基于藍(lán)牙4．0的教室人數(shù)監(jiān)測(cè)智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)教室人數(shù)，方便各大高校的日常教學(xué)及管理活動(dòng)，提出了一種基于藍(lán)牙4.0技術(shù)、用于統(tǒng)計(jì)教室人數(shù)的智能系統(tǒng)。本系統(tǒng)以基于藍(lán)牙低功耗技術(shù)的CC2540射頻單片機(jī)為核心，通過(guò)控制紅外光電傳感器和溫濕度傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并通過(guò)WiFi模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程上位機(jī)、手機(jī)等終端設(shè)備，也可以通過(guò)WiFi模塊查詢(xún)教室的信息。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)可靠性高、功耗低、準(zhǔn)確度高，可廣泛應(yīng)用于各大高校的日常教學(xué)活動(dòng)中。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙4.0;CC2540;WiFi;低功耗

引言

智能人數(shù)統(tǒng)計(jì)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等系統(tǒng)，一直以來(lái)備受無(wú)線(xiàn)通信及電子行業(yè)的高度關(guān)注，并被廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、車(chē)站、劇院等人流量較大且空間有限的環(huán)境資源中。教室作為現(xiàn)在大學(xué)生最為熟悉的學(xué)習(xí)場(chǎng)所，其環(huán)境的優(yōu)劣直接關(guān)系到學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。教室人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)作為出勤率統(tǒng)計(jì)的輔助系統(tǒng)，一方面，服務(wù)于教師，使教師能將精力集中于教學(xué)活動(dòng)而非出勤率考量活動(dòng)(點(diǎn)名或簽到);另一方面，便于學(xué)校教師管理部門(mén)實(shí)時(shí)獲得教室利用率等信息的傳遞與反饋，從而合理安排教室資源，同時(shí)也有助于同學(xué)快速了解教室使用情況。

藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)是使用范圍廣泛的全球短距離無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)之一，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)于2010年7月發(fā)布了藍(lán)牙4.0版本核心規(guī)范，自此藍(lán)牙邁入了4.0時(shí)代。藍(lán)牙4.0規(guī)范的核心是低功耗技術(shù)，即藍(lán)牙4.0BLE。該技術(shù)最大特點(diǎn)是擁有超低的運(yùn)行功耗和待機(jī)功耗，藍(lán)牙低功耗設(shè)備使用一粒紐扣電池便可以持續(xù)工作數(shù)年之久。同時(shí)，該設(shè)備可以應(yīng)用于對(duì)成本和功耗都有嚴(yán)格要求的無(wú)線(xiàn)方案，并廣泛應(yīng)用于醫(yī)療保健、體育健身、家庭娛樂(lè)、傳感器物聯(lián)網(wǎng)等眾多領(lǐng)域。

因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于最新藍(lán)牙4.0技術(shù)的教室人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，相比于已有的人數(shù)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，具有低成本、低功耗和更好的通用性能，擴(kuò)展了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)終端上的應(yīng)用，具有很高的實(shí)用價(jià)值和參考價(jià)值。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要由CC2540射頻單片機(jī)、液晶顯示器、紅外光電傳感器、溫濕度傳感器及WiFi模塊組成，分為教室前門(mén)和后門(mén)兩個(gè)子系統(tǒng)，其中，前門(mén)藍(lán)牙模塊作為主節(jié)點(diǎn)(Central)，而后門(mén)藍(lán)牙模塊作為從節(jié)點(diǎn)(Peripheral)。與后門(mén)系統(tǒng)相比，前門(mén)系統(tǒng)多了一個(gè)WiFi模塊，其主要作用是為手機(jī)終端和上位機(jī)提供連接。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

前后門(mén)子系統(tǒng)的溫濕度傳感器和光電傳感器負(fù)責(zé)采集教室的溫濕度、人數(shù)信息，前門(mén)(后門(mén))子系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙4.0協(xié)議發(fā)送到后門(mén)(前門(mén))子系統(tǒng)，接收到的數(shù)據(jù)將通過(guò)液晶顯示器顯示在門(mén)口，也可以通過(guò)WiFi發(fā)送給上位機(jī)監(jiān)控終端和手機(jī)終端。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理器單元

