蓝牙4.0无线传感网数据采集及以太网传输设计

ｒ、ｎ网络与多媒体　＠　鼢　⑥Ｄ９唿囿闶　姗凹呲６［　Ｄ＠　６萄　蓝牙４．０无线传感网数据采集及　以太网传输设计水　陈子龙，张红雨，李俊斌　（电子科技大学　电子工程学院，四川　成都６ｌｌ７３１）　・系统设计・　【摘要】介绍了蓝牙４．０无线传感器网络及以太网传输技术，以基于蓝牙低功耗技术的ＣＣ２５４０射频单片机为核　心，控制多种传感器来进行数据的采集，搭建星形拓扑的蓝牙无线传感器网络，并通过以太网接口将采集到的数据　传输给远程的ＴＣＰ服务器。实验结果表明，本系统具有体积小、功耗低、远距离传输等优点　【关键词】蓝牙４．０；ＣＣ２５４０；无线传感器网络；以太网；Ｗ５１００　【中图分类号】ＴＰ２１２；ＴＰ３９３．１１　【文献标志码】Ａ　ＣＨＥＮ　Ｚｉｌｏｎｇ．ＺＨＡＮＧ　Ｈｏｎｇｙｕ，ＬＩ　Ｊｕｎｂｉｎ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｄａｔａ　Ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｂｉｕｅｔｏｏｔｈ　４．０　ａｎｄ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｆｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１　１７３１，Ｃｈｉｎａ）　【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｉ３ｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　４．０　ａｎｄ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｉｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｃｈｉｐ　ｉｓ　ＣＣ２５４０　ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　ｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ　ＣＣ２５４０　ＭＣＵ　ｕｓｅｓ　ｓｏｍｅ　ｋｉｎｄｓ　ｏｆ　ｓｅｌｌ—　ＳＯｔＳ　ｆｉ）ｒ　ｄａｔａ　ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｅｔｓ　ｕｐ　ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ｏｆ　ｓｔａｒ　ｔｏｐｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ　ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ　ｄａｔａ　ｗｏｕｌｄ　ｂｅ　ｓｅｎｔ　ｔｏ　ｒｅ—　ｍｏｔｅ　ＦＣＰ　ｓｅｒｖｅｒ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　Ｅｔｈｅｒｎｅｔ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｓｍａｌｌ　Ｗｉｔｈ　ｌｏｗ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐ—　ｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｌｏｎｇ—ｄｉｓｔａｎｃｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．　【Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ】Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　４．０；ＣＣ２５４０；ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ；Ｅｔｈｅｒｎｅｔ；Ｗ５　ｌ　００　１　引言　蓝牙无线技术　是使用范围最广泛的全球短　距离无线标准之　，蓝牙４．