传感网应用开发(高级)课件第5章.ppt

,“1+X”传感网应用开发 蓝牙技术.模块及BLE协议栈,01,蓝牙技术,02,蓝牙模块,03,BLE协议栈,目录,CONTENTS,1.蓝牙技术简介,历史,蓝牙4.0技术规格,蓝牙4.0规范,高可靠性，低成本，低功耗，高安全性，快速启动，瞬间连接。,其他几种常见的短距离无线通信技术,2.蓝牙模块简介,新大陆NewLab实验箱中蓝牙模块,外设,开发工具,3.BLE协议栈简介,什么是协议栈？,注意：虽然协议是统一的，但是协议的实现是变化的，即不同厂家提供的协议栈是有区别的。,如何使用协议栈？,如何使用协议栈？,如何使用协议栈？,如何使用协议栈？,“1+X”传感网应用开发 基于BLE协议栈的串口通信,01,任务要求,02,知识链接,03,任务实施,目录,CONTENTS,1,任务要求,任务要求,搭建蓝牙通信模块与PC机串口通信系统，要求蓝牙信模块上电时，向串口发送 Hello NEWLab!”,并在PC机的串口调试软件上显示。另外，在串口调试软件上发送信息给蓝模块时，蓝牙通信模块收到信息后，立刻原样返回串口接收到的数据给串口调试软件，并显示出来。,2,知识链接,知识链接,蓝牙4.0BLE协议栈具有很多版本，不同厂家提供的蓝牙4.0BLE协议栈有一些不同，本书选用TI公司推出的BLE-CC254x-.4.1.43908b版本，双击BlE-CC254x-1.4.1.43908BLE-cc254x-1.3.2.exe文件，即可以进行安装，默认安装在C盘。,BLE协议栈,3,任务实施,搭建蓝牙串口通信系统,打开SimpleBLEPeripheral工程,串口初始化,串口发送数据,串口接收数据,串口显示SimpleBLEPeripheral工程初始化信息,搭建蓝牙串口通信系统,01,首先把蓝牙通信模块固定在NEWLab平台上，再通过串口线把平台与PC机连接起来，并将NEWLab平台上的通讯方式旋钮转到“通讯模式”,最后给CC2541上电，将拨码开关JP2拨到J9位置。,打开SimpleBLEPeripheral工程,02,打开“bleSimpleBLEPeripheralCC2541DB 目录下的SimpleBLEPeripheral.ew工程，在 Workspace栏内选择CC2541,串口初始化,03,打开工程中NPI文件夹下的npi.c文件，串口初始化函数void NPI_InitTransport(npiCBack_t npiCBack)串口号、波特率、流控、校验位等进行配置。,串口发送数据,04,打开 simpleBLEPeripheral.c文件中的初始化函SimpleBLEPeripheral_Ini t(uint8 task_id),在此函数中添加NPI_InitTransport(NUll),在后面再加上一条上电提示 Hello NEWLab!的语句，添加头文件语句:#includenpi.h,串口接收数据,05,在simpleBLEPeripheral1.c文件声明串口回调函数NpiSerialCallback，并在 SimpleBLEPeripheral_init函数中传入串口回调函数，将NPI_InitTransport(NULL)修改为:NPI_InitTransport (NpiSerialCallback),串口显示SimpleBLEPeripheral工程初始化信息,06,打开工程目录中HALTargetCC2540EBDrivershal_lcd.c文件，在HalLcdWriteString函数中添加代码,串口显示SimpleBLEPeripheral工程初始化信息,06,在预编译中添加LCD_TO_UART, HAL_LCD=TRUE并且在hal_lcd.c文件中添加#include“npi.h”,编译无误后，下载程序，模块上电后，打开串口调试助手，可以看到图中所示结果，这样就可以把LCD上显示的内容传送到PC机端显示，极大地方便调试。,主从机建立连接与数据传输,主从机建立连接与数据传输,提纲, 原理及流程图 从机连接过程 主机连接过程 任务实施 总结,提纲, 原理及流程图 从机连接过程 主机连接过程 任务实施 总结,结合蓝牙 4.0 BLE协议，采用两块蓝牙模块，一个模块作为从机，另一个模块作为主机，使主从机建立连接，并能进行简单的无线数据传输。