曹蓬+潘盛輝

摘 要：為對移動物體進(jìn)行近距離檢測，縮小傳感器的體積和增加安裝便捷性，文中設(shè)計了一款基于藍(lán)牙技術(shù)的姿態(tài)檢測傳感器。該系統(tǒng)利用三軸加速度傳感器、三軸陀螺儀和磁力計完成對運動物體速度、運動方向的檢測，然后將得到的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙通信技術(shù)傳輸至手機(jī)App，并保存至手機(jī)存儲卡中。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)的定位精度可達(dá)5 m，速度檢測誤差低。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙技術(shù)；安卓平臺；傳感器技術(shù)；慣性測量單元

中圖分類號：TP212.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）06-00-05

0 引 言

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)控制變得更加精準(zhǔn)，更多實時檢測處理傳感器得到了廣泛應(yīng)用[1]。在車載應(yīng)用中，傳統(tǒng)的傳感器測控網(wǎng)絡(luò)為有線式監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，使用屏蔽線或?qū)Ь€進(jìn)行信號傳輸[2]。在汽車控制系統(tǒng)上集成了許多不同的傳感器裝置，用以測量汽車是否正常工作[3]?？赏ㄟ^查看汽車各傳感器的參數(shù)值進(jìn)行故障診斷等操作，而對車身整體的運動檢測傳感器目前研究尚淺[4]。因此，文中提出一款基于藍(lán)牙無線技術(shù)的汽車車載運動狀態(tài)檢測裝置，該裝置是基于TCP /IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器。相比普通的基于現(xiàn)場總線的傳感器，該傳感器不僅體積小，安裝便捷性也得以提升[5]。本傳感器適合安裝于車輛內(nèi)部各個位置，通過藍(lán)牙無線信號傳輸將本系統(tǒng)與汽車控制系統(tǒng)及其他檢測系統(tǒng)區(qū)分開來，以降低信號冗余度，減少信號擁堵。因此本系統(tǒng)可稱為獨立的運動檢測裝置[6]。

在許多應(yīng)用場合，不依靠外界而從自身內(nèi)部獲取自身運動狀態(tài)信息十分重要，慣性測量單元就扮演了這一角色。慣性測量單元（Inertial Measurement Unit，IMU）由微型陀螺儀、微型加速度計、專用集成電路（ASIC）、嵌入式微機(jī)及相應(yīng)的軟件組成，內(nèi)部采用I2C總線接口，可以測出載體的角速度、加速度等信息，屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)的一種[5]。微電子機(jī)械系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems，MEMS）采用較低的成本把具有特定功能的復(fù)雜系統(tǒng)置于一個小小的硅片上，并將各種微型探測傳感器及微型機(jī)械裝置與微電子元件集為一體，使得系統(tǒng)的集成化程度更高，傳感器的體積更小。

1 系統(tǒng)功能分析

為分析藍(lán)牙無線姿態(tài)檢測傳感器，可根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸過程將系統(tǒng)分為3個部分：

（1）傳感器數(shù)據(jù)獲取模塊。利用動態(tài)卡爾曼濾波等算法，對原始傳感器進(jìn)行采集濾波整合處理；

（2）傳感器數(shù)據(jù)無線發(fā)送模塊。掌握并運用藍(lán)牙發(fā)送模塊的參數(shù)及配置；

（3）數(shù)據(jù)顯示及保存模塊。使用手機(jī)App進(jìn)行數(shù)據(jù)接收及保存。

2 總體設(shè)計

本系統(tǒng)包含軟件和硬件設(shè)計，硬件電路使用STM32系列的ARM芯片，使用I2C總線通信方式與加速度計陀螺儀通信，并使用串口與藍(lán)牙芯片HC05通信，藍(lán)牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)至安卓手機(jī)端。軟件編程使用Keil，IAR，Eciplse軟件對模塊編程。使用Keil軟件完成對傳感器數(shù)據(jù)信息的采集和數(shù)據(jù)打包處理；使用IAR完成對藍(lán)牙模塊的配置操作處理，設(shè)置藍(lán)牙的發(fā)送模式，波特率等參數(shù)；使用Ecilpse完成手機(jī)端App的編程，使用手機(jī)自帶的藍(lán)牙通信接口獲取數(shù)據(jù)，后將數(shù)據(jù)解析拆包，將得到的數(shù)據(jù)顯示到手機(jī)屏幕并保存。系統(tǒng)總體模塊框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

3.1 IMU慣性測量單元

IMU的主控制芯片選用STM32F103T8，ARM 32-bit Cortex-M3內(nèi)核，它擁有64 KB的閃存存儲器和20 KB的運行內(nèi)存及7通道的DMA，7個定時器。通過8 MHz晶體和STM32內(nèi)部的PLL，控制器可以運行在72 MHz主頻上，由于姿態(tài)解算需要耗費大量內(nèi)存進(jìn)行數(shù)學(xué)運算，因此采用具有更快處理速度的芯片做更多解算優(yōu)化[6]。IMU慣性測量單元硬件組成框圖如圖2所示。

