蓝牙设计
蓝牙设计
1. 问：什么是蓝牙通信？
答：蓝牙通讯最初设计初衷是方便移动电话（手机）与配件之间进行低成本、低功耗无线通信连接。如今已经成为IEEE802.15标准。得到全球上万家厂商支持。
2. 问：假设从事蓝牙开发有没有前途？
答：严格地说，这不是一个技术问题，而是一个世界观问题。
什么是前途？假设单纯是金钱，从事技术是不太可能暴富的（注意比尔.盖茨是个技术商人）；假设想用你所能改善世界，这是可能的，毕竟蓝牙的主要用途是民用。附带说一句，考虑赚钱和改变世界是中国和西方人世界观的主要区别。
3. 问：蓝牙有什么优势？
答：首先是低功耗，以BLE 4.0为例，一节钮扣电池在静态工作状态能够支持一年；其次是低成本，TI公司的CC2540蓝牙SOC方案芯片出售价仅1美元，能够让人们低廉使用蓝牙技术。再次是开放性，2.4GHz的频段全球开放，没有政府监管；最后是适合时代潮流，如今是手机的时代。蓝牙技术本来就为它而生。
4. 问：蓝牙4.0协议和BLE是什么？
答：蓝牙4.0协议是2010年6月由SIG（Special Interest Group）公布的最新标准，它有2种模式：BLE（Bluetooth low energy）仅仅能与4.0协议设备通信，适应节能且仅收发少量数据的设备（如家用电子）；BR/EDR（Basic Rate / Enhanced Data Rate）。向下兼容（能与3.0/2.1/2.0通信），适应收发数据较多的设备（如耳机）。
5. 问：眼下支持蓝牙4.0的移动设备有哪些？
答：苹果公司的iPhone 4S、iPhone 5、miniPad和iPad 3；小米手机2；三星公司的Galaxy SIII和Note II；HTC ONE系列。
6. 问：怎样開始蓝牙4.0的开发呢？
答：概括地讲至少下面三方面的准备吧。
硬件方面，须要购买TI公司蓝牙迷你套件，包含蓝牙USB电子狗和KeyFob以及CC Debugger传真器；软件方面。安装IAR for 8051，TI公司BTool软件；技术知识，《CC2540/41 BLE Software Developer’s Guide 1.3》和《CC2540/41 User’s Guide》。
7. 问：刚開始接触蓝牙怎样高速上手？
答：理论联系实践是比較好的学习方法，建议先学习《CC2540/41 BLE Software Developer’s Guide 1.3》，然后将SimpleBLEPerepheralproject导入IAR for 8051，结合电子狗和BTool，调试蓝牙通讯中的广播/连接/绑定/訪问。
光看书不动手。空虚；不看书光动手，浅薄。
8. 问：IAR调试CC2540时程序导入到了芯片的Flash中了吗？
答：确实。CC2540是SOC（System On Chip）芯片，它的内核就是8051。它须要从ROM中取指令，从RAM中取数据来执行。
仿真时。CC Debugger会把程序导入芯片Flash中。再运行仿真。
9. 问：当IAR调试中出现警告“缺少断点，无法执行到main()”？
答：出现这个错误的原因是，IAR for 8051最多仅仅能设置3个断点。假设设置过多，当程序下载后，将出现些调试警告。解决办法非常easy。去掉一些断点，再又一次加载程序。
10. 问：为什么IAR调试时有非常多变量无法查看它的值？
答：基本的原因是IAR编译器设置了优化功能，函数中的自己主动变量以及一些静态函数都被优化过了。所以没有生成相应的调试信息。无法查看和设置断点。解决办法是关闭编译器的优化功能。右键点击project的Options -> C/C++ Compiler -> Optimizations中的Level设置为None。
11. 问：蓝牙协议分层非常多且比較复杂，该怎样掌握呢？
答：蓝牙协议从应用层到物理层一共分了8层，看上去比較复杂且API函数非常多。首先不必要知道每一层的详细实现。掌握与应用紧密关联GAP/GATT（或者GAP Role和GATT Profiles）层就能够满足大部分设计须要；每一层的软件都是通过OSAL来调用的。因此须要了解OSAL的基本原理：任务/事件/消息/定时器/动态分配内存。最后把蓝牙通讯过程理解。将有助于开发。
12. 问：OSAL是一个操作系统吗？
答：OSAL（Operating System Abstraction Layer）操作系统抽象层。它不是一个真正的操作系统（它没有Context Switch上下文切换功能）。但它巧妙地组织各任务，支持任务优先级。任务之间能够通过事件和消息来通信，为任务提供软定时器和动态内存分配。要避免的陷阱是。应用任务的单个函数执行时间不能太长（如操作大批量数据的Flash写）。否则它无法及时调度高优先级的LL（Link Layer）任务而导致蓝牙通信中断。
