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藍牙防丟器控制板設計
隨著科技的進步以及各種新鮮事物的沖擊，個人在單位時間內處理的任務和信息量相較于過去有顯著的提高。在高強度的生活中，遺忘現(xiàn)象十分普遍。如何尋找遺忘的物件也成為人們生活中的一個難題，比如隨手一放的鑰匙，錢幣，飾品，還有信用卡，個人證件，耳機等等物品。設計一款專門針對細小物件的防丟器非常實用，防丟器可以通過與細小物件綁定在一起，當物主和物件分離時提供報警，尋回等功能。本設計利用現(xiàn)在已普及的智能手機為載體，設計了一款基于Android平臺和低功耗藍牙技術的智能防丟器。
一、防丟器的功能實現(xiàn)方案
藍牙防丟器由兩部分組成。一部分為與物件捆綁在一起藍牙設備從機，一部分為用戶隨身攜帶的藍牙設備主機。用戶與其防丟物件之間往往需要維持較近的距離，所以利用藍牙短距離無線通信這一特點使設計非常便利。首先，從機和主機之間要建立了藍牙配對連接，用戶通過主機搜索到正在廣播的從機，在主機的配對表里選擇從機完成連接。當從機與主機建立連接后，主機周期性地得到一個主從機之間的信號強度值。當該信號強度值小于預設的信號強度閾值時，主機啟動報警，提醒用戶物件即將遺失。
當安卓手機檢測到信號強度過弱并報警時，便通過GPS記錄下此時的位置信息。若施主沒有聽到報警聲，便可以根據(jù)這個位置記錄找到失物的大致位置，并實現(xiàn)尋回。此位置信息還可以和一些地圖軟件的API相結合，在地圖上更加直觀地顯示出失物的位置。
二、低功耗藍牙從機設計
本設計的從機由CC2540藍牙芯片組成，實現(xiàn)簡單的藍牙廣播功能。隨著智能手機的普及，市面上的大部分安卓手機都支持藍牙，但不是所有的安卓手機都能支持基于藍牙4.0的低功耗藍牙。所以主機選用搭載支持低功耗藍牙協(xié)議4.0的安卓手機(安卓4.3.1及以上)。每當藍牙芯片向手機發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，便會提供手機一個信號強度的估計值。本設計的主要過程便基于此實現(xiàn)。
2.1 CC2540軟件設計
CC2540藍牙芯片的軟件由OSAL操作系統(tǒng)抽象層和硬件抽象層HAL組成，OSAL操作系統(tǒng)抽象層是藍牙4.0BLE協(xié)議棧內加入的一個小的操作系統(tǒng)。BLE協(xié)議棧、profile以及所有應用程序都是建立在OSAL的基礎上。硬件抽象層HAL位于操作系統(tǒng)內核與硬件電路之間的接口。隱藏了硬件的具體細節(jié)，方便軟件在各平臺上的移植并使得軟硬件測試功能成為可能。
低功耗藍牙協(xié)議棧的運行流程簡析：在整個程序的main()函數(shù)中包含了整個程序的入口，低功耗藍牙協(xié)議棧的運行流程大致如下:(1)初始化硬件。(2)初始化I/O板。(3)初始化HAL驅動。(4)初始化NV系統(tǒng)。(5)初始化操作系統(tǒng)。(6)使能中斷。(7)最后初始化電路板。(8)運行OSAL操作系統(tǒng)。當系統(tǒng)初始化后即進入低功耗模式，若沒有任務，則持續(xù)處于低功耗模式。若有任務加入，則喚醒系統(tǒng)，離開低功耗模式，任務處理完成后，回到低功耗模式。
低功耗藍牙實現(xiàn)低功耗的主要方法：連接間隙:低功耗藍牙設備使用跳頻機制實現(xiàn)連接，即設備發(fā)送數(shù)據(jù)選用的信道是隨時間變化而變化的。設備之間可以通過鏈路層的數(shù)據(jù)交換來維持連接，而不用通過數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。從一次信道切換后收發(fā)數(shù)據(jù)到下一次信道切換收發(fā)數(shù)據(jù)之間的時間間隔叫連接間隔。通過設置較大的連接間隔可以明顯地節(jié)省功耗，而數(shù)據(jù)發(fā)送速度更慢。
