摘 要

针对目前无线数据采集系统组网能力差、覆盖区域有限、布局困难且成本较高的问题，本文基于2G网络和蓝牙MESH技术设计了一套低成本数据采集系统，以满足大型数据采集现场对微型化、网络化、高稳定性、组网方便快捷的数据采集系统的需求。

本设计运用蓝牙技术以及GPRS通信两种无线数据通信方式，通过程序对设备进行组网，实现相关协议，完成数据的采集以及上报工作。

在蓝牙方面，以低功耗蓝牙为基础，采用网络泛洪的方式进行组网，实现所有传感器节点组成同一网络，共用一个网关，完成对数据的采集以及上传至服务器，极大地降低成本。在网关方面，采用低成本的GPRS模块，其使用资费低而且传输速率满足此数据采集系统的要求，最大程度地降低成本。整个数据采集系统可以容纳多个网络，每个网络可以设置256个网络节点，节点间直线距离达50米，极大的扩大了数据采集系统的使用范围，可适用于农场、楼宇等大面积的数据采集场景，也可用于家庭小范围温湿度测量等，按照测量要求，接入传感器即可使用，十分快捷方便。

关键词：无线数据采集；蓝牙；传感器；2G；GPRS

Abstract

Aiming at the problem of poor networking capability, limited coverage area, difficult layout and high cost of wireless data acquisition systems, this paper designs a low-cost data acquisition system based on 2G network and Bluetooth MESH technology to meet the needs of large-scale data collection sites. Network, high stability, and convenient and quick data acquisition system requirements.

This design uses two kinds of wireless data communication methods: Bluetooth technology and GPRS communication. Through the program, the equipment is networked, the relevant agreement is realized, and the data collection and reporting are completed.

In terms of Bluetooth, based on low-power Bluetooth, network flooding is used to form a network. All sensor nodes form the same network, share a gateway, complete data collection and upload to servers, and greatly reduce costs. In terms of gateways, the low-cost GPRS module uses a low tariff and the transmission rate meets the requirements of this data acquisition system, minimizing costs. The entire data acquisition system can accommodate multiple networks, each network can be set up 256 network nodes, the straight line distance between the nodes up to 50 meters, greatly expanding the scope of the data acquisition system, can be applied to farms, buildings and other large areas Data collection scenes can also be used for small-scale home temperature and humidity measurements. According to measurement requirements, access sensors can be used, and the layout is convenient.

This article describes the implementation process and specific algorithms of this data acquisition system.

