隨著藍牙技術的迅速發展，目前藍牙芯片市場涌現出了許多優秀產品。CSR公司的BlueCore系列產品、Bmadcom的BCM系列產品和TI公司的CC2540系列產品都有廣泛的應用。其中TI公司的CC2450和CSR公司的CSR1000芯片都非常適用于藍牙4.0應用解決方案。

本文選用了TI公司的CC2450F128芯片作為藍牙通信芯片，該芯片提供真正的單片低功耗藍牙BLE解決方案，能夠運行應用程序和BLE協議棧。CC2450F128芯片內部集成了高性能低功耗的8051微處理器核，片內提供來了128KB的Flash存儲空間，對外支持UART和USB通信接口，所以非常適用于藍牙4.0的應用解決方案。

1總體方案設計

該設計為基于藍牙4.0的設備提供良好的通用方案，有助于研發特定應用的設備。系統總體架構如圖1所示。在系統總體架構圖中，主要包括兩部分：支持藍牙4.0的手持設備和藍牙設備。其中支持藍牙4.0的手持設備可以是諸如智能手機、平板電腦等；藍牙設備則是本文提供的解決方案。支持藍牙4.0的手持設備和藍牙設備之間通過藍牙4.0協議傳輸數據，可以為藍牙耳機、手機防丟應用和無線拍照應用等提供數據方案。

圖1 系統總體架構框圖

從系統總體架構框圖中不難看出，該設計方案支持一對多的通信連接，即每個支持藍牙4.0的手持設備可以同時與多個藍牙設備建立連接，對應用功能的擴展帶了極大便利。

2詳細設計與實現

該部分將對系統總體架構框圖中的藍牙設備給出解決方案。此處選用了TI公司的CC2450F128芯片作為藍牙通信芯片，該芯片最大的特點是能夠提供真正的單片低功耗藍牙BLE解決方案，能夠運行應用程序和BLE協議棧，使用起來簡單高效。

2.1 CC2450F128外圍電路設計

低功耗藍牙芯片CC2450F128的外圍電路原理圖如圖2所示。從圖2中可以看出CC2450F128芯片一般需要兩個時鐘晶振，其最為核心的部分是天線的電路設計，需要根據實際的需要調整阻抗匹配。由于CC2450F128芯片使用的是8051微處理器核，所以其可以對外提供多個IO引腳以用于其他業務邏輯的實現。

圖2 CC2450F128外圍電路原理圖

2.2通信協議擴展

該解決方案另一個重要的部分就是其通信協議的設計和擴展。通常需要按照藍牙4.0的通信協議來擴展其配置，包括Setvice配置和Characteristic配置。

舉例說明，可以先增加UUID為00001802-0000-1000-8000-00123456789b的Service，然后為該服務增加UUID為00002a06-0000-1000-8000-00123456789b的Characteristic.

通常需要根據應用的業務邏輯劃分出多個功能大類，再對功能大類進行細分。每一個功能大類對應一個Service，每一個功能細分對應一個Characteristic.總體看來，每個應用可以包括多個Service，每個Service可以包括多個Characteristic.

3系統性能分析

本文提供的解決方案是為了解決基于藍牙4.0的設備的通信問題，所以必須關注于影響其通信的幾個關鍵因素：信號強度、設備發現時間、穩定性和誤報率。

3. 1信號強度與距離的關系

信號強度是決定藍牙4.0通信質量的最重要因素之一，為了明確實際的信號強度衰減情況，進行了深入的實際數據測量。信號強度與距離的關系的原始數據圖如圖3所示。在圖3中，藍色交叉點顯示的是492組數據，從圖3中可以看出信號強度總體走勢較為明顯，相同距離下的數據相對集中，部分數據有波動現象。

圖3 信號強度與距離的關系的原始數據圖

為了更好的分析圖3中的數據，需要對數據進行處理。首先以距離為依據，對同一距離下的6項信號強度數據進行均值處理，然后對處理后的數據進行數據擬合，得到信號強度與距離的關系圖。

信號強度與距離的關系圖如圖4所示。在圖4中，紅色交叉點表示對同一距離下的6項信號強度數據進行均值處理后的82組數據，藍色線條表示對該82組數據進行擬合后的曲線。從圖4中可以看出信號強度在1米以內迅速衰減，之后隨著距離的增加逐漸緩慢衰減，并且衰減過程中呈現波動趨勢。

圖4 信號強度與距離的關系圖

根據圖4中信號強度與距離所呈現的規律，可以用于藍牙測距方面的應用，在實現上需要考慮藍牙信號強度本身的波動性因素，采用多次采樣和歷史數據校正等方式來合理處理數據，以獲取可用的有效數據，提升系統本身的穩定性。

3.2設備發現時間與距離的關系

設備發現時間是評價藍牙4.0通信質量的另一個最重要因素。在使用藍牙設備時，通信之前的第一步工作就是掃描藍牙設備，然而掃描過程中設備發現時間與距離存在極大的關聯，為了明確該內在關系，進行了深入的實際數據測量。整理后的設備發現時間與距離的關系的統計數據如表1所示。

表1

從表1中不難看出，總體趨勢是距離越近，設備發現時間越短；距離越遠，設備發現時間越長。當距離超出10 m時，設備發現的時間非常長或者不能發現設備，所以在實際的應用上需要考慮系統的性能參數，選擇合適的通信距離。

3.3穩定性與誤報率

3.3.1設備發現壓力測試

為了驗證該解決方案的穩定性，在10 m內采用100個藍牙設備做設備發現壓力測試。進行了壓力測試之后顯示，使用100個藍牙設備進行掃描發現，距離越近的設備發現的頻率越高，距離越遠的設備發現的頻率越低。設備的整體發現率可達到近90%，10%的設備未被發現主要原因是距離近的設備信號較強，容易被發現，優先占用資源。

3.3.2設備連接測試

設備的連接測試與硬件設備和上層的軟件設計有極大的關系。理論上設備連接數量不受限制，但受到實際的軟硬件資源的約束以及應用場景的不同，設備連接數量也有極大的不同。此處我們的原型設備同時連接3臺藍牙設備時非常穩定，同時連接5臺藍牙設備時較穩定，連接更多藍牙設備時將出現不能連接的狀況。

3.3.3設備誤報率測試

實際的應用中，將考慮藍牙設備當前的連接狀況問題。由于當距離超出10 m時，設備發現的時間非常長或者不能發現設備，此時應用中的邏輯通常認為該藍牙設備已斷開連接，所以進行了10 m誤報率測試。該測試中首先將藍牙設備連接，然后移動到不足距離10 m的位置上檢查其提示連接已斷開的狀況。經過100測試發現其在10 m左右的位置上的誤報率在15%左右，其將受到軟件的邏輯的影響。

4結束語

本文從實際應用的角度出發，設計并實現了基于藍牙4.0的設備通信方案。該方案提供了低功耗的藍牙解決方案，能夠支持多設備的同時通信。實際實驗測試結果表明，通信距離對接受到的藍牙設備的信號強度、設備發現時間和誤報率都有較大影響。本文所提供的設計方案經過大量的數據的驗證，可以較好的完成藍牙4.0通信功能，提供了多設備發現和連接的能力，以及根據信號強度測距的應用方案。