從機延遲:當沒有數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)可發(fā)送時，從機便可以選擇跳過連接間隙，直到有數(shù)據(jù)發(fā)送，跳過間隙的數(shù)量有一定的限制，但通過跳過有限的連接間隙便可以極大地減小功耗的消耗。
2.2低功耗藍牙防丟器從機的關鍵實現(xiàn)
(1)設備的配置以及藍牙協(xié)議棧的初始化:選用CC2540模塊主要是作為與隨身物件綁定的跟蹤器，故芯片模塊的狀態(tài)設為從機。初始化配置文件GAP為外部設備模式，設置從機為上電即廣播。
(2)設置GAP參數(shù)的部分代碼，設置GAP特性，信號強度值的更新速度，以及廣播間隙的部分代碼。
(3)根據(jù)Rssi信號強度值計算兩設備之間的距離。根據(jù)大量的調查，發(fā)現(xiàn)只在有限范圍內，兩設備之間的距離才和信號強度值成不太標準的線性關系。計算距離的算法精確度并不高，而且距離比起信號強度值參考價值較低。所以經過計算得出的兩設備之間的距離值只具有參考意義，并不運用于實際的報警判斷。
(4)將獲得的Rssi信號強度值經過處理后發(fā)送到主機(安卓手機設備)，Rssi為信號強度值，是藍牙防丟器的主要參考數(shù)據(jù)。
三、防丟器安卓手機端設計
因為要用到只有Android 4.3以上版本才有的API，所以本設計軟件選用Android4.3.1系統(tǒng)開發(fā)。而搭載Android4.3.1的設備可以是智能手機，智能手表，智能電視等。智能手機相對其他安卓設備而言更加普及、更加方便攜帶，本軟件設計主要針對手機進行適配。
3.1手機軟件界面
手機軟件界面分為兩部分:第一部分是主要是藍牙設備的掃描，和連接的建立。我們把它叫做設備掃面界面。在此頁面中，軟件掃描外部可連接的藍牙設備，建立一個可連接設備的設備目錄，在其中顯示每一個可連接設備的設備名，UUID地址，Rssi信號強度值和估算的距離值。界面中的顯示設備的滾動目錄通過定義ViewHolder類來輔助實現(xiàn)。目錄通過getView方法來獲取將要顯示的項，而在getView方法中，主要通過findViewById方法來查找，findViewById是一個基于樹的查找方法，對時間的消耗非常大，而且要從XML布局文件中生成View對象。所以當需要列出的項變得很多時，軟件的運行速度將會大大降低。ViewHolder主要針對可以滾動顯示的目錄，通過優(yōu)化當目錄項滾動到屏幕外時的所進行的操作來大大降低系統(tǒng)消耗。
手機界面設計的第二部分:手機和藍牙芯片建立連接后顯示信號強度值，連接狀態(tài)等信息:在上面的可連接設備目錄中選擇一個設備后，就進入正式的監(jiān)測。該界面中主要顯示的是一些監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)信息。該部分主要由一個可以滾動的ScrollView組成。在這個ScrollView中滾動顯示一些實時檢測到的數(shù)據(jù)。
3.2 Android手機中的Service和Activity
Activity包括用戶正在訪問的GUI和創(chuàng)建GUI時需要運行的程序，而GUI和這些程序是相互阻塞的。當一個Activity中運行的代碼時間復雜度太大時，這段代碼就會因為長期阻塞GUI而使界面崩潰。所以需要長時間運行的程序必須放入每個Activity所對應的Service當中。Service是獨立于Activity運行的，兩者可以相互通信。而藍牙建立連接后不斷傳輸數(shù)據(jù)的過程是一個長時間的過程。所以必須建立一個為藍牙傳輸數(shù)據(jù)服務的Service。
3.3手機端和設備藍牙連接的建立