０是三位一体的蓝牙　２　以太网芯片简介　Ｗ５１００是韩国ＷＩＺｎｅｔ公司生产的以太网　接　人芯片，集成了全硬件的ＴＣＰ／ＩＰ协议栈、以太网介　技术，它将传统蓝牙、高速蓝牙和低功耗蓝牙技术　融合在一起，这三个规格可以组合或者单独使用。　蓝牙４．０规范的核心是低功耗技术，该技术最大　特点是使设备拥有超低的运行功耗和待机功耗，　蓝牙低功耗设备使用一粒纽扣电池即可以工作一　质传输层（ＭＡＣ）和物理层（ＰＨＹ）。硬件ＴＣＰ／ＩＰ协　议栈支持ＴＣＰ，ＵＤＰ，ＩＰｖ４，ＩＣＭＰ，ＡＲＰ，ＩＧＭＰ和ＰＰ—　ＰｏＥ。它提供直接总线、间接总线以及ＳＰＩ串行总线　接Ｅｌ方式。内置８　ｋＢｙｔｅ发送和８　ｋＢｙｔｅ接收数据缓　冲区，可快速进行数据交换。Ｗ５１００支持全双工或半　双工的传输模式，使用时不必过多地考虑以太网的控　制，只需进行简单的端口（Ｓｏｃｋｅｔ）编程即可，减少了　硬件接口设计和网络编程的工作量，并且可以实现可　年之久。可应用于对成本和功耗都有严格要求的　无线方案，广泛用于医疗保健、家庭娱乐、传感器　物联网等众多领域。　本文对系统的总体方案、硬件电路和软件设计　等内容作了详细介绍，设计基于蓝牙４．０协议　的无　线传感器网络，并使用集成了ＴＣＰ／ＩＰ硬件协议栈的　靠、稳定的远程数据通信，可广泛应用于各种远程安　全监控、远程信息交换等领域。　３　系统总体结构　本设计采用ＴＩ公司的ＣＣ２５４０射频　单片机作　为主控单元，它是完全兼容蓝牙４．０低功耗协议的　Ｗ５１００以太网模块构建蓝牙网关，实现了基于蓝牙　４．０协议的无线网络和基于ＴＣＰ／ＩＰ协议的有线网络　之间的数据交换。　ＳｏＣ芯片，其内部集成了低功耗的８０５１　ＭＣＵ内核、高　性能２．４　ＧＨｚ射频收发器。本设计的系统总体结构　［基金项目】巾央高校基本科研项目（Ａ０３００８０２３４０１０２５）　如图１所示。各类传感器　与ＣＣ２５４０蓝牙节点设　●鼻投●投稿网址：ｈｎｐ：／／ＡｕｄｉｏＥ．ｃｎ　团　堡蔓　！鲞蔓　塑　ｎｎ网络与多媒体　＠　⑥　呔圈响　彻凹０锄　⑧　６囿　５　系统软件设计　５．１蓝牙无线网络组建　一个蓝牙４．０集中器设备可以同时与三个蓝　牙节点设备保持网络连接，当网络中的一个节点　设备发送完数据，断开连接之后，又可以有新的节　点设备加人网络，这样就间接增加了网络中的设　备数量。　蓝牙４．０无线网络拓扑结构分为星形拓扑和　广播组拓扑。不同的网络拓扑对应不同的应用领　域，在蓝牙４．０无线网络中，不同的网络拓扑结构　对网络节点的配置有不同的要求。蓝牙网络节点　的类型可以分为主机、从机，也可以分为服务器、　客户端，具体的配置由配置文件决定。本设计采　用星形拓扑结构，蓝牙节点设备以广播的形式发　送设备的ＩＥＥＥ地址，作为从机等待连接；蓝牙集　中器设备作为主机，发起建立网络连接的请求。　集中器设备扫描发现节点设备并与之建立连接的　流程如图５所示。　５．２以太网传输软件设计　主控单元与Ｗ５１００以太网模块通过ＳＰＩ串行总　园　生蔓　！鲞蔓　塑　线　接Ｅｌ方式连接，ＳＰＩ总线的基本信号线为两条数　据线和一条时钟线，即ＭＯＳＩ，ＭＩＳＯ，ＳＣＫ。传输的速　率由时钟信号ＳＣＫ决定，ＭＯＳＩ为从器件数据输入、　ＭＩＳＯ为从器件数据输出。主控单元通过片选信号来　选择与哪个从器件进行通信，低电平有效。当某个从　器件的片选信号ＣＳ有效时，可以通过ＭＯＳＩ数据线　接收来自主控设备的指令和数据，并通过ＭＩＳＯ向主　设备发回数据。　在ＳＰＩ串行总线模式下，主控制器通过发送一系　列指令来控制Ｗ５１００的工作。ＷＳ１００的传输数据格　式由三部分构成，分别为操作码、地址、待操作的数　据。其中操作码分为两种，分别为写操作和读操作。　Ｗ５１００的ＳＰＩ数据格式如表１所示。　表１　Ｗ５１００的读写操作格式　ＴＣＰ协议是面向连接的通信方式，它首先需要建　立连接，然后才能利用设备的ＩＰ地址和端口号进行　数据通信。ＴＣＰ有两种建立连接的方式：第一种是配　置为ＴＣＰ服务器模式，Ｗ５１００一直处于监听状态，等　待远程客户端发起连接请求；第二种是配置为ＴＣＰ　客户端模式，向远程服务器发送建立连接的请求。本　设计采用ＴＣＰ客户端模式。