藍牙設計

藍牙設計

 

1.    問：什麼是藍牙通訊？

答：藍牙通信最初設計初衷是方便移動電話（手機）與配件之間進行低成本、低功耗無線通訊鏈接。現在已經成爲IEEE802.15標準。獲得全球上萬家廠商支持。

 

2.    問：假設從事藍牙開發有沒有前途？

答：嚴格地說，這不是一個技術問題，而是一個世界觀問題。

什麼是前途？假設單純是金錢，從事技術是不太可能暴富的（注意比爾.蓋茨是個技術商人）；假設想用你所能改善世界，這是可能的，畢竟藍牙的主要用途是民用。附帶說一句，考慮賺錢和改變世界是中國和西方人世界觀的主要區別。

 

3.    問：藍牙有什麼優點？

答：首先是低功耗，以BLE 4.0爲例，一節鈕釦電池在靜態工做狀態可以支持一年；其次是低成本，TI公司的CC2540藍牙SOC方案芯片出售價僅1美圓，可以讓人們低廉使用藍牙技術。再次是開放性，2.4GHz的頻段全球開放，沒有政府監管；最後是適合時代潮流，現在是手機的時代。藍牙技術原本就爲它而生。

 

4.    問：藍牙4.0協議和BLE是什麼？

答：藍牙4.0協議是2010年6月由SIG（Special Interest Group）公佈的最新標準，它有2種模式：BLE（Bluetooth low energy）僅僅能與4.0協議設備通訊，適應節能且僅收發少許數據的設備（如家用電子）；BR/EDR（Basic Rate / Enhanced Data Rate）。向下兼容（能與3.0/2.1/2.0通訊），適應收發數據較多的設備（如耳機）。

 

5.    問：眼下支持藍牙4.0的移動設備有哪些？

答：蘋果公司的iPhone 4S、iPhone 5、miniPad和iPad 3；小米手機2；三星公司的Galaxy SIII和Note II；HTC ONE系列。

 

6.    問：怎樣開始藍牙4.0的開發呢？

答：歸納地講至少下面三方面的準備吧。

硬件方面，需要購買TI公司藍牙迷你套件，包含藍牙USB電子狗和KeyFob以及CC Debugger傳真器；軟件方面。安裝IAR for 8051，TI公司BTool軟件；技術知識，《CC2540/41 BLE Software Developer’s Guide 1.3》和《CC2540/41 User’s Guide》。

 

7.    問：剛開始接觸藍牙怎樣高速上手？

答：理論聯繫實踐是比較好的學習方法，建議先學習《CC2540/41 BLE Software Developer’s Guide 1.3》，而後將SimpleBLEPerepheralproject導入IAR for 8051，結合電子狗和BTool，調試藍牙通信中的廣播/鏈接/綁定/訪問。

光看書不動手。空虛；不看書光動手，淺薄。

 

8.    問：IAR調試CC2540時程序導入到了芯片的Flash中了嗎？

答：確實。CC2540是SOC（System On Chip）芯片，它的內核就是8051。它需要從ROM中取指令，從RAM中取數據來執行。

仿真時。CC Debugger會把程序導入芯片Flash中。再運行仿真。

 

9.    問：當IAR調試中出現警告「缺乏斷點，沒法執行到main()」？

答：出現這個錯誤的緣由是，IAR for 8051最多僅僅能設置3個斷點。假設設置過多，當程序下載後，將出現些調試警告。解決辦法很是easy。去掉一些斷點，再又一次加載程序。

 

10. 問：爲何IAR調試時有很是多變量沒法查看它的值？

答：基本的緣由是IAR編譯器設置了優化功能，函數中的本身主動變量以及一些靜態函數都被優化過了。因此沒有生成相應的調試信息。沒法查看和設置斷點。解決辦法是關閉編譯器的優化功能。右鍵點擊project的Options -> C/C++ Compiler -> Optimizations中的Level設置爲None。

 