IMU上的傳感器通過I2C接口與STM32連接，同時傳感器的數(shù)據(jù)中斷引腳與STM32的IO相連，使得傳感器在完成ADC轉(zhuǎn)換后，STM32可在第一時間讀取最新、最快的數(shù)據(jù)，快速響應(yīng)姿態(tài)變化，獲取各傳感器的狀態(tài)和轉(zhuǎn)換結(jié)果。其中，MPU6050為整合型6軸處理運動組件，包含三軸陀螺儀和三軸加速度器，可準(zhǔn)確追蹤快速與慢速動作[7]。HMC5883采用霍尼韋爾地磁傳感器，具有對正交軸的低靈敏度固相結(jié)構(gòu)，可用來測量地球磁場的方向和大小。BMP180是一款高精度、超低能耗的壓力傳感器，測量大氣壓力后可換算為海拔高度。

3.2 Bluetooth模塊

傳感器使用的SPP-C藍(lán)牙模塊是遵循V2.1+EDR藍(lán)牙規(guī)范的智能無線數(shù)據(jù)模塊。除P12，P5為特殊I/O口外，其他P口均為可編程輸入/輸出接口，其串口UART-TX與UART-RX均采用CMOS接口。該模塊主要用于短距離的數(shù)據(jù)無線傳輸領(lǐng)域[8]?？梢苑奖愕呐cPC機(jī)的藍(lán)牙設(shè)備相連，數(shù)據(jù)也可以在兩個模塊之間互通。藍(lán)牙模塊的硬件框圖如圖3所示。

4 傳感器軟件設(shè)計

4.1 IMU傳感器數(shù)據(jù)采集

IMU數(shù)據(jù)采集流程包括數(shù)據(jù)采集處理芯片STM32和三個傳感器的初始化，即首先對STM32芯片系統(tǒng)上電初始化，完成I2C接口初始化和串口初始化，然后對三個傳感器的配置初始化，如圖4所示。

4.1.1 對MPU6050初始化

MPU6050初始化如圖5所示，軟件配置流程如下：

（1）由電源管理寄存器1（0X6B）控制復(fù)位MPU6050；

（2）由陀螺儀配置寄存器（0X1B）和加速度傳感器配置寄存器（0X1C）設(shè)置角速度傳感器和加速度傳感器的滿量程范圍；

（3）由中斷使能寄存器（0X38）配置中斷；

（4）由用戶控制寄存器（0X6A）設(shè)置AUX I2C接口；

（5）由FIFO使能寄存器（0X23）設(shè)置FIFO；

（6）由采樣率分頻寄存器（0X19）配置陀螺儀采樣率；

（7）由配置寄存器（0X1A）設(shè)置數(shù)字低通濾波器；

（8）由電源管理寄存器1（0X6B）設(shè)置系統(tǒng)時鐘。一般選擇x軸陀螺PLL作為時鐘源，以獲得更高精度的時鐘；

（9）由電源管理寄存器2（0X6C）使能角速度傳感器（陀螺儀）和加速度傳感器。

4.1.2 對HMC5883初始化

HMC5883初始化程序如圖6所示。在軟件中設(shè)置HMC5883的工作模式0，為連續(xù)測量模式。在連續(xù)測量模式下，裝置不斷測量，并將數(shù)據(jù)更新至數(shù)據(jù)寄存器。由配置寄存器A設(shè)置測量輸出過程中的采樣平均數(shù)為8個周期，75 Hz的輸出速率。然后使用HMC5883L傳感器內(nèi)部產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)磁場進(jìn)行初步標(biāo)定，最后讀取校正后磁力計ADC的值。

4.1.3 對BMP180初始化

BMP180的初始化如圖7所示，需要在軟件中進(jìn)行配置：

（1）發(fā)出壓力（或溫度）轉(zhuǎn)換命令；

（2）一段時間后從UP（UT）寄存器讀取原始數(shù)據(jù)；

（3）若要得到攝氏溫度和hPa 壓力則需要用到校正數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)放在BMP085的E2PROM中，通過I2C可以在初始化時讀出。

4.2 藍(lán)牙無線模塊配置

藍(lán)牙HC05是主從一體的藍(lán)牙串口模塊，可以使其工作在主或從機(jī)狀態(tài)。當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備配對連接成功后，無需考慮藍(lán)牙內(nèi)部的通信協(xié)議，直接將藍(lán)牙作為串口使用。連接建立后，兩設(shè)備共同使用一通道，一個設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)到通道中，另一個設(shè)備可以接收通道中的數(shù)據(jù)。為建立這種通道連接，需要將藍(lán)牙設(shè)置為能進(jìn)行配對連接的AT模式。使用藍(lán)牙模塊的AT指令對其進(jìn)行配置，將模塊設(shè)置為從機(jī)模式，依次輸入指令：

