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基于无线射频的林火监测数据采集电路设计方案解析
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2017-11-09
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随着蓝牙技术的迅速发展，目前蓝牙芯片市场涌现出了许多优秀产品。CSR公司的BlueCore系列产品、Bmadcom的BCM系列产品和TI公司的CC2540系列产品都有广泛的应用。其中TI公司的CC2450和CSR公司的CSR1000芯片都非常适用于蓝牙4.0应用解决方案。
本文选用了TI公司的CC2450F128芯片作为蓝牙通信芯片，该芯片提供真正的单片低功耗蓝牙BLE解决方案，能够运行应用程序和BLE协议栈。CC2450F128芯片内部集成了高性能低功耗的8051微处理器核，片内提供来了128KB的Flash存储空间，对外支持UART和USB通信接口，所以非常适用于蓝牙4.0的应用解决方案。
1总体方案设计
该设计为基于蓝牙4.0的设备提供良好的通用方案，有助于研发特定应用的设备。系统总体架构如图1所示。在系统总体架构图中，主要包括两部分：支持蓝牙4.0的手持设备和蓝牙设备。其中支持蓝牙4.0的手持设备可以是诸如智能手机、平板电脑等；蓝牙设备则是本文提供的解决方案。支持蓝牙4.0的手持设备和蓝牙设备之间通过蓝牙4.0协议传输数据，可以为蓝牙耳机、手机防丢应用和无线拍照应用等提供数据方案。
图1 系统总体架构框图
从系统总体架构框图中不难看出，该设计方案支持一对多的通信连接，即每个支持蓝牙4.0的手持设备可以同时与多个蓝牙设备建立连接，对应用功能的扩展带了极大便利。
2详细设计与实现
该部分将对系统总体架构框图中的蓝牙设备给出解决方案。此处选用了TI公司的CC2450F128芯片作为蓝牙通信芯片，该芯片最大的特点是能够提供真正的单片低功耗蓝牙BLE解决方案，能够运行应用程序和BLE协议栈，使用起来简单高效。
2.1 CC2450F128外围电路设计
低功耗蓝牙芯片CC2450F128的外围电路原理图如图2所示。从图2中可以看出CC2450F128芯片一般需要两个时钟晶振，其最为核心的部分是天线的电路设计，需要根据实际的需要调整阻抗匹配。由于CC2450F128芯片使用的是8051微处理器核，所以其可以对外提供多个IO引脚以用于其他业务逻辑的实现。
图2 CC2450F128外围电路原理图
2.2通信协议扩展
该解决方案另一个重要的部分就是其通信协议的设计和扩展。通常需要按照蓝牙4.0的通信协议来扩展其配置，包括Setvice配置和Characteristic配置。
举例说明，可以先增加UUID为00001802-0000-1000-8000-00123456789b的Service，然后为该服务增加UUID为00002a06-0000-1000-8000-00123456789b的Characteristic.
通常需要根据应用的业务逻辑划分出多个功能大类，再对功能大类进行细分。每一个功能大类对应一个Service，每一个功能细分对应一个Characteristic.总体看来，每个应用可以包括多个Service，每个Service可以包括多个Characteristic.
3系统性能分析
本文提供的解决方案是为了解决基于蓝牙4.0的设备的通信问题，所以必须关注于影响其通信的几个关键因素：信号强度、设备发现时间、稳定性和误报率。
3. 1信号强度与距离的关系
信号强度是决定蓝牙4.0通信质量的最重要因素之一，为了明确实际的信号强度衰减情况，进行了深入的实际数据测量。信号强度与距离的关系的原始数据图如图3所示。在图3中，蓝色交叉点显示的是492组数据，从图3中可以看出信号强度总体走势较为明显，相同距离下的数据相对集中，部分数据有波动现象。
本文选用了TI公司的CC2450F128芯片作为蓝牙通信芯片，该芯片提供真正的单片低功耗蓝牙BLE解决方案，能够运行应用程序和BLE协议栈。CC2450F128芯片内部集成了高性能低功耗的8051微处理器核，片内提供来了128KB的Flash存储空间，对外支持UART和USB通信接口，所以非常适用于蓝牙4.0的应用解决方案。
1总体方案设计
该设计为基于蓝牙4.0的设备提供良好的通用方案，有助于研发特定应用的设备。系统总体架构如图1所示。在系统总体架构图中，主要包括两部分：支持蓝牙4.0的手持设备和蓝牙设备。其中支持蓝牙4.0的手持设备可以是诸如智能手机、平板电脑等；蓝牙设备则是本文提供的解决方案。支持蓝牙4.0的手持设备和蓝牙设备之间通过蓝牙4.0协议传输数据，可以为蓝牙耳机、手机防丢应用和无线拍照应用等提供数据方案。
图1 系统总体架构框图
从系统总体架构框图中不难看出，该设计方案支持一对多的通信连接，即每个支持蓝牙4.0的手持设备可以同时与多个蓝牙设备建立连接，对应用功能的扩展带了极大便利。
2详细设计与实现
该部分将对系统总体架构框图中的蓝牙设备给出解决方案。此处选用了TI公司的CC2450F128芯片作为蓝牙通信芯片，该芯片最大的特点是能够提供真正的单片低功耗蓝牙BLE解决方案，能够运行应用程序和BLE协议栈，使用起来简单高效。
2.1 CC2450F128外围电路设计
低功耗蓝牙芯片CC2450F128的外围电路原理图如图2所示。从图2中可以看出CC2450F128芯片一般需要两个时钟晶振，其最为核心的部分是天线的电路设计，需要根据实际的需要调整阻抗匹配。由于CC2450F128芯片使用的是8051微处理器核，所以其可以对外提供多个IO引脚以用于其他业务逻辑的实现。
图2 CC2450F128外围电路原理图
2.2通信协议扩展
该解决方案另一个重要的部分就是其通信协议的设计和扩展。通常需要按照蓝牙4.0的通信协议来扩展其配置，包括Setvice配置和Characteristic配置。
举例说明，可以先增加UUID为00001802-0000-1000-8000-00123456789b的Service，然后为该服务增加UUID为00002a06-0000-1000-8000-00123456789b的Characteristic.
通常需要根据应用的业务逻辑划分出多个功能大类，再对功能大类进行细分。每一个功能大类对应一个Service，每一个功能细分对应一个Characteristic.总体看来，每个应用可以包括多个Service，每个Service可以包括多个Characteristic.
3系统性能分析
本文提供的解决方案是为了解决基于蓝牙4.0的设备的通信问题，所以必须关注于影响其通信的几个关键因素：信号强度、设备发现时间、稳定性和误报率。
3. 1信号强度与距离的关系
信号强度是决定蓝牙4.0通信质量的最重要因素之一，为了明确实际的信号强度衰减情况，进行了深入的实际数据测量。信号强度与距离的关系的原始数据图如图3所示。在图3中，蓝色交叉点显示的是492组数据，从图3中可以看出信号强度总体走势较为明显，相同距离下的数据相对集中，部分数据有波动现象。
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