13. 问：蓝牙节点是怎样组成微微网的呢？
答：蓝牙节点组网中。仅仅能存在一个主节点（Central）和多个从节点（Peripheral）。从节点是发出信号者，主节点是扫描且发起连接者。
14. 问：主节点和从节点通信的过程是如何的呢？
答：当从节点发出广告信号（包含设备地址和设备名称之类的附加信息）。主节点收到此广告信号后，向从节点发出扫描请求。当从节点回应扫描时，就完毕了设备发现过程。
接着主节点向从节点发出连接请求（包含连接时隙、从节点待机次数、连接超时值），从节点回应连接，就完毕了建立连接。
为了安全起见，一些数据的訪问须要认证。它的完毕是这种：一方（能够是主节点。也能够是从节点）向还有一方索要6位数字的password，之后。两个节点彼此交换安全密钥用于加密和认证，此过程称为配对。
认证的过程比較繁琐，BLE协议支持两节点保存认证的安全密钥（通常是非易失性存储器中），以便于两节点下次连接后高速认证，这就是绑定技术。
15. 问：蓝牙通信中两个节点怎样交换数据？
答：这是蓝牙通信中最让刚開始学习的人迷惑的地方。大部分通信，尤其是TCP/IP，交换数据的婚介是数据包，但蓝牙通信中。project师找不到数据包訪问方式，于是就产生疑问。事实上蓝牙最底层也是基于无线数据包交换，仅仅是通过层层封装。交付给project师的API接口就变成了Client訪问Server的方式。
16. 问：Client和Server节点是怎样定义呢？
答：通俗地说吧，Server（server）就是数据中心。Client（client）就是訪问数据者。特别说明，它与主/从设备是独立的概念：一个主设备既能够充当Server。又能够充当Client。从设备亦然。
17. 问：Server是怎样提供数据呢？
答：Server首先将一个服务按“属性/句柄/数值/描写叙述”这样的格式予以组织，然后调用API函数GATTServApp_RegisterService将服务数据进行注冊。
举个实例吧，设提供一个电池电量服务字节。它同意Client读取。数据为一个8比特无符号数（0～100%）。它的组织例如以下：02 25 00 19 2A, 这5个数据（小端格式）各自是：0x02=仅仅读属性，0x0025=句柄。0x2A19=服务UUID。
18. 问：不明确Server提供服务中的UUID？
答：UUID(Universal Unique Identifier)全球惟一标识符，本来是SIC组织分配给特定蓝牙服务的标识，如分配0x2A25为设备序列号的UUID，这样随意蓝牙设备都能够通过它得到还有一个设备的序列号。
打个类比。它就像书名。如《现代操作系统》，全部人一看就知道它是计算机大师Andrew S. Tanenbaum写的书。
19. 问：什么是Server提供服务中的句柄呢？
答：句柄(Handle)就是服务数据在数据中心的地址。当全部的服务数据组织起来后。它总得有个先后顺序。某个服务的位置就是它的句柄。
还是上面的类比。假设想去图书馆借阅《现代操作系统》，须要查明该书在哪一层楼。哪个房间。这就是该书的Hanle。
20. 问：为什么Server提供的服务中有描写叙述？
答：有些服务是有描写叙述（Descriptor）的，它是用于Client配置该服务的功能（通知或者显示）。像某人没有借到《现代操作系统》该书（可能是被别人借光了），他（她）能够打个电话给图书馆工作人员，请求一旦该书能够借阅了给他一个通知，这个过程相当于配置该书的Descriptor。
21. 问：服务的属性与描写叙述有差别吗？
答：有差别，服务的属性是Server设置訪问权限。就像图书馆的工作人员能够设置《现代操作系统》仅能在阅览室看不能外借（仅仅读），或者即能够看也能够外借（读/写）。
22. 问：Client怎样訪问Server的服务呢？
答：大致分三类：读取服务的值，须要知道服务的UUID或者Handle；写服务的值，须要知道服务的Hanle；写服务描写叙述符。须要知道该Descriptor的Hanle。
23. 问：怎样知道一个服务的Handle？
答：依据服务的UUID调用API函数GATT_ReadUsingCharUUID
协议栈会返回该服务的Handle。特别注意的是，一个服务的Descriptor的Handle总是该服务的Handle+1，如电池电量服务的Handle是0x0025，那么它的Descriptor的Handle是0x0026。
24. 问：Server能够訪问Client吗？
