基于蓝牙的传感网络上位机设计(毕业设计53页、19658字)

摘要：随着无线通信技术的发展，蓝牙以其成本低廉、组网灵活等优点而成为新的研究点，基于蓝牙的传感网络研究正是众多研究热点之一。本文采用蓝牙技术，设计了上位机与蓝牙传感结点的通信电路模块并编写出应用程序，以实现蓝牙传感网络的短距离无线通信。
本文采用网络性能相对较好的散射网拓扑结构，使得一个蓝牙结点可以自动进行主从切换，从而扩展了网络的容量，降低了功耗，加强了传感结点的安全管理。PC机系统软件设计包括系统初始化、查询远端设备、屏蔽远端设备、建立连接、连接维护、数据接收及分类等功能子程序；硬件部分的设计主要是对蓝牙模块应用电路的电源模块、RS232电平转换模块、蓝牙模块分别进行分析设计。
通过进行联机调试，能够顺利查询到远端设备，并与网内远端蓝牙设备进行通信。基本达到设计任务的要求。
关键字：蓝牙模块；传感网络；上位机；结点

 
 The Design of Sensor Network PC Based on Bluetooth

Abstract: With the development of the wireless communications technology, the advantages of Bluetooth, for its low cost and flexibility, are becoming a new study point. And the advantages of Bluetooth are what the wireless sensor network needs.  Therefore, this paper, using Bluetooth technology, designs communication circuit module both of PC and Bluetooth sensor nodes, and writes applied programs. It has achieved short distance wireless.
In this paper, it, a network of relatively good performance of the network topology scattering, makes a Bluetooth node automatically switch from the main, thereby expanding the network capacity, lowering power consumption, strengthening the sensor nodes safety management. To design about PC system software, the paper includes software system initialization, inquiries remote equipment, shielding remote equipment, establish a link, data reception and so on. Hardware design of the main parts of the Bluetooth module is divided the application circuit power module, RS232 level translation module, Bluetooth module.
Finally, Through on-line debugging，it will be a smooth inquiry to a remote equipment, and communicate with other remote Bluetooth equipment in same network. The results agree with the design task.
Keywords : Bluetooth， Sensor networks， PC， Node

 
目  录
第1章  绪  论 1
1.1 引言 1
1.2  蓝牙的介绍 1
1.2.1  蓝牙技术的发展 1
1.2.2  蓝牙技术与其他几种无线通信技术的比较 2
1.3  无线传感网络的介绍 4
1.3.1  无线传感器网络结构 4
1.3.2  无线传感网络的特点 5
1.3.3  蓝牙技术在无线传感网络中的优势 6
1.4  论文的主要内容 7
第2章  方案选择 8
2.1  概述 8
2.2  方案选择 8
2.2.1  方案一 8
2.2.2  方案二 10
2.2.3  方案确定 11
2.3  本章小结 11
第3章  硬件设计 12
3.1  硬件整体设计 12
3.2  电源模块 13
3.3  RS232转换电路设计 14
3.4  蓝牙模块的设计 15
3.5  本章小结 16
第4章  软件设计 17
4.1  操作界面的设计 17
4.2  系统软件总体设计 18
4.3  系统的初始化 19
4.4  查询远端设备 22
4.5  屏蔽网外设备 23
4.6  建立连接 24
4.6.1  主动建立连接 24
4.6.2  被动建立连接 26
4.7  连接维护 26
4.8  数据接收及分类 27

4.9  数据处理 30
4.10  信息回放 31
第五章 联机调试 32
5.1  相关调试 32
5.1.1  蓝牙连接 32
5.1.2  蓝牙模块主从切换 32
5.1.3  串口编程 33
5.1.4  画图编程 33
5.2  联机调试结果 34
5.3 本章小结 37
结  论 38
致  谢 39
参考文献 40
附  录 41
附录1  硬件PCB图及实物图 41
附录2  蓝牙模块的蓝牙多点内嵌模块接口 43
 