11. 問：藍牙協議分層很是多且比較複雜，該怎樣掌握呢？

答：藍牙協議從應用層到物理層一共分了8層，看上去比較複雜且API函數很是多。首先沒必要要知道每一層的詳細實現。掌握與應用緊密關聯GAP/GATT（或者GAP Role和GATT Profiles）層就可以知足大部分設計需要；每一層的軟件都是經過OSAL來調用的。所以需要了解OSAL的基本原理：任務/事件/消息/定時器/動態分配內存。最後把藍牙通信過程理解。將有助於開發。

 

12. 問：OSAL是一個操做系統嗎？

答：OSAL（Operating System Abstraction Layer）操做系統抽象層。它不是一個真正的操做系統（它沒有Context Switch上下文切換功能）。但它巧妙地組織各任務，支持任務優先級。任務之間可以經過事件和消息來通訊，爲任務提供軟定時器和動態內存分配。要避免的陷阱是。應用任務的單個函數執行時間不能太長（如操做大批量數據的Flash寫）。不然它沒法及時調度高優先級的LL（Link Layer）任務而致使藍牙通訊中斷。

 

13. 問：藍牙節點是怎樣組成微微網的呢？

答：藍牙節點組網中。僅僅能存在一個主節點（Central）和多個從節點（Peripheral）。從節點是發出信號者，主節點是掃描且發起鏈接者。

 

14. 問：主節點和從節點通訊的過程是如何的呢？

答：當從節點發出廣告信號（包含設備地址和設備名稱之類的附加信息）。主節點收到此廣告信號後，向從節點發出掃描請求。當從節點回應掃描時，就完畢了設備發現過程。

接着主節點向從節點發出鏈接請求（包含鏈接時隙、從節點待機次數、鏈接超時值），從節點回應鏈接，就完畢了創建鏈接。

爲了安全起見，一些數據的訪問需要認證。它的完畢是這種：一方（可以是主節點。也可以是從節點）向還有一方索要6位數字的password，以後。兩個節點彼此交換安全密鑰用於加密和認證，此過程稱爲配對。

認證的過程比較繁瑣，BLE協議支持兩節點保存認證的安全密鑰（一般是非易失性存儲器中），以便於兩節點下次鏈接後高速認證，這就是綁定技術。

 

15. 問：藍牙通訊中兩個節點怎樣交換數據？

答：這是藍牙通訊中最讓剛開始學習的人迷惑的地方。大部分通訊，尤爲是TCP/IP，交換數據的婚介是數據包，但藍牙通訊中。project師找不到數據包訪問方式，因而就產生疑問。事實上藍牙最底層也是基於無線數據包交換，僅僅是經過層層封裝。交付給project師的API接口就變成了Client訪問Server的方式。

 

16. 問：Client和Server節點是怎樣定義呢？

答：通俗地說吧，Server（server）就是數據中心。Client（client）就是訪問數據者。特別說明，它與主/從設備是獨立的概念：一個主設備既可以充當Server。又可以充當Client。從設備亦然。

 

17. 問：Server是怎樣提供數據呢？

答：Server首先將一個服務按「屬性/句柄/數值/描寫敘述」這樣的格式予以組織，而後調用API函數GATTServApp_RegisterService將服務數據進行註冊。

舉個實例吧，設提供一個電池電量服務字節。它贊成Client讀取。數據爲一個8比特無符號數（0～100%）。它的組織例如如下：02 25 00 19 2A, 這5個數據（小端格式）各自是：0x02=僅僅讀屬性，0x0025=句柄。0x2A19=服務UUID。

 

18. 問：不明確Server提供服務中的UUID？

答：UUID(Universal Unique Identifier)全球唯一標識符，原本是SIC組織分配給特定藍牙服務的標識，如分配0x2A25爲設備序列號的UUID，這樣隨意藍牙設備都可以經過它獲得還有一個設備的序列號。

打個類比。它就像書名。如《現代操做系統》，所有人一看就知道它是計算機大師Andrew S. Tanenbaum寫的書。

 