答：蓝牙通信中，Server不能直接訪问（读/写）Client，可是能够通知（Notification）Client，通知的前提是Client通过写Descriptor使能通知功能。
比如。某Server发现电池电量已经低于安全阀值，它能够调用GATT_Notification通知全部已连接的Client，可是Client接收后假设处理是它自己的事情。
25. 问：假设得知电池容量？
答：不论什么使用电池供电的设备都必须精确监控电池容量。否则设备能够突然断电而停止工作，它的基本原理是通过ADC（模数转换器）计算电池电压。以CC2540芯片用一钮扣电池为例。电池电压从2.0v～3.0v。即电量的0%～100%；CC2540有一10比特的ADC，量程范围为0～511，參考电压为1.25v。最大測量电压为3.75v。以上信息能够得知：（v/3）/ 1.25 * 511 = adc，则2.0v=273adc，3.0v=409adc。依据下图能够非常easy得知ADC转换为电压的公式：
Percentage / (X – 273) = 100 / 136 = 25 / 34，变换后为：
Percentage = (X - 273) * 25 / 34，为四舍五入提高计算精度则有：
Percentage = [(X - 273) * 25 + 33] / 34。
26. 问：蓝牙发射信号功率调整会影响通信距离吗？
答：会，以TI公司的CC2540为例，它支持4种发射功率选择：4dBm、0dBm、-6dBm和-23dBm，按无线电功率定义：LdBm=10lg(Pwr/1mW)，以上4种分贝值换算成瓦特为：2.51mW、1mW、0.251mW和0.005mW。有效通信距离分别为：30米、10米、7米和3米。
27. 问：怎样知道两个蓝牙通信节点之间的距离？
答：要知道蓝牙通信节点（如手机和蓝牙设备）之间的距离，最easy实现的方法是通过读取接收RSSI（Received Signal Strength
Indication）值来计算。无线通讯中功率与距离的关系例如以下：
当中A能够看作是信号传输1米远时接收信号的功率。n是传播因子（它受障碍。温度和湿度等影响），r是节点之间的距离。当确定了常数A与n的值后。距离r就能够依据PR(dBm)计算出来。
28. 问：怎样获取蓝牙节点的接收RSSI值？
答：详细的设备接收RSSI值的方法不一样。以iPhone手机为例，iOS提供API函数获取RSSI值；TI公司的CC2540芯片的BLE协议栈中。首先将读取RSSI值回调函数挂载到gapRolesRssiRead_t类型的指针下。建立连接后。主设备调用GAPCentralRole_StartRssi（），从设备调用
GAPRole_SetParameter(GAPROLE_RSSI_READ_RATE, ……)。这样就能够定时读取接收的RSSI值了。
29. 问：怎样开展读取RSSI值的实验？
答：读取RSSI值的实验能够这样搭建，主设备固定位置，向从设备发送信号，从设备LED光和Buzzer报警为通信成功，逐次移动从设备。而获取RSSI值随物理距离之间的关系。
下图是笔者做实验的数据：
| 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 |
实验器材为2块CC2540芯片，主芯片发射功率为4dBm(2.51mW)。Loss是通信节点中失败次数。
30. 问：怎样将接收RSSI实验数据得到距离计算公式呢？
答：最好的工具是EXCEL软件，以上表中的实验数据和EXCEL 2007为例。首先选中Distance和RSSI两行。点击“插入->散列图”。软件会自己主动生成例如以下图：
选取当中随意点。点右键。“加入趋势线->对数”。将会出现下图：
可见RSSI与距离的关系是比較符合指数函数，再点击“显示公式”
此时得到指数函数公式为：y = -49.53 – 17.7 ln (x)。再把自然对数换成10经常使用对数。则有：y = -49.53 – 40.71 lg (x)。
通过以上几步就轻松得到RSSI与距离之间的计算公式。
31问：针对RSSI採样值选用什么样的滤波算法？
答：RSSI採样值遵循下面特点：有个别的脉冲干扰引起极大值和极小值的出现。其它採样数据值沿平均值分布，比較适合的算法是：滑动防脉冲干扰平均滤波法。它的原理是，设有N个单位的队列，用新的採样值覆盖旧的採样值，去除队列中最大值和最小值后，再计算队列中採样数据的平均值。用C语言描写叙述例如以下：
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;
}
(姜军原创 欢迎交流 Email:[email protected])