 
第1章  绪  论
1.1 引言
随着计算机网络和移动电话技术的迅猛发展，人们越来越迫切需要发展一定范围内的无线数据与语音通信。手机、掌上电脑、手提电脑、数码相机、打印机、调制解调器、键盘……在现代人的生活中，越来越多的电子设备已经进入了人们生活的每个角落。但是，在现代化电子设备无与伦比的效率与方便的背后，是一大堆各种各样的接口和交织如网的线缆。需要一种可以代替线缆的技术已成为通信行业的一种发展趋势。蓝牙技术的产生正是顺应了这一趋势。
蓝牙是一种短距离无线通信技术标准。通过蓝牙技术，可以实现便携式设备之间的无线连接，允许用户在无电缆连接的情况下，方便快捷的与自身周边的电子设备进行通讯，使设备网络的移动与通讯变得十分简单,它还能使任何电子设备之间实现自动通信。
无线传感网络是一种自组织网络。自组织网络是一种没有预定基础设施支持的自组织可重构的多跳网络，在该网络中，网络的拓扑、信道的环境、业务的模式遂结点的移动而动态改变。
随着蓝牙设备的微型化和成本的降低加上传感网络分布空间大、结点多、密度高，协作性高等特点，基于蓝牙的无线传感网络将具有更为广阔的应用前景。
1.2  蓝牙的介绍
1.2.1  蓝牙技术的发展
蓝牙技术的实质内容是要建立通用的无线空中接口及其控制软件的公开标准，使通信和计算机进一步结合，使不同厂家生产的便携式设备在没有电缆或电线连接的情况下，能在近距离范围内具有互用、互操作的性能。蓝牙技术的目标是要在全世界范围内运用和建立通用的无线接口标准。无线技术能实现远距离的通信，可以实现卫星通信以至宇宙太空的通信。在同一间屋内或在相距咫尺的地方，无线通信依然能够发挥很大的作用。蓝牙技术的目的就是使移动设备及其终端在近距离内实现无缝的资源共享。同时对于掌上电脑、移动电话和其他便携设备渐渐低成本短距离连接所需规范的采用，使蓝牙技术解决了小型移动设备间的无线互连问题。
蓝牙技术力图取代电缆，并拥有成本、安全和承载能力等方面的种种优势。具有蓝牙功能的设备能够用无线连接取代传统的电缆，非常方便的实现快速灵活、安全、低成本、低功耗的数据和话音传输。蓝牙就像数字化的神经末梢一样，将在现代通信网络的最后十米内，随时随地实现方便快捷的无线接入与互联。目前，Bluetooth已成为通信领域的一个热点。蓝牙芯片的微型化和低成本将为它在家庭和办公室自动化、家庭娱乐、电子商务、工业控制、智能化建筑等场合开辟广阔的应用前景。
1.2.2  蓝牙技术与其他几种无线通信技术的比较
1．蓝牙与IEEE802.11、HomeRF技术的比较[1]
（1）IEEE802.11
IEEE802.11只规定了开放式系统互联参考模型（OSI/RM）的物理层和MAC层，其MAC曾利用载波监听多重访问/冲突避免协议，而在物理层，802.11定义了三种不同的物理介质：红外线、调频扩谱方式以及直扩方式。802.11支持1~11Mb/s较高的数据速率，但是他只支持数据通信，为进行无线数据通信，数据设备先要安装有无线网卡。
IEEE802.11B无线以太网协议最初是以支持在大工作区内实现无线漫游为目的开发的。她支持10个到100个接入点。最主要的应用是实现高质量的数据网络，例如文件或Internet共享。也因为其提供了很好的可靠性，高速数据传输，所以它的成本也不比其他技术成本高。另外，802.11B对于语音支持十分有限。尽管它可以支持数字的VoIP，但目前质量很差。因此，很难满足那些只想要单一无线网络来满足他们所网络需求的用户。
（2）HomeRF
HomeRF是专门为家庭用户设计的。HomeRF利用调频扩谱方式，通过家庭中的一台主机在移动数据和语音设备之间实现通信，既可以通过时分复用支持御用通信，又能通过载波监听多重访问/冲突避免协议提供数据通信服务。同时，HomeRF提供了与TCP/IP良好的集成，支持广播、多播和48位IP地址。同IEEE802.11相比，HomeRF从一开始设计上就是为了满足消费者在家庭网络上的需求。除了提供良好的服务质量外，简单、保密、易用是很显著的特点。在家庭网络上，HomeRF产品是消费者适合的选择。
（3）蓝牙技术
蓝牙技术与上面两种技术不同，它有一整套全新的协议，可以应用到任何用无线方式代替线缆的场合。蓝牙技术中的跳频更快，而且更加稳定，同时它还具有低功耗、低代价和比较灵活等特点
总之，目前这些技术还处于并存状态，但从长远来看，随着产品与市场的不断发展，它们必将走向融合，而其中最有竞争力的就是蓝牙技术。
2．蓝牙技术与红外技术的比较
考虑到蓝牙的发展，不得不考虑到红外。与上面几种无线技术相比，红外技术的工作原理简单得多，它的特点是结构简单、成本低、方向性好，但距离有限、方向性限制等。
