基于蓝牙模块的ZIGBEE协议在无线环境监测模拟系统中的应用与实现

中心议题
    * 研究了基于蓝牙模块的ZIGBEE协议
    * 给出了在无线环境监测模拟系统中的应用与实现
解决方案
    * 探测节点负责收集与处理环境信息
    * 监测终端负责管理探测节点设备

0引言

ZIGBEE是一种新兴的短距离无线传输协议，主要用于近距离无线链接。它在成百上千个微小的传感器节点之间相互协调实现通信，这些传感器节点只需要很少的能量，以接力转发的方式通过无线电波将数据从一个传感器节点传到另一个节点，通信效率非常高。ZIGBEE联盟预测的应用领域包括工业控制、汽车自动化、楼宇自动化、医用设备控制等。蓝牙模块可以较可靠和快速地建立短距离无线链接，低功耗、低成本，容易设计开发，采用跳频/时分复用技术能实现点对点和一点对多点通信，可将局域范围内各嵌有蓝牙模块的无线网络设备节点链接组网通信。

1系统功能

本系统由一个监测终端和多个探测节点组成，监测终端可分别与各节点直接通信，每个节点之间还具有信息接力转发和相互自动识别功能，实现对周边环境信息(如温度、湿度、气压、光照等)的探测。监测终端和节点均有无线收发电路，蓝牙模块是无线收发电路的硬件基础。在实际设计时，只制作了2个网络探测节点，可任意扩展节点数。

2系统工作原理

监测终端与各探测节点之间及各探测节点之间能进行交互式无线通信，形成了一个分布式无线交互通信网络，其中探测节点负责收集与处理环境信息，并将获得的信息传送给监测终端，也可以接收监测终端控制器传送的信息。在环境网络中，每个探测节点设备有对应的唯一地址，在区域网中一般作为从设备，根据具体需要可以灵活移动；监测终端负责管理探测节点设备，并转发监测终端和探测节点之间的通信，自动转发两者的数据信息。网络中探测节点控制器的地址也是唯一的，根据通信效果和实际需要可安装在探测局域范围内；监测终端主控台位于总中心站，与各局域范围内的主探测节点控制器构成区域网，作为区域网的主设备，负责管理探测节点控制器和探测节点终端设备。通过嵌有含有主机的已做成成品的ROK101007/1系列蓝牙模块产品实现系统中各设备之间的无线通信。实现蓝牙功能的短距离通信模块ROK101007/1支持USB、UART和IIC；硬件结构主要包括3个部分：基带控制器、闪速存储器和射频模块。根据对蓝牙模块功能的要求，系统中蓝牙模块相互识别、查询、建立链接和数据信息传输尤为重要。

2.1查询附近蓝牙模块

蓝牙模块与控制器硬件连接完成后，上电，通过主机自动加载驱动程序，完成初始化后，开始查询其他蓝牙设备，并可根据查询结果决定本系统应处的状态(主状态和从状态)。根据蓝牙模块的工作原理，在本系统中，探测节点在局域网范围内既可以作为主设备节点也可以作为从设备节点，作为主设备节点时，是该局域网范围内的“监测终端”，而在区域网范围内只有主监测终端作为主设备节点，其他局域网内的主设备节点都为从设备节点，局域网内的主设备节点是其他从探测节点与主监测终端的数据信息中转站。

2.2建立链接

节点A作为局域网范围内的主设备向节点B发送了链接请求，B的蓝牙模块接到该请求后向主机发出链接请求信息，该信息包含节点A的蓝牙地址、设备类型、链接模式等链接参数。节点B接收A的链接请求并发送指令HCI-Accept-Connection-Request，同时，用Role参数指定自己的角色。该指令发出后,节点A、B都将收到一个链接完成信息，该信息包括了对方蓝牙地址、链接模式、加密方式以及链接句柄等信息，其中链接句柄是该链接的“名字”，通过引用链接句柄操作该链接。这样，2点间就建立了链接，可以进行数据传输了。

2.3数据传输

在建立蓝牙系统链接后，已建立通信，只需向UART总线发送要传输的数据就可以实现数据传输了，其中要注意的就是波特率的对应设置。

3通信协议方案

在本系统中，利用蓝牙模块实现ZIGBEE协议功能，要求：1)监测终端实时监测任意网络探测节点的环境信息。2)各探测节点与其他结点之间通过互相转发或直接将环境信息自动传送给监测终端。3)探测节点之间还能自动组网。因此，监测终端与探测节点及探测节点之间通信除了蓝牙模块自身的通信协议之外，还必须要有便于处理器区分处理和控制的环境信息数据通信协议。

从软件编程的思路和降低传输误码率的角度考虑，在本系统中，发送一组环境信息数据通信协议(设置为“引导码+节点地址码+环境信息数据+命令”)，经处理器变换成蓝牙模块，以适于传输数据包格式分组传输，再经接收蓝牙模块处理后进行重组，并传送给处理器整合还原，其中引导码占用2个字节，节点地址码占1个字节，环境信息数据码和命令码占2个字节。数据码用来传输8 bit的数据，其中b0-b6用来表示温度信息，b7用来表示光照的有无。命令码用于实现组网通信的协议要求，规定：0xcc表示监测终端对所有探测节点的广播侦寻。0xc0表示探测节点搜索监测终端；0xc1表示探测节点搜索其他探测节点；0xc2为应答信号。0xdd答复0xcc的广播，并带回节点信息。

先由监测终端发出广播侦寻区域内的所有节点，节点收到广播即回复0xdd，并带回节点信息。每个探测节点发出0xc0搜索监测终端信号，若无应答即表示节点在终端范围以外。每个探测节点亦可发出侦寻信号0xc1，并将监测终端侦寻不到的探测节点信息带给监测终端。

4系统硬件结构介绍

综上所述，本系统主要由监测终端、探测节点和蓝牙模块3个部分组成，监测终端与探测节点硬件电路类似，其中监测终端无环境信息传感器和调理电路部分，探测节点无键盘部分。本系统以ARM7处理器STM32F103作为主控制器，识别监测终端、探测节点和控制信息读写，并通过并行接口提供状态控制、写信息、预置和显示等功能。硬件电路由ERRICSSON的ROK101007/1系列蓝牙芯片、ARM7处理器STM32F103、接口电路、环境信息采集传感器电路、处理电路组成，硬件电路与相应的通信协议以及软件完成环境信息数据采集和传输的任务，微处理器与蓝牙模块之间采用RS232接口来完成数据传输任务。

在蓝牙模块ROK101007硬件结构中，无线射频单元主要负责射频处理和基频调剂；链路控制单元是实现基带协议和其他底层链接的基带部分，包括建立网络链接、差错控制和安全控制等内容；链路管理单元主要负责基带链接的设定及管理、基带数据的分段及重组、多路复用和QOS等；软件结构单元主要提供应用软件所需的通信协议与应用程序接口功能。

在环境信息采集方面，使用一些检测传感器，如光敏电阻传感器检测光照、温湿度传感器检测温度和温度、气压传感器检测大气压大小等。温度与光照分别采用数字温度传感器DS18B20和光敏电阻检测，然后，通过控制器处理检测到的信息，通过液晶显示器LCD1602实时显示，并根据通信协议编码发射。

5结束语

由于系统充分考虑了蓝牙技术短距离高效、快速、可靠的通信能力和ZIGBEE协议组网灵活方便的优越性，设计合理，系统功能较强，系统性能优良、稳定、安全、可靠，做到了低功耗、低成本、低复杂度。对周边环境各网络节点信息能准确、实时监测，并可组网实现大范围传输。