,原理及流程图,原理及流程图,开始,初始化,发送广播,发送广播,建立连接并作为从机,开始,初始化,按键搜索,发现设备,建立连接并作为主机,SimpleBLEPeripheral工程（节点设备）,SimpleBLECentral工程（集中器设备）,搜索回应,搜索请求,发起连接请求,响应连接请求,提纲, 原理及流程图 从机连接过程 主机连接过程 任务实施 总结,以 SimpleBLEPeripheral 工程作为节点设备的程序，初始化完成后，节点设备处于可发现状态，以广播的形式向外界发送数据。,从机连接过程,只有GAP服务的UUID相匹配，设备才能建立连接。,从机连接过程,集中器设备可以通过搜索来发现正在发送广播数据的节点设备。当节点设备接收到集中器设备的搜索请求时，定义了回应数据。static uint8 scanRspData 当集中器设备接收到节点设备搜索回应的数据后，向节点设备发送连接请求，节点设备接受请求并作为从机进入连接状态。,从机连接过程,提纲, 原理及流程图 从机连接过程 主机连接过程 任务实施 总结,以 SimpleBLECentral 工程作为集中器设备（主机）的程序，主机的连接过程大致可分为初始化、搜索节点设备、查看及选择从机并连接。,主机连接过程,任务初始化函数 SimpleBLECentral_Init (uint8 task_id)主要功能包括：设置最大扫描节点个数，8个 GAP服务设置，绑定管理设置， GATT初始化，注册按键服务。,主机连接过程,集中器发起搜索请求，调用GAP事件回调函数SimpleBLECentralEventCB( )在设备发现过程中，当一个设备被发现，产生一个GAP_DEVICE_INFO_EVENT 事件，发送一个OSAL消息。设备搜索完成后，集中器显示搜索到的从机，并提示主机连接。,主机连接过程,如果未连接，并且已经扫描到设备，主机向从机发起连接请求。调用GAP状态回调函数simpleBLECentralEventCB( ).回调函数中使用OSAL定时器，定时触发START_DISCOVERY_EVT事件，定时时间到达后调用事件处理函数 SimpleBLECentral_ProcessEvent( )。,主机连接过程,SimpleBLECentral 工程默认采用按键进行搜索、连接，当有按键动作时，会触发KEY_CHANGE事件，进入simpleBLECentral_HandleKeys( )函数。,主机连接过程,提纲, 原理及流程图 从机连接过程 主机连接过程 任务实施 总结,由于蓝牙模块中没有Joystick按键，所以采用串口发指令方式代替按键。串口指令1，2，3，4，5分别对应按键的UP, LEFT, RIGHT, CENTER, DOWN。需要把按键程序simpleBLECentral_HandleKeys( )中的代码移植到串口接收处理函数NpiSerialCallback( )中去。,任务实施,任务实施,任务实施,主机对应的PC机串口发送指令“1”，搜索节点设备。,任务实施,任务实施,主机对应的PC机串口发送指令“2”，查看节点设备，显示编号。发送指令“4”，进行连接，显示连接信息。,任务实施,主机对应的PC机串口发送指令“5”，周期显示RSSI信号值，再发送指令“5”则取消显示。,任务实施,当前状态下，主机对应的PC机串口发送指令“1”，执行读写char。发送指令先write char再次发送是read char每一次循环，char值加1。,任务实施,当前状态下，主机对应的PC机串口发送指令“4”，主从机断开连接，从机再次处于广播状态。,提纲, 原理及流程图 从机连接过程 主机连接过程 任务实施 总结,介绍了基于蓝牙4.0BLE协议的主从机的连接与数据传输。重点掌握 事件处理、回调函数、按键服务等操作的流程，以加深对蓝牙4.0 BLE 协议栈的机制的理解。,总结,“1+X”传感网应用开发 基于BLE协议栈的无线点灯,01,蓝牙技术与BLE协议栈,02,任务及实验准备,03,关键知识点,目录,CONTENTS,04,任务实现,05,运行测试,06,特别关注,一、蓝牙技术与BLE协议栈,蓝牙无线技术是主要应用于短距离无线通信领域，牙无线技术是全球使用范围最广的短距离无线标准之一。其最高数据传输速率1Mbps、最大传输距离为10厘米10米。 