Key Words：Wireless data acquisition；Mesh；Bluetooth；2G；GSM

目录

第1章 绪论 1

1.1 项目开发背景 1

1.2 设计目的与意义 1

第2章 数据采集系统总体设计 3

2.1 数据采集系统方案设计 3

2.1.1 组网方案选择 3

2.1.2 网关选择 4

2.2 系统组成 4

2.2.1 系统硬件平台构建 5

2.2.2 系统软件框架 6

第3章 蓝牙组网核心技术研究 7

3.1 蓝牙简介 7

3.1.1 蓝牙发展历程 7

3.1.2 蓝牙BLE 8

3.2 蓝牙组网核心技术 9

3.2.1 蓝牙组网实现基础 9

3.2.2 蓝牙组网数据格式 9

3.2.3 蓝牙组网具体算法 12

第4章 数据采集系统网关设置 14

4.1 GPRS简介 14

4.2 UART串口通信 14

4.3 TCP/IP协议 15

第5章 物联网平台的构建 16

5.1 OneNET平台介绍 16

5.2 OneNET平台使用流程 17

5.3 平台接入协议 18

5.4 平台应用展示 18

第6章 数据采集系统调试及实验结果 20

第7章 总结 22

参考文献 23

致 谢 24

第1章 绪论

本设计主要完成的是基于2G网络和蓝牙MESH技术设计一款适用于为地面布置的传感器或者动物佩戴的传感器进行数据采集的无线数据采集系统。

1.1 项目开发背景

于20世纪50年代，数据采集系统就已经诞生，该系统当时并没有实现民用，只是在军事上使用，与人工手动采集的方式进行对比，由电子设备控制的数据采集系统的效率、灵活性以及准确性都会更好。此时的设备由于技术限制，并没有办法大批量生产进入市场以及普及民用。到了20世纪70年代，微型机不断地发展进步，数据采集系统的工作性能也得到不断提高，系统依旧采用数据总线的方式。随着80年代计算机的不断普及，各种基于计算机系统的工作开始大量产生，此时的数据采集系统同样也得到很大的发展。单片机和相应的电路匹配，配合系统管理软件，数据采集系统的成本大大降低，数据的处理能力也得到很大提高。

从90年代发展到现在，数据采集系统更是深入到工业、军事、生活等方方面面。

在信息社会的基础之下，随着物联网的发展，我们国家的信息传播也拓展了新的疆界，数据采集成本降低，但是目前物联网的数据采集系统大多是基于类似STM32 等 MCU 模块，同时每个模块实现通信的功能，需要外接其他无线模块，或者采用有线的连接方式，在成本或者距离上都会有一定的限制，且使用起来的便携性比较差，所以在需要大面积进行数据采集的时候，不仅成本会大量提高，整个系统的布置难度也会加大。

本数据采集系统正是通过蓝牙组网的形式，使传感器节点的使用更具通用性，每个节点只用按照需求添加相应的传感器就可以接入无线网络投入使用，不需外接MCU以及设计布线等复杂操作，极大的降低了成本，提高系统的使用性能。

1.2 设计目的与意义

数据采集系统是现代化信息技术不断发展的产物之一，极大地改变、促进了人类的生产生活。数据采集主要是通过某些硬件设备，接入到物理环境中，比如温湿度传感器、光照传感器、气体检测仪等各种装置，通过其各自的采样方式、采样周期，定时将模拟量转换为数字量，然后传送至服务器对数据进行相应的分析处理。

在未来的发展趋势中，国内外的数据采集技术，都将会向着适应性更强、更加微型化、网络化、智能化的方向发展和完善。数据采集系统微型化是指数据采集系统的体积会越来越小，方便其在使用上的体积、能耗、成本以及便携性等相关要求；网络化是指能够形成设备组网，结合数据分析，使数据采集系统的植入性、通用性更强，将数据采集系统的能力进一步提升；智能化则是在数据采集系统的基础上增加更多的功能包括智能控制等，使整个系统变得更加的智能。

而物联网发展迅速，在工业以及生活中带来了极大的改变，完全颠覆了传统的控制以及数据采集的方式。本课题的研究内容则是运用蓝牙技术，通过BLE（低功耗蓝牙）实现蓝牙组网，将传感器节点布置在蓝牙组网内，实现网络状的数据传输通信功能，同时再结合GPRS模组作为整个蓝牙网络的网关，将蓝牙网络通过相应协议接入Internet，实现适用于为地面布置的传感器以及动物佩戴的传感器的低成本无线数据采集系统的物联网设计，整个系统中单个网络将可接入256个节点，每个节点之间的距离达50米，真正实现大范围无线组网进行数据采集，摆脱有线限制，降低成本。

第2章 数据采集系统总体设计

2.1 数据采集系统方案设计

根据设计目标，本次设计的数据采集系统具有低功耗、低成本、通用性强的特点，能够进行无线数据采集、远距离网络传输，可适用于农场大面积的数据采集，也可适用于家庭室内数据采集，布置方便。通过前期调研以及方案的比较，本设计拟采用低功耗蓝牙作为系统内传感器网络的节点，进行蓝牙组网，同时利用网关，将数据通过网络传上服务器端存储^[1]，供用户查看以及做相关的数据处理。但是目前无线的方式多种多样，本节就方案进行比较，选择最合适此系统设计的数据采集方案。