主控單元以CC2540射頻單片機(jī)為核心，CC2540是TI公司推出的集成了2.4 GHz射頻收發(fā)器、完全兼容8051內(nèi)核的無(wú)線(xiàn)射頻單片機(jī)，它與藍(lán)牙低功耗協(xié)議棧共同構(gòu)成高性?xún)r(jià)比、低功耗的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，非常適合藍(lán)牙低功耗應(yīng)用。它也包含了豐富的硬件資源，包括21個(gè)通用I/O口、8通道12位ADC、3個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)串口、5通道DMA，支持SPI、USB等。

CC2540外圍電路簡(jiǎn)單，外接幾個(gè)阻容器件構(gòu)成的濾波電路和PCB天線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建。CC2540最小系統(tǒng)主要由32 MHz片外晶振、32 kHz睡眠晶振、復(fù)位電路、+5 V電源及去耦電容、射頻阻抗匹配電路及單極性PCB天線(xiàn)組成。如果芯片不需要休眠，32kHz晶振可以不用。 CC2540芯片外部接口電路如圖2所示。

其中，L1為磁珠，型號(hào)為BLM15HG102SN1D，其在100 MHz時(shí)，阻抗為1 kΩ。

2.2 WiFi模塊

人數(shù)統(tǒng)計(jì)模塊與服務(wù)器端通過(guò)WiFi模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，一般校園內(nèi)的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)都使用WiFi覆蓋并且會(huì)覆蓋每一個(gè)教室，為了節(jié)約成本，可以合理利用現(xiàn)有的資源，實(shí)現(xiàn)每個(gè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊與服務(wù)器之間的無(wú)線(xiàn)通信。

WiFi模塊選用的芯片是海凌科電子推出的低成本模塊HLK—RM04，該模塊是基于通用串行接口的符合網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式模塊，內(nèi)置TCP/ IP協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶(hù)串口、以太網(wǎng)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)(WiFi)3個(gè)接口之間的轉(zhuǎn)換。通過(guò)HLK—RM04模塊，傳統(tǒng)的串口設(shè)備在不需要更改任何配置的情況下，即可通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸自己的數(shù)據(jù)。HLK—RM04模塊通過(guò)串口與CC2540相連。

2.3 傳感器模塊

溫濕度傳感器采用瑞士Scnsirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片SHT11。其主要特點(diǎn)如下：將溫度感測(cè)、濕度感測(cè)、信號(hào)變換、A/D轉(zhuǎn)換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上;提供二線(xiàn)數(shù)字符串行接口，接口簡(jiǎn)單、傳輸可靠性高、測(cè)量精度可編程調(diào)節(jié)、測(cè)量精確度高、封裝尺寸超小，測(cè)量和通信結(jié)束后，自動(dòng)轉(zhuǎn)入低功耗模式。將其數(shù)據(jù)線(xiàn)接口外接上拉電阻，電源與地之間加上100nF去耦電容，CC2540就可以用它來(lái)采集溫濕度信息。

光電傳感器選用的是上海泰武電器有限公司型號(hào)為E3F-DS304C的光電傳感器，其本身已經(jīng)將放大器LM324、電阻等外圍器件集成在該模塊內(nèi)，并引出三根線(xiàn)，分別是地線(xiàn)、數(shù)據(jù)線(xiàn)和電源線(xiàn)。只要將數(shù)據(jù)線(xiàn)直接接在CC2540的外部中斷接口并接好電源和地線(xiàn)，就可以實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)的功能。在前后門(mén)系統(tǒng)各裝兩個(gè)光電傳感器，并排架設(shè)，一前一后。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是根據(jù)藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議，在藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議棧基礎(chǔ)上構(gòu)建節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備的互聯(lián)以及無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。此協(xié)議棧不僅完全支持CC2540芯片的單模模式，而且還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰、兼容性高以及可以免費(fèi)下載等優(yōu)點(diǎn)，極大地節(jié)省了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的成本。

