,又要負(fù)責(zé)完成與小區(qū)監(jiān)控中心的連接與控制。小區(qū)監(jiān)控中心則負(fù)責(zé)整個小區(qū)的公用設(shè)施與各大樓的用戶藍(lán)牙終端的信息進(jìn)行分析、處理和控制。

圖2 藍(lán)牙終端硬件圖

3 用戶藍(lán)牙終端設(shè)計

設(shè)計思想是依據(jù)藍(lán)牙協(xié)議中的串口應(yīng)用模型( SPP) ,實(shí)現(xiàn)對傳統(tǒng)串行電纜的替代。如圖 3所示 ,它包括單片機(jī)系統(tǒng)、顯示、報警、發(fā)射 /接收、看門狗、通信接口等。單片機(jī)系統(tǒng)中的 CPU可選用 AT89C2051 ,內(nèi)帶 2KB 的 Flash ,可重復(fù)擦寫 1000次 ,便于研制階段反復(fù)調(diào)試和修改。為了提高系統(tǒng)的可靠性 ,采用 X25045實(shí)現(xiàn)硬件看門狗功能 ,他也提供 512B 的 E2 PROM 保存重要的系統(tǒng)參數(shù)。每當(dāng)系統(tǒng)掉電、再上電后 ,通過串行時鐘輸出端將重要的系統(tǒng)參數(shù)讀到特定的 RAM 區(qū) ,使程序恢復(fù)正常運(yùn)行 ,串行 E2 PROM 93C46保存終端設(shè)備號碼與相關(guān)數(shù)據(jù)資料。同時設(shè)備會自動搜索附近的藍(lán)牙接入點(diǎn) AP (微微網(wǎng)絡(luò)中的主設(shè)備 )并與之鏈接 ,建鏈后就可以進(jìn)行透明的數(shù)據(jù)傳輸。用戶編寫的應(yīng)用程序和協(xié)議棧一起運(yùn)行在嵌入式環(huán)境中。在開發(fā)嵌入式藍(lán)牙設(shè)備和應(yīng)用系統(tǒng)時 ,可以采用 2種方式 :一種是采用只提供無線接口的簡單模塊 ,再針對該芯片組自行開發(fā)主芯片 ,該主芯片包括從基帶層到應(yīng)用層的完整藍(lán)牙協(xié)議棧 ,這種開發(fā)方式較為復(fù)雜 ,但不一定需要 HCI層。另一種方法是購買由供應(yīng)商提供已通過認(rèn)證測試的完整的藍(lán)牙芯片組進(jìn)行應(yīng)用開發(fā) ,即自己注重開發(fā)應(yīng)用部分 ,這樣 ,可以簡化開發(fā)過程和縮短開發(fā)周期。

4 大樓監(jiān)控中心設(shè)計

大樓監(jiān)控中心的硬件，值班室監(jiān)控服務(wù)器一側(cè)主機(jī)( PC機(jī) ) ,既可以采用模塊化設(shè)計,又可以將藍(lán)牙模塊作為添加的附件和插卡與主機(jī)連接。藍(lán)牙模塊和主機(jī)的接口采用USB接口, USB 接口不僅速度快 ,而且支持 pnp (即插即用 )。如 果 采 用 PC 標(biāo) 準(zhǔn) 串 行 口 中, 則要用 MAX 232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。另外,還需要用藍(lán)牙鏈接來對用戶進(jìn)行鑒權(quán) ,鑒權(quán)過程需提供 P I N 或鏈路密鑰,不能完成連接過程將被禁止傳輸數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

5 單芯片藍(lán)牙模塊

用戶終端主機(jī)從設(shè)備上和大樓監(jiān)控中心都用到的ROK101007芯片是 Ericss on公司生產(chǎn)的單芯片藍(lán)牙模塊 ,他支持 USB、 UART和 I2C接口 ,具有聲音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。該模塊符合藍(lán)牙 1. 1版本 ,并通過了 FCC / ETSI類型認(rèn)證。包括了 3個部分 :射頻模塊、基帶控制器和 Flash存儲器[3]。

( 1 )射頻模塊用來實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的無線連接 ,具體要完成頻率的合成 ,基帶模塊的數(shù)據(jù)比特信號的無線電信號的轉(zhuǎn)換過濾 ,并負(fù)責(zé)將無線電信號以一定的功率和跳頻頻率發(fā)送出去。該模塊由藍(lán)牙射頻芯片來實(shí)現(xiàn)射頻信號收 /發(fā) ,它包括環(huán)路濾波器、 壓控振蕩器、 射頻專用集成電路、 晶體管振蕩器、 接收 /發(fā)送電路、RX / TX 開關(guān)及無線過濾器。其中環(huán)路濾波器、壓控振蕩與射頻專用集成電路組成了鎖相環(huán)路 ( PLL )。發(fā)送和接收 ( RX /TX)部分共享 PLL ,數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收分別在不同的時隙進(jìn)行。根據(jù)給定的時間,PLL 可在不同的載波頻率上跳變。

6 結(jié) 語

上述應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)智能小區(qū)的警情無線有線混合監(jiān)測系統(tǒng)有五大優(yōu)勢:采集信息速度快;中上層間的局域網(wǎng)成本低 ,尤其是中下層用藍(lán)牙無線鏈路取代復(fù)雜電纜連線,實(shí)現(xiàn)透明數(shù)據(jù)傳輸、抗干擾能力強(qiáng) ;非人工的全天候自動監(jiān)測 ,不會出現(xiàn)鏈路中斷或數(shù)據(jù)出錯的情況,可靠性高 ;藍(lán)牙芯片的價格相對較低 ,功耗微 ,運(yùn)行成本低 ;不需要充電。它是一種高效、可靠、快速、安全、穩(wěn)定的監(jiān)測系統(tǒng)。藍(lán)牙技術(shù)將引起無線連接的測控系統(tǒng)和信息家電的大發(fā)展和變革,具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]金純,等.藍(lán)牙技術(shù) [M].北京：電子工業(yè)出版社,2005.

[2]侯春萍,宋俊德,宋梅譯.藍(lán)牙核心技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.

[3]張祿林.藍(lán)牙協(xié)議及其實(shí)現(xiàn)[M].北京:人民郵電出版社,2002.

O59

A

1673-2219（2010）12-0018-02

2010－09－15

本文為湖南科技學(xué)院資助重點(diǎn)研究項目。

徐曉（1974－），男，湖南岳陽人，副教授，從事自動控制方面的研究與教學(xué)。羅劍（1980－），女，湖南湘潭人，講師，從事機(jī)電一體化方面的研究與教學(xué)。

（責(zé)任編校：何俊華）