2.1.1 组网方案选择

无线的数据传输方式有很多种，最常使用的包括红外、Wi-Fi、Zigbee、蓝牙，都可以作为数据传输的选择途径，但是每种方式的工作原理、功能、适用的场景都不同，为了选择最适合于本系统设计要求的无线方式，本节对各方式适用能力进行比较与论述。

红外线传播属于光传播，是利用不可见光——红外线来传播数据信号（电信号），成本很低，但是其缺点就是由于是光传播，所以传播途中不能有遮挡物或者障碍物，发射端和接收端必须实现端对端，比较适合用作遥控等控制作用，不适合用于数据的传输，使用范围和环境有限。

Wi-Fi也是目前常用的一种无线技术手段，是一种可以让电子设备连上网的无线技术，工作的射频频段主要在2.4G和5G，其从诞生至今的主要业务就是提供无线上网，传输距离可达100米，传输速度最大可达11Mbps，可进行数据传输和组网，但其在物联网方面主要担任的是网关的角色，且功耗相对来说比较大，不适合用来做组网。

Zigbee也是一种常用的物联网无线通信技术，其主要特点是低功耗、可组网，传输的距离比较短，在目前的物联网领域使用比较广泛，但其组网需要路由，操作比较麻烦，而且网络节点中需要中枢，如果此节点出现故障，将会影响整个网络的数据传输^[2]。

蓝牙通信，工作在2.4G频段，这一点与Wi-Fi相同，但是蓝牙与Wi-Fi不同的地方就是其采用跳频的方式进行工作，而且低功耗蓝牙的能耗仅为Wi-Fi的二十分之一。蓝牙的传输速率也在不断提高，最高可达8Mbps，在物联网领域实现数据传输完全满足要求，加上其低功耗，在物联网领域必将占有一席之地。其组网的方式很简单，不需要路由，网络中采用的是网络泛洪的方式，按照需求，每个网络节点都可以设置为中继点，实现数据的路由，而且一个节点故障后不会影响整个网络，使蓝牙网络的稳定性大大提高^[3]。

综上所述，主要的无线方式对比如表2.1。

表2.1　无线方案对比

2.1.2 网关选择

网关在整个数据采集系统中起到一个接口的作用，主要是让整个传感器网络通过此接口，接入Internet，进行数据传输^[4]。

目前市面上可以用来作为网关的模块主要是Wi-Fi模块、2G、3G、4G模块，表2.2是这四种方式的特点对比。

表2.2　网关特点对比

从表2.2可见，2G模块的功耗和资费都比其他三种方式低，唯一的一点是其数据的传输速率会低一点，但是用于传感器的组网，每次的传输数据也是按字节算，所以2G模块的通信速率完全满足要求^[5]。

综合2.1.1和2.1.2两小节对比分析，最终本设计的无线组网方式采用低功耗蓝牙（BLE），网关则选用成本较低的2G模块，后面章节将对本设计的具体实现步骤和算法进行详细描述。

2.2 系统组成

系统运用的无线方式主要有两种，分别是BLE（低功耗蓝牙技术）和GPRS（2G网络）。低功耗蓝牙技术主要用于传感器之间以及传感器到网关的数据传输，使传感器获取的数据能够顺利到达网关；2G网络的主要工作则是使本地的传感器网络能够通过固定协议接入Internet，保证传感器的数据能够顺利传至服务器^[6]。

系统的整体架构示意图如图2.1所示：

串口

TCP/IP

图2.1　系统整体架构示意图

2.2.1 系统硬件平台构建

在本系统设计中，网络节点的主控芯片选用的是CSR1010。CSR1010是一种蓝牙芯片，属于低功耗型号，可用于进行无线传输，主要具有以下几种特征：

1）128KB的存储空间；

2）支持蓝牙4.1版本；

3）可用32kHz或者16MHz晶振工作；

4）内部有分辨率为10位的ADC；

5）具有12个PIO口；

6）具有3个AIO口；

7）具有I2C和SPI接口，便于添加外设。

网关使用2G模块接入Internet，其中2G模块通过串口接一个蓝牙模块作为本地蓝牙网络的终端获取传感器数据。本设计选用的是Air202 GPRS模块。其上面的配置包括：