協(xié)議棧代碼以C語(yǔ)言為基礎(chǔ)，具有很強(qiáng)的易讀性，開(kāi)發(fā)人員只需要修改部分代碼便能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的特定功能，節(jié)省了軟件開(kāi)發(fā)的時(shí)間及成本。協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)方式采用分層的思想，從下到上一共分了8層，分別為物理層、鏈路層、控制接口層、邏輯鏈路控制及自適應(yīng)協(xié)議層、安全管理層、屬性協(xié)議層、通用訪(fǎng)問(wèn)配置文件層 (GAP)、通用屬性配置文件層(GATT)，掌握與應(yīng)用緊密關(guān)聯(lián)層(GAP和GATT)就可以滿(mǎn)足大部分設(shè)計(jì)需要。

在使用BLE協(xié)議棧進(jìn)行應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)者不必關(guān)心BLE協(xié)議棧的具體細(xì)節(jié)，但要求其對(duì)BLE協(xié)議棧的基本構(gòu)成和內(nèi)部工作原理有個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)。關(guān)于藍(lán)牙4.0協(xié)議棧的內(nèi)容可以看相關(guān)參考文獻(xiàn)作進(jìn)一步的了解。

軟件的設(shè)計(jì)主要包括3部分：一是溫濕度和人數(shù)數(shù)據(jù)的采集與處理，二是無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，三是上位機(jī)與手機(jī)終端的設(shè)計(jì)。

3.1 溫濕度和人數(shù)數(shù)據(jù)的采集與處理

溫濕度傳感器SHT11是I2C總線(xiàn)接口，由于CC2540沒(méi)有I2C總線(xiàn)接口(CC2541有I2C總線(xiàn)接口)，因此采用模擬I2C總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)，SHT 11的驅(qū)動(dòng)程序需要參考SHT11的數(shù)據(jù)手冊(cè)，這里不再詳述。而對(duì)于進(jìn)出人數(shù)的判斷，主要是利用進(jìn)出門(mén)時(shí)兩個(gè)光電傳感器所產(chǎn)生的信號(hào)順序進(jìn)行判斷。比如，前門(mén)系統(tǒng)放著的兩個(gè)光電傳感器分別為A和B，當(dāng)人走進(jìn)教室時(shí)，A先產(chǎn)生信號(hào)，B后產(chǎn)生信號(hào)，此時(shí)判斷有一個(gè)人進(jìn)了教室;而當(dāng)人走出教室時(shí)，B先產(chǎn)生信號(hào)，A后產(chǎn)生信號(hào)，此時(shí)判斷有一個(gè)人出了教室。人數(shù)采集流程如圖3所示。

3.2 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)

藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)中，只能存在一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和單個(gè)或者多個(gè)從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)是發(fā)出信號(hào)者，主節(jié)點(diǎn)是掃描且發(fā)起連接者。當(dāng)從節(jié)點(diǎn)發(fā)出廣告信號(hào)(包括設(shè)備地址和設(shè)備名稱(chēng)之類(lèi)的附加信息)，主節(jié)點(diǎn)收到此廣告信號(hào)后，向從節(jié)點(diǎn)發(fā)出掃描請(qǐng)求，當(dāng)從節(jié)點(diǎn)回應(yīng)掃描時(shí)，就完成了設(shè)備發(fā)現(xiàn)過(guò)程。接著主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)出連接請(qǐng)求(包括連接時(shí)隙、從節(jié)點(diǎn)待機(jī)次數(shù)、連接超時(shí)值)，從節(jié)點(diǎn)回應(yīng)連接，自此主從節(jié)點(diǎn)建立了連接。

藍(lán)牙從節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸可以分為主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)讀寫(xiě)和從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)兩種。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，主節(jié)點(diǎn)會(huì)調(diào)用GATT_WriteCharValue或者GATT_ReadCharValue和從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。

