基于iOS及BLE的便携气象监测系统终端设计

摘 要：作为蓝牙4.0技术的核心规范，蓝牙低功耗（BLE）无线技术给移动应用程序开发人员提供了访问外部硬件通道，也使硬件工程师方便可靠地从每一个主流移动操作系统访问BLE（ Bluetooth Low Energy ）设备。研究了蓝牙低功耗技术协议原理及架构，介绍了蓝牙无线通信的几种模式。以iOS为平台提出了一种由BLE气象数据采集模块、iPhone手机以及手机上的专用APP构成的动态气象监测系统方案。

关键词关键词：iOS；iPhone；BLE；气象监测

DOIDOI：10.11907/rjdk.161944

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2016）011010303

0 引言

越来越多的手机及可穿戴设备使用蓝牙4.0技术。该技术优点：①低功耗：在静态状态，一节钮扣电池可支持数年之久；②低成本：蓝牙技术逐步成为智能手机标配；③开放性：以2.4GHz频段全球开放。蓝牙4.0技术使可穿戴设备炙手可热，小米手环、苹果公司的iBeacon等产品受到大众欢迎，加速了物联网革命的发展进程[1]。

1 BLE协议架构

气象数据监测系统采集模块使用Nordic自主研发的nRF51822蓝牙低功耗2.4GHz片上系统。nRF51822采用优化的32位ARM Cortex-M0处理器，使BLE模式达到-92.5dBm 敏感度，最高达+4dBm的输出功率，支持256KB片上闪存和16KB RAM，成为行业领先者。

蓝牙低功耗（BLE）协议栈分为应用程序、主机和控制器3个部分，如图1所示[2]。应用程序负责与实际用例相关的逻辑、用户界面和数据处理，实现产品特定功能；主机包含GAP、GATT、SMP、ATT、L2CAP以及HCI层，可管理两个或多个BLE设备相互间的通信；控制器主要用于收发编码过的无线信号，并通过解码这些信号获取内部信息包[3]。

（1）物理层（PHY）。包含模拟通信电路，负责调制解调，将模拟信号转换成数字信号[4]。

（2）链路层（LL）。负责管理设备协议栈状态，此层定义4个角色：①广告者（Advertiser）：发送广告包的设备；②扫描仪（Scanner）：扫描广告包设备；③主人（Master）：启动连接并对连接进行管理的设备；④奴隶（Slave）：接受连接请求并与控制者时间同步[5]。

（3）主机控制接口（HCI）是一个标准协议。允许主机和控制器在串行接口进行通信[6]。

（4）逻辑链路控制和自适应协议（L2CAP）。是一个协议多路复用器，负责将上层的多个协议封装成标准的BLE数据包格式，它支持分段和重组。

（5）安全管理协议（SMP）。既是一个协议也是一系列安全算法，负责为蓝牙协议栈提供生成和交换安全密钥能力，让各节点通过加密链接安全交流，信任远程设备身份[7]。

（6）属性协议（ATT）。是一个简单的客户端/服务器无状态协议，在BLE中，每个设备是一个客户端或一个服务器，或者两者兼有。

（7）通用访问配置（GAP）。允许BLE设备相互操作。它提供一个框架，任何BLE实现必须允许设备发现彼此、广播数据、建立安全连接以及执行其它基本操作标准。

（8）通用属性协议（GATT）。它是基于属性协议（ATT），添加了一个层结构和数据抽象模型，定义数据如何在应用程序之间组织和交换 [8]。

2 蓝牙无线通信原理

对BLE网络中的角色、蓝牙通信过程中广告包类型及通信模式介绍如下。

2.1 BLE网络中的角色

通用访问配置（GAP）定义了BLE网络中4个角色，每个特定设备可同时扮演一个或多个角色。

（1）广播角色（Broadcaster）：定期发送广告包数据，不建立连接，使用链路层（LL）广告角色。

（2）观察角色（Observer）：优化了广播设备收集数据的应用程序，观察者角色侦听从广播端嵌入在广告包中的数据，使用链路层（LL）扫描仪角色。

（3）中心角色（Central）：相当于链路层（LL）主人角色，能够建立多个连接设备，是连接的发起者。中心角色通常由智能手机或平板电脑扮演。

（4）角色（Peripheral）：相当于链路层（LL）奴隶角色，这个角色通过广告包使中心角色找到它，随后建立连接[9]。

2.2 广告包分类

蓝牙通讯广告包分3种类型：①是否可连接。扫描仪在接收广告包时是否可开启连接，如果不能，则这个包只用来广播；②是否可扫描。在收到广告包时扫描仪是否可发起扫描请求；③是否定向。定向的广告包只包含广告者和目标扫描仪的蓝牙地址，不允许负载用户数据，所有的定向广告包都可连接，不定向广告包不针对任何特定扫描仪，可包含用户数据[10] 。

3 系统搭建

软件整体设计基于MVC（Model-View-Controller），即模型-视图-控制器，简称MVC。模型提供应用程序所需数据资源。视图是用户可以看到并与之交互的界面。控制器响应视图传递的用户事件，调用模型和视图资源满足用户需求。MVC模式分工明确，降低了模块之间的耦合性，是一种非常流行的设计模式[11]。

3.1 系统框架设计

系统通过蓝牙4.0传输协议接收气象数据采集模块发送的数据，在iPhone上进行气象数据处理分析及显示，系统框架如图2所示。

3.2 模型处理

本系统主要对温度、湿度、气压数据进行实时监测，并绘制相应的变化趋势图，提供气象预测功能。通常，气压随时间增加预示晴天，气压不断减小则更接近阴天或下雨，模型如表1所示。采用滑动均值滤波算法，采样间隔为30分钟。

3.3 数据库设计

数据库采用苹果自带的Core Data框架，它提供了对象-关系映射（ORM）功能，能够将OC对象转化成数据，保存在SQLite数据库文件中，也能够将数据还原成OC对象。本方案创建了两个实体对象：WeatherFob（气象设备对象）和WeatherReading（数据对象），是一对多关系，如图3所示。

3.4 蓝牙模块设计

BLE气象设备信号采集与处理采用CoreBluetooth框架，与第三方蓝牙4.0设备交互。为了减少数据传输开销，方案采用不可连接的蓝牙通信模式，将用户数据封装在广告包中进行广播，过程如图4所示。本方案创建了一个ConnectionManager对象，继承自NSObject类，遵守CBCentralManagerDelegate协议，实现协议中两个方法：

4 系统测试

方案将原始广告包打印在Xcode中的控制台，如图5所示，设备名称是WS，其中气象设备发送的数据包含在KCBAdvDataManufactureData对应关键字中，KCBAdvDataIsConnectable = 0代表该气象设备不可连接。系统将原始数据进行拆分解析显示在iPhone手机上，如图6所示。

5 结语

本方案充分利用了iOS设备强大的计算能力、灵活的

可编程性、足够的存储空间、网络连接功能、便携性等特点，使用蓝牙4.0技术很好地解决了设备能耗问题，使本方案成本更低、速度更快、距离更远，在花费较少的情况下，实现了便携气象监测系统功能。

参考文献：

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