賈麗云++林曉煥

摘 要：作為藍(lán)牙4.0技術(shù)的核心規(guī)范，藍(lán)牙低功耗（BLE）無(wú)線技術(shù)給移動(dòng)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)人員提供了訪問(wèn)外部硬件通道，也使硬件工程師方便可靠地從每一個(gè)主流移動(dòng)操作系統(tǒng)訪問(wèn)BLE（ Bluetooth Low Energy ）設(shè)備。研究了藍(lán)牙低功耗技術(shù)協(xié)議原理及架構(gòu)，介紹了藍(lán)牙無(wú)線通信的幾種模式。以iOS為平臺(tái)提出了一種由BLE氣象數(shù)據(jù)采集模塊、iPhone手機(jī)以及手機(jī)上的專用APP構(gòu)成的動(dòng)態(tài)氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：iOS；iPhone；BLE；氣象監(jiān)測(cè)

DOIDOI：10.11907/rjdk.161944

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2016）011010303

0 引言

越來(lái)越多的手機(jī)及可穿戴設(shè)備使用藍(lán)牙4.0技術(shù)。該技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：①低功耗：在靜態(tài)狀態(tài)，一節(jié)鈕扣電池可支持?jǐn)?shù)年之久；②低成本：藍(lán)牙技術(shù)逐步成為智能手機(jī)標(biāo)配；③開(kāi)放性：以2.4GHz頻段全球開(kāi)放。藍(lán)牙4.0技術(shù)使可穿戴設(shè)備炙手可熱，小米手環(huán)、蘋(píng)果公司的iBeacon等產(chǎn)品受到大眾歡迎，加速了物聯(lián)網(wǎng)革命的發(fā)展進(jìn)程[1]。

1 BLE協(xié)議架構(gòu)

氣象數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集模塊使用Nordic自主研發(fā)的nRF51822藍(lán)牙低功耗2.4GHz片上系統(tǒng)。nRF51822采用優(yōu)化的32位ARM Cortex-M0處理器，使BLE模式達(dá)到-92.5dBm 敏感度，最高達(dá)+4dBm的輸出功率，支持256KB片上閃存和16KB RAM，成為行業(yè)領(lǐng)先者。

藍(lán)牙低功耗（BLE）協(xié)議棧分為應(yīng)用程序、主機(jī)和控制器3個(gè)部分，如圖1所示[2]。應(yīng)用程序負(fù)責(zé)與實(shí)際用例相關(guān)的邏輯、用戶界面和數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品特定功能；主機(jī)包含GAP、GATT、SMP、ATT、L2CAP以及HCI層，可管理兩個(gè)或多個(gè)BLE設(shè)備相互間的通信；控制器主要用于收發(fā)編碼過(guò)的無(wú)線信號(hào)，并通過(guò)解碼這些信號(hào)獲取內(nèi)部信息包[3]。

（1）物理層（PHY）。包含模擬通信電路，負(fù)責(zé)調(diào)制解調(diào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)[4]。

（2）鏈路層（LL）。負(fù)責(zé)管理設(shè)備協(xié)議棧狀態(tài)，此層定義4個(gè)角色：①?gòu)V告者（Advertiser）：發(fā)送廣告包的設(shè)備；②掃描儀（Scanner）：掃描廣告包設(shè)備；③主人（Master）：?jiǎn)?dòng)連接并對(duì)連接進(jìn)行管理的設(shè)備；④奴隸（Slave）：接受連接請(qǐng)求并與控制者時(shí)間同步[5]。

（3）主機(jī)控制接口（HCI）是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。允許主機(jī)和控制器在串行接口進(jìn)行通信[6]。

（4）邏輯鏈路控制和自適應(yīng)協(xié)議（L2CAP）。是一個(gè)協(xié)議多路復(fù)用器，負(fù)責(zé)將上層的多個(gè)協(xié)議封裝成標(biāo)準(zhǔn)的BLE數(shù)據(jù)包格式，它支持分段和重組。

（5）安全管理協(xié)議（SMP）。既是一個(gè)協(xié)議也是一系列安全算法，負(fù)責(zé)為藍(lán)牙協(xié)議棧提供生成和交換安全密鑰能力，讓各節(jié)點(diǎn)通過(guò)加密鏈接安全交流，信任遠(yuǎn)程設(shè)備身份[7]。

（6）屬性協(xié)議（ATT）。是一個(gè)簡(jiǎn)單的客戶端/服務(wù)器無(wú)狀態(tài)協(xié)議，在BLE中，每個(gè)設(shè)備是一個(gè)客戶端或一個(gè)服務(wù)器，或者兩者兼有。

（7）通用訪問(wèn)配置（GAP）。允許BLE設(shè)備相互操作。它提供一個(gè)框架，任何BLE實(shí)現(xiàn)必須允許設(shè)備發(fā)現(xiàn)彼此、廣播數(shù)據(jù)、建立安全連接以及執(zhí)行其它基本操作標(biāo)準(zhǔn)。

（8）通用屬性協(xié)議（GATT）。它是基于屬性協(xié)議（ATT），添加了一個(gè)層結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)抽象模型，定義數(shù)據(jù)如何在應(yīng)用程序之間組織和交換 [8]。