BLE（ Bluetooth Low Energy，低功耗蓝牙）是蓝牙 4.0 的核心规范，其凭借超低的运行功耗、待机功耗等技术，使得其在以手机为智能终端的物联网应用中具有强有力的发展前景。,CC2541 是一款针对 低能耗及私有 2.4-GHz 应用的功率优化的片载系统 (SoC) 解决方案，是蓝牙通信模块使用的芯片，芯片内部集成增强型8051内核。 BLE协议栈是在蓝牙 4.0 的基础上推出的低功耗蓝牙通信标准，其包括一个小型操作系统（抽象层OSAL），负责系统的调度，收发双方需要共同按照这一标准进行正常数据的收发，其大部分代码被封装成库，用户通过API调用完成系统开发。,一、蓝牙技术与BLE协议栈,在NewLab实验平台上固定两块蓝牙通信模块、一块继电器模块，安放一个灯泡模块，按图示把模块连起来，在PC机上，通过BTool工具发送命令，使主、从机建立连接，控制灯泡亮和灭。,二、任务及实验准备,1. BLE协议栈的安装，双击工具包中的“BLE-CC254x-1.3.2.exe” 。 2. 开发工具的安装，解压工具包中的“IAR Embedded Workbench.rar”，双击” autorun.exe”双击安装开发工具。 3. 烧写工具的安装，双击” Setup_SmartRFProgr_1.12.7.exe”双击安装烧写工具。,二、任务及实验准备,1.profile规范是一种标准通信协议，定义了设备如何实现一种连接。 2.GATT服务：用于应用程序在两个连接设备之间的数据通信，设备连接后，主机将作为GATT Client,是从GATT服务器读/写数据的设备，从机将作为GATT Server，是包含主机需要读/写的设备。 3.特征值：主从机通信通过特征值来实现，通过特征值可以获取或写入先要的内容。 4. 统一识别码（ UUID）：GATT服务和特征值都有UUID。 5. 句柄（ handle）：GATT服务将整个服务加载到属性表中，并为每个属性分配唯一的句柄。,三、关键知识点,5. 主从机建立连接流程：（1）从机启动发送广播。（2）主机启动搜索广播节点。（3）从机回应搜索请求。（4）主机发现设备，发起连接请求。（5）从机响应连接请求。（6）主从机连接完成。,三、关键知识点,7.数据传输流程:（1）主机发送主服务UUID,从机收到主服务UUID并回应服务信息。（2）主机发送主服务UUID,从机收到特征UUID并回应特征值句柄。（3）主机发送特征句柄，从机查找特征值并回应给主机。（4）主机通过句柄，对特征值进行读/写操作。,三、关键知识点,1.主机代码:（1）打开“HostTestRelease.eww” 工程，workspace选择“CC2541EM”。（2）在 “_hal_uart_dma.c”文件中找到“HalUARTOpenDMA()”函数，新增“config-flowControl=0;”代码，关闭流控。（3）将主机拨码开关JP2拨到J9位置，编译下载程序到蓝牙模块中，按“复位”重新运行。,四、任务实现,1.从机代码（以任务2为基础）：（1）打开“SimpleBLEPeripheral.eww” 工程，workspace选择“CC2541”。（2）在 “hal_board_cfg.h”文件修改LED1的定义，通过从机模块P1.2端口控制继电器的动作。,四、任务实现,（3）在“simpleBLEPeripheral.c”文件的“simpleProfileChangeCB（）”函数中添加红框所示代码控制P1.2端口电平的高低，以此控制灯的亮灭,四、任务实现,（4）在“simpleBLEPeripheral.c”文件的“peripheralStateNotificationCB （）”函数中添加红框所示代码，设置P1.2端口在从机处于广播和已连接状态时为低电平。,四、任务实现,（5）将从机拨码开关JP2拨到J9位置，编译下载程序到蓝牙模块中，下载完毕，将拨码开关JP2拨到J2位置，按“复位”重新运行。,四、任务实现,（1）NewLab平台通过USB转串口线连接PC机，运行“BTool”工具，设置串口参数，通过搜索找到从机，选中从机，建立与从机的连接。,五、运行测试,（1） 利用“BTool”工具对CHAR1特征值写入“1”，点亮灯泡。,五、运行测试,（1） 利用“BTool”工具对CHAR1特征值写入“0”，熄灭灯泡。