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摘要：
傳感器數(shù)據(jù)采集是可穿戴終端設(shè)計(jì)是否實(shí)用的關(guān)鍵系統(tǒng)。本文選取集成了低功耗藍(lán)牙和6種傳感器的SensorTag作為終端，在ios系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)出能實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度、紅外溫度以及方向等參數(shù)的采集系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，主要使用UIKit、CoreBluetooth等框架，重點(diǎn)給出低功耗藍(lán)牙通信和傳感數(shù)據(jù)計(jì)算的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。測試結(jié)果表明，所采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)正確，符合設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：
數(shù)據(jù)采集；sensortag；iOS；低功耗藍(lán)牙
自2012年谷歌GoogleGlass首次掀起可穿戴終端的熱潮，2015年蘋果推出的AppleWatch更是成為引爆點(diǎn)[1]。目前，可穿戴終端多以手機(jī)輔助設(shè)備的形式出現(xiàn)，其中以智能手環(huán)最為常見，通常具有健身計(jì)步、睡眠監(jiān)測、心率測量等功能。基于上述情況，可穿戴終端的關(guān)鍵器件包括主控芯片、傳感器、通信芯片、屏幕等，且均要求低功耗。德州儀器公司推出低功耗藍(lán)牙開發(fā)套件SensorTag，集成6種傳感器，使可穿戴終端的開發(fā)變得簡單，同時(shí)也讓新型智能手機(jī)和平板電腦獲益[2]。文章選取SensorTag作為采集終端，在iOS平臺(tái)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
1數(shù)據(jù)采集平臺(tái)
數(shù)據(jù)采集平臺(tái)主要由iPhone手機(jī)和德州儀器公司（TexasInstruments，TI）的SensorTag套件構(gòu)成，兩者之間通過低功耗藍(lán)牙進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸。SensorTag套件基于TI的低功耗藍(lán)牙芯片CC2541，集成了6個(gè)常用傳感器：壓力傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、羅盤、加速計(jì)及陀螺儀。所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集軟件能實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度、相對濕度、目標(biāo)溫度、氣壓等數(shù)據(jù)的采集，能指示當(dāng)前方位、重力的變化方向以及設(shè)備的運(yùn)動(dòng)軌跡。其對硬件的要求為iPhone4S及以上型號(hào)手機(jī)，對操作系統(tǒng)要求為iOS6以上。
1.1軟件框架數(shù)據(jù)采集軟件的主要功能為：一、通過低功耗藍(lán)牙與SensorTag通信，讀取相關(guān)傳感器數(shù)據(jù)；二、對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和補(bǔ)償，降低誤差提高測量精度。iOS的系統(tǒng)架構(gòu)包括4層結(jié)構(gòu)，由下至上分別為：核心操作層（CoreOS）、核心服務(wù)層（CoreServices）、媒體層（Media）、可觸摸層（CocoTouch）[3，4]。該軟件涉及CoreOS核心操作層CoreBluetooth框架、CoreServices層的CoreLocation框架以及CocoTouch層的UIKit框架等。其中CoreBluetooth框架完全基于BLE4.0標(biāo)準(zhǔn)且支持非iOS設(shè)備，繼承于NSObject，為軟件的核心框架[5，6]。