19. 問：什麼是Server提供服務中的句柄呢？

答：句柄(Handle)就是服務數據在數據中心的地址。當所有的服務數據組織起來後。它總得有個前後順序。某個服務的位置就是它的句柄。

仍是上面的類比。假設想去圖書館借閱《現代操做系統》，需要查明該書在哪一層樓。哪一個房間。這就是該書的Hanle。

 

20. 問：爲何Server提供的服務中有描寫敘述？

答：有些服務是有描寫敘述（Descriptor）的，它是用於Client配置該服務的功能（通知或者顯示）。像某人沒有借到《現代操做系統》該書（多是被別人借光了），他（她）可以打個電話給圖書館工做人員，請求一旦該書可以借閱了給他一個通知，這個過程至關於配置該書的Descriptor。

 

21. 問：服務的屬性與描寫敘述有差異嗎？

答：有差異，服務的屬性是Server設置訪問權限。就像圖書館的工做人員可以設置《現代操做系統》僅能在閱覽室看不能外借（僅僅讀），或者即可以看也可以外借（讀/寫）。

22. 問：Client怎樣訪問Server的服務呢？

答：大體分三類：讀取服務的值，需要知道服務的UUID或者Handle；寫服務的值，需要知道服務的Hanle；寫服務描寫敘述符。需要知道該Descriptor的Hanle。

 

23. 問：怎樣知道一個服務的Handle？

答：依據服務的UUID調用API函數GATT_ReadUsingCharUUID

協議棧會返回該服務的Handle。特別注意的是，一個服務的Descriptor的Handle老是該服務的Handle+1，如電池電量服務的Handle是0x0025，那麼它的Descriptor的Handle是0x0026。

 

24. 問：Server可以訪問Client嗎？

答：藍牙通訊中，Server不能直接訪問（讀/寫）Client，但是可以通知（Notification）Client，通知的前提是Client經過寫Descriptor使能通知功能。

好比。某Server發現電池電量已經低於安全閥值，它可以調用GATT_Notification通知所有已鏈接的Client，但是Client接收後假設處理是它本身的事情。

 

25. 問：假設得知電池容量？

答：不論什麼使用電池供電的設備都必須精確監控電池容量。不然設備可以忽然斷電而中止工做，它的基本原理是經過ADC（模數轉換器）計算電池電壓。以CC2540芯片用一鈕釦電池爲例。電池電壓從2.0v～3.0v。即電量的0%～100%；CC2540有一10比特的ADC，量程範圍爲0～511，參考電壓爲1.25v。最大測量電壓爲3.75v。以上信息可以得知：（v/3）/ 1.25 * 511 = adc，則2.0v=273adc，3.0v=409adc。依據下圖可以很是easy得知ADC轉換爲電壓的公式：

Percentage / (X – 273) = 100 / 136 = 25 / 34，變換後爲：

Percentage = (X - 273) * 25 / 34，爲四捨五入提升計算精度則有：

Percentage = [(X - 273) * 25 + 33] / 34。

 

26. 問：藍牙發射信號功率調整會影響通訊距離嗎？

答：會，以TI公司的CC2540爲例，它支持4種發射功率選擇：4dBm、0dBm、-6dBm和-23dBm，按無線電功率定義：L_dBm=10lg(Pwr/1mW)，以上4種分貝值換算成瓦特爲：2.51mW、1mW、0.251mW和0.005mW。有效通訊距離分別爲：30米、10米、7米和3米。

 

27. 問：怎樣知道兩個藍牙通訊節點之間的距離？

答：要知道藍牙通訊節點（如手機和藍牙設備）之間的距離，最easy實現的方法是經過讀取接收RSSI（Received Signal Strength

Indication）值來計算。無線通信中功率與距離的關係例如如下：

 當中A可以看做是信號傳輸1米遠時接收信號的功率。n是傳播因子（它受障礙。溫度和溼度等影響），r是節點之間的距離。當肯定了常數A與n的值後。距離r就可以依據P_R(dBm)計算出來。

 