AT+NAME=Bluetooth-Slave //藍(lán)牙名稱為Bluetooth-Slave

AT+ROLE=0 // 藍(lán)牙模式為從模式

AT+CMODE=0 // 藍(lán)牙連接模式為任意地址連接模式

AT+PSWD=1234 // 藍(lán)牙配對密碼為1234

AT+UART=9600，0，0 // 藍(lán)牙通信串口波特率為9 600，停止位1位，無校驗位

AT+RMAAD // 清空配對列表

5 手機(jī)安卓端軟件

5.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

為完成手機(jī)端App的軟件開發(fā)，首先建立其用例圖，描述用戶使用本App實現(xiàn)的目的。首先用戶打開App圖標(biāo)進(jìn)入軟件，完成藍(lán)牙設(shè)備的匹配連接，然后根據(jù)用戶的需要選擇用戶希望獲取的數(shù)據(jù)信息，最后用戶保存需要的數(shù)據(jù)信息。

根據(jù)實現(xiàn)的功能按照實現(xiàn)類方法進(jìn)行劃分。其中涉及藍(lán)牙通信服務(wù)，用戶與手機(jī)圖形界面交互中的事件監(jiān)聽處理機(jī)制，及數(shù)據(jù)的實時動態(tài)刷新顯示。在設(shè)計軟件時設(shè)計了用例圖和部署圖，具體如圖8和圖9所示。

5.2 App實現(xiàn)框架

在AndriodMenifest.xml文件列出了應(yīng)用程序提供的功能，凡需要用到的組件都要在此進(jìn)行配置及注冊，包括Activity、Intent、Service及 ContentProvider。當(dāng)使用到系統(tǒng)中內(nèi)置的應(yīng)用（如電話服務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、短信服務(wù)、GPS服務(wù)等）時還需在此文件中聲明使用權(quán)限，該文件也是所有Android應(yīng)用程序都需要的文件，描述了程序包的全局變量，包括公開的應(yīng)用程序組件和每個組件的實現(xiàn)類，及可以操作的數(shù)據(jù)資源，運行空間等。

軟件中的Activity是Android的核心類，其作用相當(dāng)于c中的主函數(shù)。該類的全名是android.app.Activity。Activity相當(dāng)于C/S程序中的窗體（Form）或Web程序的頁面。每一個Activity提供了一個可視化區(qū)域。在這個區(qū)域中可以放置各種Android控件，如按鈕、圖像、文本框等。

其軟件框架如圖10所示，由AndroidMenifest.xml文件配置軟件安卓運行版本條件，并先執(zhí)行DeviceListActivity.java獲取設(shè)備列表，使用Intent調(diào)用DataMonitor.java程序。DeviceListActivity繼承了Activity類，DataMonitor繼承了FragmentActivity類。兩者在執(zhí)行時都調(diào)用BluetoothService.Java函數(shù)以完成藍(lán)牙通信。DeviceListActivity.java和DataMonitor.java都由可視化組件View及其子類組成，這些組件按照XML布局文件在指定位置的窗口上擺放。

5.3 數(shù)據(jù)處理及顯示

DataMonitor是一個繼承了FragmentActivity的類，F(xiàn)ragmentActivity 繼承自Activity，它提供了操作Fragment的方法，因此可在Activity中嵌入Fragment來實現(xiàn)需要的布局效果。在DataMonitor中首先實現(xiàn)的是oncreate方法，該方法在DataMonitor初始化時調(diào)用藍(lán)牙連接，通過setContentView方法將View放到Activity上。綁定后，Activity會顯示View上的控件。其余的是繼承父類的onStart（），onResume（），onPause（），onStop（）和onDestroy（）方法，未對其修改，完成Activity生命周期的重載基本方法。

在確保藍(lán)牙已經(jīng)連接的情況下使用handler接口完成Activity的Widget與應(yīng)用程序中線程的交互。重寫handler類中的handleMessage方法，通過該方法接收信息。接收的信息表示當(dāng)前時刻接收消息的狀態(tài)，分別為MESSAGE_STATE_CHANGE，MESSAGE_READ，MESSAGE_DEVICE_NAME，MESSAGE_TOAST。第一種狀態(tài)表示藍(lán)牙處于連接狀態(tài)；第二種狀態(tài)表示數(shù)據(jù)讀取狀態(tài)；第三種狀態(tài)為設(shè)備名稱讀入狀態(tài)；第四種狀態(tài)為數(shù)據(jù)顯示狀態(tài)，可將數(shù)據(jù)顯示在手機(jī)屏幕上。通過OnclickConfig（View v），ControlClick（View v）完成界面顯示及跳轉(zhuǎn)功能，在ControlClick中可以選擇顯示的內(nèi)容，并根據(jù)按下的按鍵選擇對應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)。onRecordBtnClick（View v）方法是當(dāng)用戶按下“記錄”鍵時將數(shù)據(jù)保存到SD卡中，當(dāng)用戶按下“停止”按鈕時停止記錄數(shù)據(jù)信息。DataMonitor內(nèi)部成員及方法函數(shù)如圖11所示。