CoreBluetooth設(shè)計(jì)類似于客戶-服務(wù)器（Client-Sever）設(shè)計(jì)，作為服務(wù)器端的設(shè)備稱為外圍設(shè)備（Peripheral），作為客戶端的設(shè)備叫做中央設(shè)備（Central），CoreBlueTooth整個(gè)框架就是基于這兩個(gè)概念來設(shè)計(jì)的，其相關(guān)類如圖1所示。CBPeripheralManager：用于外圍設(shè)備管理，通常用于并廣播服務(wù)，告訴周圍的中央設(shè)備其可用服務(wù)和特征；CBCentralManager：用于中央設(shè)備管理，通常用于掃描外圍設(shè)備并試圖建立連接，一旦連接成功即可使用這些服務(wù)和特征；外圍設(shè)備和中央設(shè)備之間交互的橋梁是服務(wù)（Service，CBService類型）和特征（Characteristic，CBCharacteristic類型），二者都由一個(gè)128位通用唯一識(shí)別碼（UUID，CBUUID類型）來確定，每個(gè)服務(wù)可由多個(gè)特征組成。每個(gè)特征由屬性（properties，表示特征是否可讀寫）、特征值（value，特征的具體數(shù)據(jù)）和描述（descriptor，特征的詳細(xì)描述）字段組成[7，8]。
1.2傳感器套件SensorTagSensorTag的硬件構(gòu)架見圖2。圖中核心為TI的低功耗藍(lán)牙芯片CC2541，TMP006為TI的非接觸式紅外溫度傳感器；SHT21為濕度傳感器，分辨率為12位相對濕度和14位溫度；IMU-3000為16位3軸陀螺儀；KXTJ9為3軸可編程分辨率14位的加速度計(jì)；MAG3110為3軸羅盤，T5400為16位氣壓傳感器。主控芯片分時(shí)通過I2C總線對各個(gè)傳感器進(jìn)行配置和數(shù)據(jù)讀取，同時(shí)預(yù)留調(diào)試接口和Ez430電池接口[2]。
2軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
軟件主要功能為藍(lán)牙通信和數(shù)據(jù)采集。藍(lán)牙通信主要實(shí)現(xiàn)與SensorTag進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，包括藍(lán)牙設(shè)備掃描，建立連接，發(fā)現(xiàn)服務(wù)和屬性，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)冗^程。數(shù)據(jù)采集程序的功能是對SensorTag所獲取的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、誤差校正、單位換算、更新以及顯示。其總體流程見圖3。
2.1藍(lán)牙通信的實(shí)現(xiàn)iOS手機(jī)端作為中央設(shè)備與SensorTag建立連接的過程可分為如下幾個(gè)步驟：創(chuàng)建中央設(shè)備管理對象CBCentralManager并指定；掃描并發(fā)現(xiàn)傳感器標(biāo)簽（SensorTag），根據(jù)用戶定義的連接參數(shù)建立連接；查找SensorTag所提供的服務(wù)和特征，查找到可用特征并讀取特征數(shù)據(jù)。在讀取數(shù)據(jù)之前，首先要使能傳感器，可通過對每個(gè)傳感器的配置特征寫入值（0x00：禁止，0x01：使能）來激活。使能傳感器后，獲取數(shù)據(jù)的方式有兩種，分別為：一、訂閱帶有數(shù)據(jù)的特征，默認(rèn)數(shù)據(jù)更新周期為1秒；二、手機(jī)啟用定時(shí)器，定時(shí)讀取帶有測量數(shù)據(jù)的特征，由于各個(gè)傳感器需要一定的時(shí)延來完成測量，推薦時(shí)延設(shè)置為100ms。相對而言方式一更省電，本軟件采用方式一來獲取數(shù)據(jù)。所有傳感器的服務(wù)和特征均使用128位的UUID來區(qū)分，TI的UUID基數(shù)為F0000000-4000-8000-B000-000000000000。在UUID基數(shù)基礎(chǔ)上，傳感器服務(wù)和特征的UUID可以縮減為16位，例如非接觸式紅外溫度傳感器測量數(shù)據(jù)特征UUID為：F000AA01-4000-8000-B000-000000000000，與UUID基數(shù)相比，可簡化為16位二進(jìn)制值即0xAA01。每個(gè)傳感器擁有1個(gè)服務(wù)、1個(gè)數(shù)據(jù)特征（只讀，訂閱）、1個(gè)配置特征（可讀，可寫）以及1個(gè)讀取周期設(shè)置特征（可讀，可寫）。