28. 問：怎樣獲取藍牙節點的接收RSSI值？

答：詳細的設備接收RSSI值的方法不同。以iPhone手機爲例，iOS提供API函數獲取RSSI值；TI公司的CC2540芯片的BLE協議棧中。首先將讀取RSSI值回調函數掛載到gapRolesRssiRead_t類型的指針下。創建鏈接後。主設備調用GAPCentralRole_StartRssi（），從設備調用

GAPRole_SetParameter(GAPROLE_RSSI_READ_RATE, ……)。這樣就可以定時讀取接收的RSSI值了。

 

29. 問：怎樣開展讀取RSSI值的實驗？

答：讀取RSSI值的實驗可以這樣搭建，主設備固定位置，向從設備發送信號，從設備LED光和Buzzer報警爲通訊成功，逐次移動從設備。而獲取RSSI值隨物理距離之間的關係。

下圖是筆者作實驗的數據：

Distance(m)	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
RSSI(dBm)	-47	-59	-73	-80	-80	-79	-85	-88	-86	-87
Loss(p)	0	0	9	11	27	2	50	32	22	49

實驗器材爲2塊CC2540芯片，主芯片發射功率爲4dBm(2.51mW)。Loss是通訊節點中失敗次數。

 

30. 問：怎樣將接收RSSI實驗數據獲得距離計算公式呢？

答：最好的工具是EXCEL軟件，以上表中的實驗數據和EXCEL 2007爲例。首先選中Distance和RSSI兩行。點擊「插入->散列圖」。軟件會本身主動生成例如如下圖：

選取當中隨意點。點右鍵。「加入趨勢線->對數」。將會出現下圖：

可見RSSI與距離的關係是比較符合指數函數，再點擊「顯示公式」

此時獲得指數函數公式爲：y = -49.53 – 17.7 ln (x)。再把天然對數換成10常用對數。則有：y = -49.53 – 40.71 lg (x)。

經過以上幾步就輕鬆獲得RSSI與距離之間的計算公式。

 

31問：針對RSSI採樣值選用什麼樣的濾波算法？

答：RSSI採樣值遵循下面特色：有個別的脈衝干擾引發極大值和極小值的出現。其它採樣數據值沿平均值分佈，比較適合的算法是：滑動防脈衝干擾平均濾波法。它的原理是，設有N個單位的隊列，用新的採樣值覆蓋舊的採樣值，去除隊列中最大值和最小值後，再計算隊列中採樣數據的平均值。用C語言描寫敘述例如如下：

static INT8S Filter(INT8S chVal)

{

    #define FIFO_NUM    10

 

    INT8S    chMinVal, chMaxVal, chTemp;

    INT16S    nCnt, nSum;  

 

    static INT8S    s_chIx = 0, s_chIsFull = FALSE;

    static INT8S    s_achBuf[FIFO_NUM];

 

    /* Save the NEW value, kick out the OLDest one */

    s_achBuf[s_chIx] = chVal;

    if (++s_chIx >= FIFO_NUM)

    {

        s_chIx = 0;    /* Wrap to 1th unit */

        s_chIsFull = TRUE;         

    }

 

    /* Number of sampled data less than N */

    if (!s_chIsFull)

    {

        nSum = 0;

        for (nCnt = 0; nCnt < s_chIx; ++nCnt)

        {

            nSum += s_achBuf[nCnt];

        }

     

        return (INT8S)(nSum / s_chIx);        

    }

 

    /* Get the SUM and Max. and Min. */

    chMaxVal = chMinVal = nSum = 0;   

    for (nCnt = 0; nCnt < FIFO_NUM; ++nCnt)

    {

        chTemp = s_achBuf[nCnt];

        nSum += chTemp;

 

        if (chTemp > chMaxVal)   

        {

            chMaxVal = chTemp;

        }

        else if (chTemp < chMinVal)

        {

            chMinVal = chTemp;

        }

    }

 

    /* Calculate the average */

    nSum -= (chMaxVal + chMinVal);   /* SUB Max. and Min. */

    nSum /= (FIFO_NUM - 2);    /* Get average */

 

    return (INT8S)nSum;

}

 

 

(姜軍原創 歡迎交流 Email:jiangjunjie_2005@126.com)