2 藍(lán)牙無(wú)線通信原理

對(duì)BLE網(wǎng)絡(luò)中的角色、藍(lán)牙通信過(guò)程中廣告包類型及通信模式介紹如下。

2.1 BLE網(wǎng)絡(luò)中的角色

通用訪問(wèn)配置（GAP）定義了BLE網(wǎng)絡(luò)中4個(gè)角色，每個(gè)特定設(shè)備可同時(shí)扮演一個(gè)或多個(gè)角色。

（1）廣播角色（Broadcaster）：定期發(fā)送廣告包數(shù)據(jù)，不建立連接，使用鏈路層（LL）廣告角色。

（2）觀察角色（Observer）：優(yōu)化了廣播設(shè)備收集數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序，觀察者角色偵聽(tīng)從廣播端嵌入在廣告包中的數(shù)據(jù)，使用鏈路層（LL）掃描儀角色。

（3）中心角色（Central）：相當(dāng)于鏈路層（LL）主人角色，能夠建立多個(gè)連接設(shè)備，是連接的發(fā)起者。中心角色通常由智能手機(jī)或平板電腦扮演。

（4）外圍角色（Peripheral）：相當(dāng)于鏈路層（LL）奴隸角色，這個(gè)角色通過(guò)廣告包使中心角色找到它，隨后建立連接[9]。

2.2 廣告包分類

藍(lán)牙通訊廣告包分3種類型：①是否可連接。掃描儀在接收廣告包時(shí)是否可開(kāi)啟連接，如果不能，則這個(gè)包只用來(lái)廣播；②是否可掃描。在收到廣告包時(shí)掃描儀是否可發(fā)起掃描請(qǐng)求；③是否定向。定向的廣告包只包含廣告者和目標(biāo)掃描儀的藍(lán)牙地址，不允許負(fù)載用戶數(shù)據(jù)，所有的定向廣告包都可連接，不定向廣告包不針對(duì)任何特定掃描儀，可包含用戶數(shù)據(jù)[10] 。

3 系統(tǒng)搭建

軟件整體設(shè)計(jì)基于MVC（Model-View-Controller），即模型-視圖-控制器，簡(jiǎn)稱MVC。模型提供應(yīng)用程序所需數(shù)據(jù)資源。視圖是用戶可以看到并與之交互的界面?？刂破黜憫?yīng)視圖傳遞的用戶事件，調(diào)用模型和視圖資源滿足用戶需求。MVC模式分工明確，降低了模塊之間的耦合性，是一種非常流行的設(shè)計(jì)模式[11]。

3.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙4.0傳輸協(xié)議接收氣象數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，在iPhone上進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)處理分析及顯示，系統(tǒng)框架如圖2所示。

3.2 模型處理

本系統(tǒng)主要對(duì)溫度、濕度、氣壓數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并繪制相應(yīng)的變化趨勢(shì)圖，提供氣象預(yù)測(cè)功能。通常，氣壓隨時(shí)間增加預(yù)示晴天，氣壓不斷減小則更接近陰天或下雨，模型如表1所示。采用滑動(dòng)均值濾波算法，采樣間隔為30分鐘。

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)采用蘋(píng)果自帶的Core Data框架，它提供了對(duì)象-關(guān)系映射（ORM）功能，能夠?qū)C對(duì)象轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)，保存在SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)文件中，也能夠?qū)?shù)據(jù)還原成OC對(duì)象。本方案創(chuàng)建了兩個(gè)實(shí)體對(duì)象：WeatherFob（氣象設(shè)備對(duì)象）和WeatherReading（數(shù)據(jù)對(duì)象），是一對(duì)多關(guān)系，如圖3所示。

3.4 藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)

BLE氣象設(shè)備信號(hào)采集與處理采用CoreBluetooth框架，與第三方藍(lán)牙4.0設(shè)備交互。為了減少數(shù)據(jù)傳輸開(kāi)銷，方案采用不可連接的藍(lán)牙通信模式，將用戶數(shù)據(jù)封裝在廣告包中進(jìn)行廣播，過(guò)程如圖4所示。本方案創(chuàng)建了一個(gè)ConnectionManager對(duì)象，繼承自NSObject類，遵守CBCentralManagerDelegate協(xié)議，實(shí)現(xiàn)協(xié)議中兩個(gè)方法：

4 系統(tǒng)測(cè)試

方案將原始廣告包打印在Xcode中的控制臺(tái)，如圖5所示，外圍設(shè)備名稱是WS，其中氣象設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)包含在KCBAdvDataManufactureData對(duì)應(yīng)關(guān)鍵字中，KCBAdvDataIsConnectable = 0代表該氣象設(shè)備不可連接。系統(tǒng)將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分解析顯示在iPhone手機(jī)上，如圖6所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本方案充分利用了iOS設(shè)備強(qiáng)大的計(jì)算能力、靈活的

可編程性、足夠的存儲(chǔ)空間、網(wǎng)絡(luò)連接功能、便攜性等特點(diǎn)，使用藍(lán)牙4.0技術(shù)很好地解決了設(shè)備能耗問(wèn)題，使本方案成本更低、速度更快、距離更遠(yuǎn)，在花費(fèi)較少的情況下，實(shí)現(xiàn)了便攜氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）