红外技术和蓝牙系统的比较可分为以下几个方面：
（1）应用程度
Bluetooth最终的技术规范针对所有移动计算和通讯产品做了优化。这项技术要求每台设备都要内置一块低成本收发器芯片。
而红外步入大量应用已有很长一段历史，他被装备在大量的PDA中，几乎每台笔记本电脑业都少不了它。此技术也要求设备包括一块红外的收发器芯片，通信的设备中至少有一台要配置同步软件。红外的技术非常成熟，可以在手机以及办公室的许多地方找到。
（2）数据交换
小范围、窄角度的红外是以对准—发射的方式与接收方建立连接。有限的范围和角度使另外的人做同样的动作不致于引起干扰；同时,红外也提供了简单的安全措施和自然的使用方法。
而在这方面，蓝牙技术的表现较差。他的全方位特性使得他在查询接收方式有点麻烦，他要花时间找出众多设备中哪台是要求接收的，采用靠近或是瞄准的方法是徒劳。Bluetooth的优势包括能穿透实体，这对红外技术来说是不可能做到的。
（3）速度
蓝牙的全方位特性使之非常灵活，而且多点通信能力允许设备被共享。但就目前而言，蓝牙的通信速度为750kb/s。宽带仅每秒1兆字节。而现在带4Mb/s红外端口的产品比比皆是。
蓝牙和红外都提供了让设备可以无线连接到有限的局域网里的能力。而红外中专门规划了IrLAN协议，但仍然要求设备对准，且最大距离仅为1m,连接到局域网后，设备还必须保持在原地。而由于蓝牙是无线技术，故体现了灵活的全方位特性。
（4）语音应用
蓝牙的规格中定义了语音信道，为语音数据预留了宽带，同时支持三路全双工语音交谈。红外的组成部分IrMC规范也包括了RTCON，它描述了全双工语音数据连接，它会用掉这种连接形式115.2kb/s的宽带，但不支持多路技术。
（5）安全问题
IrDA设备在视距以内，但如果通过检测光线并滤除噪声，进行窃听也并非不可能。红外没有提供连接级别的安全措施，它依靠上层协议提供的授权和安全功能。
由于蓝牙的全方位特性，它能被任意方向的设备窃听，所以，蓝牙在其基带协议中就提供了授权和安全特性。授权利用了密钥（口令或PIN），每台设备都可以授权给其他设备，之后将内容加密传送。
通过以上比较，蓝牙技术更适合于设计任务要求。
1.3  无线传感网络的介绍
无线通信技术是无线传感网络系统研究的关键内容之一。在上一节中通过对几种典型的无线通信技术做了综述介绍和比较分析，阐述了蓝牙技术的特点。本节将这种介绍无线传感网系统，以及蓝牙技术在该系统中所具有的其他技术所不可匹敌的优势，为本文后续的系统设计研究奠定基础。
无线传感网络（Wireless Sensor Network ,WSN）就是由部署在检测区域内大量的连接微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区中感知对象的信息，并发送给观察者。感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。
1.3.1  无线传感器网络结构[7]
无线传感网络结构如图1—1所示，无线传感器系统通常包括传感器节点（Sensor node）、Sink网关节点（Sink node）和管理节点。大量传感器节点随即部署在监测区域（Sensor field）内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳路由到Sink网关节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。
  传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较弱，通过携带能量有限的电池供电。从网络功能上看，每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和路由器双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要完成对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理，同时与其它节点协作完成一些特定任务。目前传感器节点的软硬件技术是无线传感器网络研究的重点。
Sink网关节点的处理能力、存储能力和通信能力相对较强，它连接传感器网络与Internet等外部网络，实现两种协议之间的通信协议转换时发布管理节点的监测任务，并把收集的数据转发到外部网络上。Sink网点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量供给和更多的内存与计算资源，也可以是没有监测功能仅带有无线通信接口的特殊网关设备。
 