1. IPEX天线连接器；
2. 两个通用串口以及一个下载和调试用串口；
3. 串口1可以兼容3.3V和5V电平；
4. 自弹式的MicroSIM卡座一个；
5. 外置看门狗芯片一枚；
6. 一路语音音频输出。

2.2.2 系统软件框架

本数据采集系统的整个过程使用的编程语言均为C语言，其中CSR1010的编程工具使用的是CSR公司官方提供的CSR uEnergy SDK，集成了蓝牙协议栈，提供下载及调试功能。

GPRS模块使用官方提供的C-SDK，其内部提供了相应的API接口供开发人员调用，使用cygwin编译器进行程序的编译，同时官方提供下载调试工具，通过host专用串口，进行程序的下载以及打印调试信息。

数据采集系统的整个工作流程图如图2.2所示。

结束

结束

图2.2　数据采集流程

第3章 蓝牙组网核心技术研究

3.1 蓝牙简介

蓝牙（Bluetooth），是一种工作于2.4G频段上的无线技术标准，可用于相应的固定设备或者移动设备等的短距离数据交换。

3.1.1 蓝牙发展历程

蓝牙目前由蓝牙技术联盟进行其标准的制定、监管等工作，最初是由爱立信公司创制的，主要是为了取代有线的通信方式，让通信更加便携。

以下是蓝牙从诞生到目前的发展历程^[7]：

• 蓝牙1.1的传输速率为748~810kb/s，其在很多设计上都有着不完善的地方是最早期的发布的版本，在与其他同频率设备同时工作的情况下，容易受到干扰。
• 蓝牙1.2在蓝牙1.1的基础上并没有改进很多，唯一突出的一点就是其抗干扰能力得到比较大的提高。
• 蓝牙2.0作为蓝牙1.2的改良提升版，传输速率为1.8M/s~2.1M/s，在此速率的条件下，蓝牙设备可以进行语音方面的数据传输，比如：耳机、音响等的运用，而且蓝牙2.0支持双工模式，可以进行图片等文件的传输工作。
• 蓝牙2.1，或者叫“蓝牙2.1 EDR”，是和蓝牙2.0同时代的产品，此版本蓝牙技术将蓝牙设备的待机时间大大延长，约为前面版本的2倍，目前仍占蓝牙市场的较大份额。
• 蓝牙3.0是由蓝牙技术联盟（BluetoothSIG）颁布的新的蓝牙协议核心规范，其最主要的改进在蓝牙射频方面，通过优化，该版本蓝牙设备的传输速率为蓝牙2.0的传输速率的8倍，达到24Mbps。
• 蓝牙4.0，是蓝牙技术联盟（BluetoothSIG）在2010年7月发布的，该版本的蓝牙将设备功耗大大降低，实现了蓝牙设备的低功耗，将蓝牙的性能进一步提高，而且改善了蓝牙的兼容性问题，在解决了这些问题的基础上，使蓝牙的传输速率依旧保持在24Mbps（3M/s）。同时提高了射频的辐射范围，从之前的10米增加到目前的100米，目前多用于手机、平板电脑等。
• 蓝牙4.1，相对于蓝牙4.0主要的优化工作在设备的连接上，将该步骤设计得更加智能化，只有当两个之前连接的设备，在彼此的连接范围外长时间保持断开连接状态的时候，两个设备才会真正的断开连接，如果断开连接的时间不是很长，当两者重新回到彼此的范围内时，会自动连接，与此同时，蓝牙设备的连接速度也得到很大提升。
• 蓝牙4.2相对于蓝牙4.1，将低功耗蓝牙的性能进一步提升，两个蓝牙设备间的数据传输的速度提高为之前版本的2.5倍，而且传输的数据包的容量提升为之前版本的10倍。

3.1.2 蓝牙BLE

蓝牙的分类主要是按照其协议的内容来进行划分的，目前主要分为经典蓝牙（BT）和低功耗蓝牙（BLE）。

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