5.4 藍(lán)牙傳輸BluetoothService

對藍(lán)牙進(jìn)行開發(fā)，首先在AndroidManifest.xml文件中加入管理員權(quán)限和藍(lán)牙開發(fā)權(quán)限，開啟藍(lán)牙后，用isEnabled（）查詢當(dāng)前藍(lán)牙設(shè)備的狀態(tài)，若返回為false，則表示藍(lán)牙設(shè)備沒有開啟，需要封裝一個ACTION_REQUEST_ENABLE請求到intent，調(diào)用startActivityForResult（）方法使能藍(lán)牙設(shè)備。使用BluetoothAdapter類的方法可以查找遠(yuǎn)端設(shè)備，使用mArrayAdapter.Add方法顯示可以配對的藍(lán)牙設(shè)備集，以便選取一個設(shè)備進(jìn)行通信。

掃描設(shè)備只需調(diào)用startDiscovery（）方法，應(yīng)用程序為了ACTION_FOUND動作需要注冊一個BroadcastReceiver來接收設(shè)備掃描到的信息。使能自身設(shè)備，將ACTION_REQUEST_DISCOVERABLE動作封裝在intent中并調(diào)用startActivityForResult（Intent， int）方法。

建立兩個藍(lán)牙設(shè)備之間的連接，完成客戶端和服務(wù)器端的代碼。一個開啟服務(wù)來監(jiān)聽，一個發(fā)起連接請求（使用服務(wù)器端設(shè)備的MAC地址）。當(dāng)他們都擁有一個藍(lán)牙套接字在同一RFECOMM信道上時，可認(rèn)為他們之間已經(jīng)連接上了。getInptuStream（）獲取輸入流，getOutputStream（）獲取輸出流，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。藍(lán)牙連接示意圖如圖12所示。

6 傳感器數(shù)據(jù)測試

打開藍(lán)牙傳感器，開啟啟動開關(guān)后，指示燈不停閃爍，則表明設(shè)備運轉(zhuǎn)正常。手機(jī)首先開啟藍(lán)牙功能，然后打開App界面，進(jìn)入界面后點擊搜索設(shè)備，可選擇HC-02。選擇該設(shè)備后，會有一個配對過程，輸入配對碼0000，即可完成兩者的配對。顯示的數(shù)據(jù)可選擇加速度，角速度，角度等并點擊記錄按鈕，數(shù)據(jù)將會保存；點擊停止按鈕，則會有提示信息、數(shù)據(jù)保存的文件及路徑。傳感器實物及手機(jī)App端如圖13所示。

手機(jī)內(nèi)部有集成慣性傳感器，可對手機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測，其中重力感應(yīng)裝置會根據(jù)手機(jī)的狀態(tài)自動旋轉(zhuǎn)屏幕。手機(jī)中的記步工具利用手機(jī)內(nèi)部的慣性傳感器進(jìn)行記步。我們打開手機(jī)記步工具，同時開啟無線藍(lán)牙傳感器進(jìn)行姿態(tài)檢測。將得到的數(shù)據(jù)txt文件導(dǎo)入電腦，并分析z軸加速度曲線。根據(jù)曲線的波峰個數(shù)來判定步數(shù)，然后再將其與手機(jī)記步工具進(jìn)行對比[3]。加速度曲線如圖14所示。

當(dāng)我們行走50步時，得到傳感器數(shù)據(jù)記錄值。取其中的z軸記錄值進(jìn)行分析，通過Matlab將z軸數(shù)據(jù)繪制成圖14所示的曲線。得到加速度幅值大于1.2的波峰個數(shù)，計算為49個，誤差僅為2%。然后在記步工具顯示的數(shù)據(jù)為953-905=48步。可以看出記步工具得出的數(shù)據(jù)沒有本系統(tǒng)精確。

7 結(jié) 語

本文中，我們提出了一種基于藍(lán)牙和慣性測量單元的無線位姿傳感器檢測系統(tǒng)，針對傳感器的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計。使用整合型6軸處理運動組件MPU6050、BMP180、HMC5883和STM32組成IMU（慣性測量單元），將數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送至手機(jī)端，然后顯示，并將數(shù)據(jù)保存在手機(jī)端。文中設(shè)計的系統(tǒng)具有較好的實時性，且精度滿足一般運動物體的檢測要求。

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