而當(dāng)從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，從節(jié)點(diǎn)需要通過(guò)notify的方式，也就是通過(guò)調(diào)用GATT_Notification發(fā)起和主節(jié)點(diǎn)的通信。在本設(shè)計(jì)中，前門(mén)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用GATT_WriteCharValue將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給后門(mén)系統(tǒng)，后門(mén)系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用GATT_Notification將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給前門(mén)系統(tǒng)，確保了人數(shù)統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確性。

在CC2540的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，低功耗是尤為重要的內(nèi)容，為充分發(fā)揮其作用，同時(shí)利用人員進(jìn)出教室時(shí)光電傳感器數(shù)據(jù)接口產(chǎn)生中斷信號(hào)的特點(diǎn)，在沒(méi)有人員進(jìn)出教室時(shí)，藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)將處于深度睡眠狀態(tài)(功耗最低，只能通過(guò)復(fù)位或者中斷喚醒)，而當(dāng)教室有人員進(jìn)出時(shí)，立刻喚醒節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與傳輸。

3.3 上位機(jī)與手機(jī)終端的設(shè)計(jì)

由控制系統(tǒng)產(chǎn)生的教室人數(shù)、教室溫濕度等數(shù)據(jù)通過(guò)WiFi模塊傳給上位機(jī)監(jiān)控端，這樣有利于管理人員對(duì)教室的管理。當(dāng)教室沒(méi)有人時(shí)，管理員可以第一時(shí)間知道，去關(guān)掉燈以節(jié)約能源。本次設(shè)計(jì)的上位機(jī)采用JAVA設(shè)計(jì)而成，主要是采用Swing工具實(shí)現(xiàn)用戶(hù)操作界面，結(jié)合SQL數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的訪(fǎng)問(wèn)。上位機(jī)與人數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊之間采用JAVA自帶的Socket中的UDP協(xié)議實(shí)現(xiàn)相互之間的通信。上位機(jī)與手機(jī)終端之間通過(guò) HTTP的POST方式實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)內(nèi)的無(wú)線(xiàn)通信。上位機(jī)界面如圖4所示。

手機(jī)終端APP程序設(shè)計(jì)是使用Myeclipse2014開(kāi)發(fā)環(huán)境，在程序中通過(guò)JDBC遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器端的SQL數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶(hù)僅需輸入所要查詢(xún)的教室編號(hào)，點(diǎn)擊查詢(xún)按鈕便可獲得實(shí)時(shí)的教室信息，并將查詢(xún)結(jié)果顯示在下面的TextView中。查詢(xún)的結(jié)果包括教室是否有課、教室的人數(shù)和教室的氣溫。手機(jī)終端的安卓界面如圖5所示。

結(jié)語(yǔ)

教室作為一個(gè)與學(xué)生息息相關(guān)的環(huán)境資源，舒適、安逸的學(xué)習(xí)環(huán)境可以極大地提高學(xué)習(xí)效率以及學(xué)習(xí)積極性。但在現(xiàn)階段，大多數(shù)學(xué)校面臨著教室資源的不足，其中很大一部分原因并非教室數(shù)量不足，而是因?yàn)槿狈?shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋而導(dǎo)致資源的不均衡使用以及學(xué)校對(duì)教室資源管理不能進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)控。

本文基于藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，提出了一種低功耗、高可靠性的教室人數(shù)統(tǒng)計(jì)智能系統(tǒng)，其利用藍(lán)牙4.0協(xié)議進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，并通過(guò)WiFi模塊實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)之間的互連。

該系統(tǒng)能將采集到的教室內(nèi)的實(shí)時(shí)人數(shù)和溫濕度信息等用液晶屏幕顯示出來(lái)，同時(shí)，通過(guò)WiFi模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程的上位機(jī)，手機(jī)等終端設(shè)備也可以通過(guò)該模塊查詢(xún)教室信息。

該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和推廣既方便了學(xué)生，又為教學(xué)管理提供了便利。但由于種種原因，此系統(tǒng)還存在一些不足，比如，目前只有安卓系統(tǒng)的客戶(hù)端可以查詢(xún)教室信息，其應(yīng)用和推廣還有很大限制，希望未來(lái)能夠在如iOS系統(tǒng)等客戶(hù)端上進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢(xún)。