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基于BLE的激光打靶系统设计


基于 BLE 的便携式激光打靶系统设计
摘要: 随着芯片制造技术的不断提高和嵌入式系统的不断发展,为研究小型化、便 携式的自动报靶系统提供了很好的硬件支持。 但便携式仪器对供电要求比较严格, 以低功耗、 电池供电为主。 BLE (Bluetooth Low Energy) , 蓝牙规范的最新版本, 具有更省电、 成本低、 3 毫秒低延迟、 超长有效连接距离、 AES-1

28 加密等特点, 并且使用一粒纽扣电池甚至可连续工作数年之久。 因此系统采用常用 BLE 技术作 为无线通信的手段,在自动报靶系统中给射击人员带来巨大方便。 关键字:自动报靶,便携式,低功耗,BLE With the development of the technology in chip manufacturing and embedded system, it has advantage in researching miniaturized and portable system that can automatic reporting the score of shooting. However the portable instrument for power supply requirements more stringent, with low power consumption, battery power supply. BLE (Bluetooth Low Energy), the latest version of the Bluetooth specification, with the feature such as using less power, low cost, long distance of low latency for 3 MS, effective connection in farer distance, AES-128 encryption, and with a button battery it can work continuously for several years. So the system designed in this paper uses BLE technology as the wireless communication means, which brings great convenience for shooting people in an automatic target scoring system. Key words: automatic reporting, portable, low energy, BLE

0 蓝牙技术及应用
蓝牙是一种短距离通信的无线电技术。支持多种设备包括移动电话、PDA、 无线耳机、 笔记本电脑等相关外设之间进行无线信息交换。蓝牙采用分散式网络 结构以及快跳频和短包技术,支持点对点及点对多点通信,工作在全球通用的 2.4GHz ISM 频段,其数据速率为 1Mbps。蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)2010 年 7 月 7 日宣布, 正式采纳蓝牙 4.0 核心规范 (Bluetooth Core Specification Version 4.0 ) , 并启动对应的认证计划。 蓝牙 4.0 与经典蓝牙区别是, 前者支持 BLE (Bluetooth low energy) ,该技术拥有极低的运行和待机功耗,使用一粒纽扣电池甚至可连续工 作数年之久,而且在无遮挡情况下传输距离高达 100 米[1]。 BLE 引爆蓝牙应用。蓝牙技术除原有的手机、平板电脑等消费类应用外,还 扩展到智能家居、智能运动、智能保健、智能护理等领域,可以说,蓝牙技术瞄 准的是物联网和智慧地球这个未来[2]。 本文结合了 BLE 技术设计一款激光打靶并 自动报靶系统。

1 BLE 协议栈
1.1 组成部分
BLE 是蓝牙 4.0 规范的一种,BLE 协议栈是实现 BLE 协议的代码包,协议栈

结构分为 3 层,如图 1 所示: 控制层(controller) ,包括 HCI、LL、PHY。 协议层(Host) ,包括 L2CAP、SM、ATT、GATT、GAP。 应用层(App) :包括 GATT Profile 和 GAP Role/Security Profiles。

图 1 BLE 协议栈结构

PHY:物理层:主要是射频和电路部分。 LL:链路控制层:通过计算器的设置来控制物理层。 HCI:通讯层:向 host 和 controller 提供一个标准化接口,该层可以由软件 API 实现或者用硬件接口 UART SPI USB 来控制。 L2CAP:逻辑链路控制和适配层:负责逻辑链路的连接以及事件的分发,位 于基带协议之上。L2CAP 向上层提供面向连接的和无连接的数据服务。它的功能 包括:协议的复用能力、分组的分割和重新组装以及数据组提取。L2CAP 允许高 层协议和应用发送和接受高达 64Byte 的数据分组。 SM:安全服务层:提供配对密匙的发放,实现安全链接和数据交换。 ATT:属性层:是 BLE 中一个很重要的一层,所有的数据都要经过这层,展 示属性的称为服务器, 与之配对的称为客户端。主机设备可以是服务器也可以是 客户端,规定了 Client 和 Server 两个角色,数据存在 Service 端,以 Attribute 形 式存在,Client 则以读或写的方式来对 Server 端数据进行操作。

GATT:General Attribute Profile,通用属性配置文件,定义使用 ATT 的服务框 架, GATT 规定了配置文件 (profile) 结构。 BLE 中所有的数据通信都需要经过 GATT。 GATT 负责处理向上与应用打交道,其关键工作是为检索工作提供合适的 profile 结构,而 profile 由检索关键词(characteristics)组成。 GAP:Genetic Access Profile,通用访问配置文件,是直接与应用程序或配置 文件(profiles)通信的接口,用以处理设备发现和连接的相关服务。另外还处理 安全特性的初始化。对上级,提供应用程序接口,对下级,管理各级职能部门, 尤其是指示 LL 层控制室五种状态切换,指导保卫处做好机要工作。 在开发过程中,主要涉及的是应用层和 GAP 和 GPTT,因为所有 profile 和应 用都建构在 GAP 或 GATT 之上。