2.2傳感器數(shù)據(jù)處理紅外溫度傳感器原始數(shù)據(jù)為4個(gè)字節(jié)，分別為環(huán)境溫度TDIE的高低位和目標(biāo)電壓VOBJ的高低位，根據(jù)原始數(shù)據(jù)可計(jì)算出目標(biāo)溫度值。目標(biāo)電壓值的準(zhǔn)確度取決于目標(biāo)離傳感器正中心的距離d和目標(biāo)的大小（目標(biāo)的半徑：r），d/r最佳比值為1/2。加速度傳感器的測量范圍為[-2g，2g]，單位為1/64g。其數(shù)據(jù)6個(gè)字節(jié)，分別為X、Y、Z三個(gè)方向的高低位。數(shù)據(jù)的處理只需進(jìn)行簡單的單位換算即可。濕度傳感器的原始數(shù)據(jù)為4個(gè)字節(jié)，分別為環(huán)境溫度的高低位和相對濕度的高低位。電子羅盤的測量范圍為[-1000，+1000]，單位μT，數(shù)據(jù)6個(gè)字節(jié)，分別為X、Y、Z三個(gè)方向數(shù)值的高低位。陀螺儀可通配置特征選擇其3軸中的任意組合，具體組合詳情為：0x00：關(guān)閉陀螺儀；0x01：X軸有效；0x02：Y軸有效；0x03：X軸和Y軸組合；0x04：Z軸有效；0x05：X軸和Z軸組合；0x06：Y軸和Z軸組合；0x07：X軸、Y軸和Z軸組合。其數(shù)據(jù)為6個(gè)字節(jié)，分別為X、Y、Z三個(gè)方向軸的高低位值。
3運(yùn)行結(jié)果及分析
實(shí)際數(shù)據(jù)測試時(shí)，首先開啟SensorTag電源，打開手機(jī)端數(shù)據(jù)采集軟件搜索藍(lán)牙設(shè)備，搜索到的藍(lán)牙設(shè)備的界面見圖4（a），設(shè)備名稱為TIBLESensorTag。點(diǎn)擊設(shè)備名稱，即可建立藍(lán)牙連接，并顯示傳感器采集的測試數(shù)據(jù)，其運(yùn)行界面見圖4（b）。表1為不同天氣下的環(huán)境溫濕度測量數(shù)據(jù)，與溫度計(jì)讀取的數(shù)據(jù)相比誤差在小數(shù)點(diǎn)范圍之內(nèi)。環(huán)境濕度在下雨天室內(nèi)和室外的差距較大，且與天氣預(yù)報(bào)的降雨概率預(yù)測對應(yīng)。表2為人體食指離紅外溫度傳感器不同距離時(shí)溫度的測試值，測試當(dāng)天室溫為26攝氏度。從表中可以看出，距離在0cm～2cm時(shí)，溫度變化明顯；當(dāng)距離超過2cm時(shí)，測試溫度與室溫相當(dāng)。一般人的食指半徑大約在1cm左右，根據(jù)之上紅外溫度傳感器的測試計(jì)算式可知，測試的最佳距離為測試目標(biāo)半徑的2倍，大約在2cm左右。測試數(shù)據(jù)的結(jié)果完全符合計(jì)算要求。表3為不同方位情況下，SensorTag的電子羅盤XYZ三方向的磁場數(shù)據(jù)記錄表。有表中可知，當(dāng)方位變化時(shí)，三軸的讀數(shù)會(huì)發(fā)生變化，可以通過坐標(biāo)關(guān)系換算和三角函數(shù)關(guān)系可以得到具體的方位角度。
4結(jié)論
SensorTag涵蓋低功耗藍(lán)牙和壓力、濕度、溫度、羅盤、加速計(jì)及陀螺儀等共6種傳感器，為傳感器應(yīng)用提供了1個(gè)集成平臺(tái)，降低可穿戴終端等智能設(shè)備的開發(fā)難度。本文基于iOS系統(tǒng)和SensorTag，實(shí)現(xiàn)對環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、目標(biāo)溫度、氣壓、當(dāng)前方位、目標(biāo)角度和直線變化等數(shù)據(jù)的采集和顯示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所測試的數(shù)據(jù)正確，均在誤差范圍內(nèi)，這為后續(xù)可穿戴終端以及相關(guān)的應(yīng)用開發(fā)奠定了良好基礎(chǔ)。
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作者：胡江 王陽 單位：浙江萬里學(xué)院寧波市 EDA 重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室