在建立ＴＣＰ连接之前，　首先需要对ＷＳｌＯ０寄存器进行初始化，用来设置网　关、子网掩码、物理地址、本机ＩＰ地址、设置发送缓冲　区和接收缓冲区的大小、启动中断等。ＷＳｌＯ０具有４　个套接字（ｓｏｃｋｅｔ），套接字的初始化用于配置端口号　和目的ＩＰ地址，然后配置ＷＳｌＯ０为ＴＣＰ模式并向控　制寄存器中写入打开端口命令。以太网传输软件流　程如图６所示。　６　结束语　本文提出了一种新型的无线传感器网络设计，利　用蓝牙４．０协议进行无线传感器网络的组建，并设计　了蓝牙网关实现蓝牙无线网络与以太网之间的互连。　通过以太网接口实现数据的远程传输、信息资源共享　等功能。蓝牙４．０技术具有低功耗、低成本和跨厂商　互操作性、ＡＥＳ一１２８安全加密等诸多特色，在基带、　链路管理和应用层中还可实行分级的多种安全机制，　并且通过跳频技术可以减少来自其他无线设备的干　一声投一投稿网址：ｈｔｔｐ：／／ＡｕｄｉｏＥ　ｎ　网络与多媒体　＠Ｑ　⑥　唿囿响　咖凹０锄　＠　６　扰，在传感器物联网等众多领域有着广阔的应用　前景。　围；本系统采用的蓝牙４．０芯片ＣＣ２５４０的特性为低　功耗、低数据速率，应用于对功耗有严格要求的领域，　为实现音频数据的传输，可采用ＴＩ公司最新推出的　支持高数据速率的蓝牙４．０　ＳｏＣ芯片ＣＣ２５６７，结合　本设计中的高性能Ｗ５１００以太网模块可应用于网络　音频传输领域。　参考文献　［１］马建仓，岁亚军．蓝牙核心技术及应用［Ｍ］．北京：科学出　版社，２００３．　［２］蓝牙技术联盟．Ｃｏｒｅ—Ｖｅｒｓｉｏｎ　４．０［ＥＢ／ＯＬ］．（２０１０～０６—　３Ｏ）［２０１２～１２—０５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ．ｏｒｇ／Ｔｅｃｈｎｉ—　ｃａｌ／Ｓｐｅｅｉｉｆｃａｔｉｏｎｓ／ａｄｏｐｔｅｄ．ｈｔｍ．　［３］谢昊飞．工业以太网技术［Ｍ］．北京：科学出版社，２００７．　［４］胡树豪．实用射频技术［Ｍ］．北京：电子工业出版　咖　社，２００４．　［５］王俊杰．传感器与检测技术［Ｍ］．北京：清华大学出版　社。２０１１．　脚嘶　［６］ＳＴＥＶＥＮＳ　Ｗ　Ｒ．ＴＣＰ／ＩＰ详解卷１：协议［Ｍ］．北京：机械　工业出版社，２０００．　［７］王江．ＳＰＩ一４．２总线应用和调试经验谈［Ｊ］．单片机与嵌　入式系统应用，２０１１，１１（２）：７２—７５．　作者简介　陈子龙，硕士研究生，主要研究方向为无线传感器网络与嵌入　式技术；　有待进一步完善的工作及展望：通过提高蓝牙　张红雨，高级工程师，主要研究方向为射频自动识别、物联网　和嵌入式技术。　芯片功率等级和改进天线等途径来增加蓝牙无线传　感器网络的通信距离，从而扩大无线数据采集的范　（上接第７３页）　［责任编辑］闫雯雯　［收稿日期］２０１２—１２—１０　存数据库里的余额账本表，增加了８５０条　。　出版社，２００９．　［４］钟鸣．Ｏｒａｃｌｅ实用教程：从９ｉ到ｌＯｇ［－Ｍ］．北京：机械工业　５　结论　对于全量同步、增量同步，都经过了大量的测　出版社，２００５．　［５］ＫＥＲＮＩＧＨＡＮ　Ｂ　Ｗ，ＲＩＴＣＨＩＥ　Ｄ　Ｍ．Ｃ语言程序设计［Ｍ］．　北京：清华大学出版社，２００４．　Ｅ６］ＰＲＡＴＡ　Ｓ．Ｃ＋＋Ｐｒｉｍｅｒ　Ｐｌｕｓ中文版［Ｍ］．６版．北京：人　民邮电出版社．２０１２．　试，物理数据库和内存数据库的同步，能保证内存　数据库和物理数据库的数据的一致性、完整性、准　确性、实时性。对声音的传播信号，电声控制系统　提供了实时性的保证。　参考文献　Ｅ７］ＫＹＴＥＯ　Ｔ．Ｏｒａｃｌｅ专家高级编程［Ｍ］．北京：清华大学出　版社，２００２．　［８］ＬＯＮＥＹ　Ｋ．ＯＲＡＣＬＥ８数据库管理员手册［Ｍ］．北京：机械　工业出版社，１９９９．　作者简介　［１］哈索，蔡尔．内存数据管理［Ｍ］．ＳＡＰ，译．２版．北京：清华　大学出版社，２０１２．　［２］张红强．Ｏｒａｃｌｅ数据库实例教程［Ｍ］．天津：天津大学出　版社，２００９．　尚宇。教授，硕士生导师，主要研究方向为信号处理；　白欣然，硕士研究生，主要研究方向为信号处理。　［３］罗森维格．Ｏｒａｃｌｅ　ＰＩＭＳＱＬ实例精解［Ｍ］．北京：机械工业　［责任编辑］闫雯雯　［收稿日期］２０１３—０４—２３　●一投●投稿网址：ｈｔｔｐ：／／ＡｕｄｉｏＥ．ｃｎ　生蔓　！鲞蔓！　塑团