,五、运行测试,（1） 两根线的串口通信连接务必关闭流控，否则无法收发数据。（2） 修改预编译选项，添加：HAL_UART=TRUE 、LCD_TO_UART、HAL_LCD=TRUE预编译选项，删除或禁用POWER_SAVING预编译选项。（3）从机烧写完毕，拨码开关拨到J2位置，只有主机芯片与NewLab平台串口相连。（4）硬件连接，不能带电操作。,六、特别关注,基于BLE协议栈的串口透传,01,任务引入,02,相关知识点,03,任务实施,目录,CONTENTS,任务引入,同学们，你们有没有过直接用串口线连接两台电脑，然后通过串口调试助手进行聊天的经历？,任务引入,那么如果我们想通过串口调试助手实现两台电脑之间信息的发送，并且希望是通过无线而不是直接用串口线将两台电脑相连的方式，我们可以选择前面所学的蓝牙方式来实现。原理框图如下图所示,任务引入,任务要求：采用两个蓝牙通信模块，分别与PC机串口相连，一个模块作为从机（SimpleBLEPeripheral工程），另一个模块作为主机（SimpleBLECentral工程），是主从机建立连接，并进行无线串口数据透传，同时可以通过串口调试软观察到主机和从机的发送与接收信息,相关知识点,1、在Profiles中添加特征值（P237）,2、特征值的定义（P238-239）注：P239代码纠错,3、特征值的相关函数与初始化（P239-P244）注：P239代码纠错,任务实施,1. 系统构成,本案例要求搭建一个基于BLE协议栈的串口透传系统，所需设备：PC机两台蓝牙模块两个串口线两条NEWLab两台,任务实施,2. 实现主从机上电自动连接,（1）添加扫描节点设备的代码（P245-P246）（2）添加连接设备代码（P246-P247）（3）给主从设备上电，实现自动连接：编辑程序并下载到主机中，在workspace栏内选择“CC2541EM”从机采用任务5.2和任务5.3的SimpleBLEPeripheral.eww，只要在LCD上显示的内容能在串口显示就可以先给从机上电，再给主机上电，主从机串口打印输出信息,任务实施,任务实施,3. 实现主机向从机单方向传输,（1）主机采用UUID方式读取CHAR6句柄（P248-P249）（2）修改主机的串口回调函数代码（P249-P250）（3）修改从机的特征值改变回调函数（P250）（4）编译、下载主从机程序，并依次复位从机、主机（P251）,任务实施,3. 添加从机向主机发送数据代码，实现主从机串口透传,（1）主机打开CHAR7的通知功能（P252-P253）；（2）主机响应CHAR7的通知，并得到从机发送的数据，上传给PC机（P253）；（3）打开SimpleBLEPeripheral工程SimpleBLEPeripheral.c文件，从机接收串口数据，并更新CHAR7特征值数据；（P253-P254）（4）打开SimpleBLEPeripheral工程simpleGATTprofile.c文件,“1+X”传感网应用开发 蓝牙采集心率数据,目录,CONTENTS,1,任务要求,采用Android智能手机作为主机，蓝牙模块作为从机，使主从机建立连接，并能把蓝牙模块上连接的心率传感器的数值发送到手机上显示。,2,知识必备,01,MAX30102芯片,01,MAX30102芯片是一个集成脉搏血氧仪和心率监测仪生物传感器的模块，由发光LED及驱动电路、光感应电路、AD转换电路、环境光干扰消除及数字滤波电路组成。,应用于可穿戴设备进行心率和血氧采集检测。,通信接口：I2C。,02,物理拓扑,串行数据线,串行时钟线,半双工通信,02,物理拓扑,02,02,特 征,02,02,协 议,总线空闲时,总线忙，其他设备不能访问总线,总线空闲时,起始结束条件,02,协 议,数据传输过程,02,协 议,主设备向指定设备发送数据的格式,从设备地址,0：主向从写；1：主向从读。,有效数据,02,02,操 作,主设备往从设备中写,02,操 作,主设备从从设备中读,02,操 作,复合格式,3,任务实施,I2C,主从连接,安装相应显示程序的apk,下载Hex文件,传感器安装,3,任务实施,给蓝牙通信模块上电，此时连接/通讯灯不亮，说明蓝牙通信模块还未广播蓝牙信号。按下功能键持续1.5秒以上，连接/通讯灯快速闪烁，说明蓝牙通信模块正在广播蓝牙信号。,连接/通讯灯,功能键,