BLE藍牙通過GATT建立連接。建立連接后便開始數(shù)據(jù)的傳輸，藍牙在后臺傳輸?shù)玫降臄?shù)據(jù)，通過傳遞消息控制Activity的實時更新。軟件流程設計如下:(1)初始化藍牙適配器;(2)打開藍牙:在BlueToothClass類中，定義了一些回調函數(shù)，這些回調函數(shù)返回了手機和藍牙設備之間的通信結果;(3)連接狀態(tài)改變的回調，通過此回調可以得知設備是否連接:(4)發(fā)現(xiàn)服務的回調;(5)讀操作的回調;(6)數(shù)據(jù)返回的回調:在BlueToothCalss類中連接狀態(tài)回調函數(shù)onConnectionStateChange中打開TimerTask線程，周期性地讀取Rssi信號強度值。藍牙防丟器的從機會不斷向主機發(fā)送Rssi的值，作為主機的手機通過Android的readRemoteRssi方法來實現(xiàn)對Rssi值的讀取:(7)通過回調函數(shù)onReadRemoteRssi決定當收到Rssi值的時候該做什么工作;(8)在安卓中Intent對象負責完成在Activity和Service之間以及Activity之間的消息傳遞，該函數(shù)通過Intent將藍牙進程得到的Rssi信息傳給主進程Activity進行處理。
3.4手機端報警的實現(xiàn)
接受藍牙線程傳輸過來的Rssi值，當Rssi值大于允許范圍時，手機便將此狀態(tài)視作危險狀態(tài)，開始報警。但這種方法存在很大的誤差:第一，從機對Rssi值的估計存在一定的誤差，很可能由于天氣，溫度等因素而發(fā)生較大的差異。第二，如果物品攜帶者正在移動，那么在手機和防丟物品之間就很有可能出現(xiàn)障礙物。障礙物將干擾設備報送的信號強度值，從而對判斷產生影響。為了減少由上述原因造成的誤差，當收到設備傳送過來的Rssi值時我們并不立即對其做出判斷。而是將每次收到的Rssi值存到一個緩存數(shù)組里面。當緩存數(shù)組存滿十個值后。對這十個值取一個平均數(shù)，把這個平均值作為判斷的主要依據(jù)。經過測試這樣將極大地減少誤差，使判斷更加準確。當平均值超過指定的值時，打開音樂報警線程，當平均值在允許的范圍內時，關閉報警線程。
四、防丟器的測試
CC2540芯片的程序編寫在IAR Embedded Workbench中進行。這是一款由IAR公司提供的一款C語言編譯器，支持眾多的微處理器同時也支持CC2540低功耗藍牙芯片，而手機端程序的編寫與調試則是在eclipse平臺上進行。eclipse是一款基于java的開源開發(fā)環(huán)境，通過安裝Android系統(tǒng)的支持插件，結合Android SDK就可以開發(fā)安卓程序。
測試過程以及結果:將CC2540芯片通過配套仿真器燒錄好程序，通上電以后與細小物件綁定在一起。智能手機用數(shù)據(jù)線與電腦連接，在eclipse上將調試好的程序下載到手機上進行安裝。一切準備就緒后開始測試防丟器。通過手機在打開藍牙的情況下打開軟件，軟件中出現(xiàn)滾動列表，顯示搜索到的正在廣播的藍牙設備。
選擇我們的CC2540藍牙芯片建立連接。幾秒后，連接建立成功，手機進入監(jiān)測報警模式。進入報警模式后，CC2540不斷發(fā)送Rssi值到手機上。同時，手機屏幕上也滾動顯示每一次收到的Rssi值以及根據(jù)Rssi值計算出來的距離值。移動手機，當手機在安全范圍內時，不報警。將手機移動至遠處，發(fā)現(xiàn)當手機與物件之間的距離過遠時，手機開始報警。
結語
隨著藍牙4.2的發(fā)布，低功耗藍牙便成為短距離無線通信的首要之選。低功耗藍牙可以提高續(xù)航時間，而隨身物品恰好也需要長時間和主人在一起，選用藍牙技術提供的支持極大地方便了防丟器的設計。防丟器設計的關鍵問題是如何防丟，怎么判斷物件是否處于遺失狀態(tài)。我們選用手機與設備之間的信號強度值來判斷，因為信號強度值隨距離的增大而減弱，當物主與其物件之間的距離較遠時，可以看作物主已經遺失了該物件，實驗證明，通過這樣一種信號弱則報警的簡單判斷是可以應對大多數(shù)的情況的，設計具有良好的實用性。
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