                                
图1-1无线传感网络结构
1.3.2  无线传感网络的特点[8]
无线传感器网络是大量散布于待测地域的传感器节点通过自组织方式形成的一种自组织网络。自组织网络是一种没有预定基础设施制成的自组织可重构的多跳网络。在该网络中，网络的拓扑、信道环境、业务的模式随节点的移动而动态改变。
其特点包括：
1．分布空间大、节点多、密度高；
2．节点的电池能量有限又无法更换电池；
3．网络自动配置，自动识别结点；
4．网络的自动管理和高度协作性；
5．节点计算能力、存储量等有限，且有一定的故障率。
1.3.3  蓝牙技术在无线传感网络中的优势
相较于其他几种无线通信技术，在无线传感网络系统中蓝牙具有以下优势：
1．中短通信距离性：蓝牙的通信距离为10m，属于是中短距离无线通信，这个范围的距离要比IEEE802.11b标准的短，但又比红外线的通信距离长，比较适合于无线传感器网络系统；
2．便携型：为了适合于便携设备的集成，蓝牙模块的设计尺寸要比一般的装置小，这样集成有蓝牙模块的Sink网关在大小上没有很大的变化，适合于对设备体积有严格要求的无线传感器网络系统中使用；
3．节能性：蓝牙模块的功耗非常小，一般只有10mw ,当集成在Sink网关上时，可以使用微型电池进行长时间的供电，非常适合传感器网络系统低功耗的特点；
4．安全性：蓝牙标准在基带上提供了对传输数据的加密机制以及在链路管理器上提供的健全机制，保证了Sink网关与管理终端通信的安全性，非法设备和用户是无法获得蓝牙底层传输数据和高层服务的访问；
5．抗干扰性：蓝牙射频信号工作在ISM免费频段，其基带规定了1600/秒的调频频率，保证了和其他无线空中接口信号产生碰撞的可能性很小，其他无线信号对他的干扰很小，即使产生了干扰，蓝牙也提供了重传的机制可以保证信息的完整性，同时因为蓝牙射频信号的发射功率很小，所以也不会对无线传感器网络系统中其他无线信号产生大的干扰；
除此之外，蓝牙还具有以下优势：
1．如果大规模使用的话，蓝牙模块将会很便宜；
2．蓝牙使用无需申请的2.4GHZ ISM微波工作频段，且在全球范围适用；
3．蓝牙支持用自动配置的方法建立临时性的对等连接；
4．蓝牙设备在通信连接状态下，有四种工作模式：激活、呼吸、保持和休眠，其
中后三种为不同程度的低功耗模式，因此蓝牙设备可以非常节能
5．蓝牙模块中有CPU—core以及蓝牙发射器；
6．蓝牙采取调频和扩频的方式，从而具有很多的抗干扰能力。
1.4  论文的主要内容
本论文主要是基于蓝牙在传感网络中优于其它无线通信技术的一些特点，将蓝牙技术应用到传感网络中，从而实现传感网络的短距离无线通信。第1章简单介绍了蓝牙技术、无线传感网络，并将蓝牙技术与其他无线技术进行比较，指出蓝牙技术在无线传感网络中的优势。第2章通过对蓝牙几种连接方式的比较，最终将网络性能较优越的散射网作为系统设计的总方案。在第3章硬件部分，主要是对蓝牙模块的应用电路设计，根据模块实现功能的要求，将其分成三个部分来分别进行设计，实现蓝牙通信功能。第4章软件部分是本论文的一个设计重心，根据设计要求，它需要实现：
1．编写上位机软件实现数据的接收，显示和分析功能；
2．以图形方式显示传感信息与时间的关系；
3．实现传感信息的回放；
4．提高程序的健壮性。
故本文将系统软件分为10个功能子程序来分别进行了设计。最后一章将硬件部分与软件部分结合进行仿真调试。