1.2 通信机制
蓝牙设备间主要在 2402 -2480MHzd 的频段上交换数据, 信道间隔为 2MHz, 共计 40 个信道,其中 37、38 和 39 三个是广播信道,其余是数据信道。进行通 信两个设备的角色分别为主机 master 和从机 slave,也称中集器(Central)和外 设(Peripheral) 。蓝牙设备之间通信方式如下图所示:外设不断发送广播包数据 等待被发现, 广播包只三个广播信道上传播。 主机通过不断扫描广播包来发现正 在广播的外设。 如果扫描到广播包,主机会根据自身要求去决定要不要跟外设建 立连接。如果需要,则发送连接请求,外设会返回连接响应,这样两个蓝牙设备 就会建立连接。 接下来主机可以根据收到的从机连接句柄和特性句柄进一步交换 数据了。

图 2 蓝牙主从设备通信方式

2 系统硬件设计
我们采用 Nordic 公司推出的应用在嵌入式蓝牙应用的片上系统 Nrf51822 芯 片作为本系统的主控芯片以及无线传输模块的基础部分,并在他们的蓝牙 4.0 协 议栈基础上进行应用开发。 Nrf51822 蓝牙协议和应用的存储空间相互分开, 无不 干扰, 客户只需关注应用代码的开发,不需花大量时间去了解蓝牙协议是如何运 行的,只需配置 API 参数就可以运行起来。该芯片内部集成无线收发器和 32 位 ARM Cortex-M0 内核, 256K ROM,16/32KB RAM, 1.8~3.6v 供电电压, 待机电流 2.6uA, 工作峰值电流不超过 15mA。 系统架构组成的框图如图 2、图 3 所示,整个系统分两部分,一个是打靶成 绩的采集和运算模块,作为蓝牙通信的从机设备,另一个是便携式激光打靶仪, 作为蓝牙通信的主机设备。 从机主要组成部分为摄像头图像采集、 Nrf51822 芯片 和供电部分。摄像头采集到整个靶盘图像后,经过简单的数字图像处理算法检测 出激光打靶成绩,然后将打靶成绩无线发送给主机。主机主要组成部分为 LCD 显示器、Nrf51822 芯片、激光射击和供电部分。射击人员射击后,会收到来自从 机的成绩反馈,并在 LCD 上面显示出来,达到实时告知射击训练人员的目的。

图 2 蓝牙从机设备

图 3 蓝牙主机设备

3 系统无线模块软件设计
蓝牙设备之间可以实现点对点、点对多点(即一个主机,多个从机)通信, 本文应用点对点通信即可满足设计要求。 主机和从机之间的通信需要满足两个条 件: 一是从机要配置有可连接功能;二是主机要有识别出是否为所要搜索的目标

设备的功能。下面的软件流程图分别实现了主机和从机能建立通信的要求:

图 5 主从设备软件流程图

蓝牙从机设备软件流程图如图 5 左图所示,设备上电后,先进行初始化,包 括硬件初始化,蓝牙协议栈初始化,广播数据初始化,广播数据初始化包括自身 的可连接性,注册的服务号,特性号等,然后进入广播开始,数据就从广播包里 发送出去。接着进入蓝牙事件等待状态,侦听是否有蓝牙连接事件、蓝牙断开事 件、 广播超时事件以及写事件和读事件等。并用定时器中断等间隔地去检测是否 有激光射击,如果有,则把数据采集回来并运算,计算出打靶成绩后将广播包里 的打靶成绩更换掉,然后重新广播。 蓝牙主机设备软件流程图如图 5 右图所示,设备上电后,先进行初始化,包 括硬件初始化,蓝牙协议栈初始化,扫描初始化,连接参数初始化,扫描开始, 然后进入蓝牙事件等待状态。 主机在扫描的时候会先收到广播数据包,然后会产 生发现广播数据包事件, 协议栈通过软中断会调用一个回调来处理发现广播事件, 紧接着解析出从设备地址,服务号等信息并判断是否为所要搜索的目标设备,如 果是,则解析出打靶成绩,并用 LCD 显示出来,然后继续等待蓝牙事件。

4 总结
本文创新性地将 BLE 技术应用到了便携式激光打靶系统中, 与传统有线传输 和无线传输方式相比,BLE 技术实现了小型化、便携式、无线传输、低成本以及 低功耗的系统设计,符合当前智能设备发展的要求。

5 参考文献
[1] 基于手机蓝牙微微网超市局域物联网应用研究 [2] 基于蓝牙的汽车物联网应用与开发


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