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摘要：

傳感器數據采集是可穿戴終端設計是否實用的關鍵系統。本文選取集成了低功耗藍牙和6種傳感器的SensorTag作為終端，在ios系統的基礎上開發出能實現環境溫濕度、紅外溫度以及方向等參數的采集系統。系統設計過程中，主要使用UIKit、CoreBluetooth等框架，重點給出低功耗藍牙通信和傳感數據計算的設計要點。測試結果表明，所采集的各項數據正確，符合設計要求。

關鍵詞：

數據采集；sensortag；iOS；低功耗藍牙

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[1]。目前，可穿戴終端多以手機輔助設備的形式出現，其中以智能手環最為常見，通常具有健身計步、睡眠監測、心率測量等功能。基于上述情況，可穿戴終端的關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牙開發套件SensorTag，集成6種傳感器，使可穿戴終端的開發變得簡單，同時也讓新型智能手機和平板電腦獲益[2]。文章選取SensorTag作為采集終端，在iOS平臺的基礎上設計和實現數據采集系統。

1數據采集平臺

數據采集平臺主要由iPhone手機和德州儀器公司（TexasInstruments，TI）的SensorTag套件構成，兩者之間通過低功耗藍牙進行通信和數據傳輸。SensorTag套件基于TI的低功耗藍牙芯片CC2541，集成了6個常用傳感器：壓力傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、羅盤、加速計及陀螺儀。所設計的數據采集軟件能實現環境溫度、相對濕度、目標溫度、氣壓等數據的采集，能指示當前方位、重力的變化方向以及設備的運動軌跡。其對硬件的要求為iPhone4S及以上型號手機，對操作系統要求為iOS6以上。

1.1軟件框架數據采集軟件的主要功能為：一、通過低功耗藍牙與SensorTag通信，讀取相關傳感器數據；二、對原始數據進行運算和補償，降低誤差提高測量精度。iOS的系統架構包括4層結構，由下至上分別為：核心操作層（CoreOS）、核心服務層（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標準且支持非iOS設備，繼承于NSObject，為軟件的核心框架[5，6]。CoreBluetooth設計類似于客戶-服務器（Client-Sever）設計，作為服務器端的設備稱為外圍設備（Peripheral），作為客戶端的設備叫做中央設備（Central），CoreBlueTooth整個框架就是基于這兩個概念來設計的，其相關類如圖1所示。CBPeripheralManager：用于外圍設備管理，通常用于并廣播服務，告訴周圍的中央設備其可用服務和特征；CBCentralManager：用于中央設備管理，通常用于掃描外圍設備并試圖建立連接，一旦連接成功即可使用這些服務和特征；外圍設備和中央設備之間交互的橋梁是服務（Service，CBService類型）和特征（Characteristic，CBCharacteristic類型），二者都由一個128位通用唯一識別碼（UUID，CBUUID類型）來確定，每個服務可由多個特征組成。每個特征由屬性（properties，表示特征是否可讀寫）、特征值（value，特征的具體數據）和描述（descriptor，特征的詳細描述）字段組成[7，8]。

1.2傳感器套件SensorTagSensorTag的硬件構架見圖2。圖中核心為TI的低功耗藍牙芯片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；MAG3110為3軸羅盤，T5400為16位氣壓傳感器。主控芯片分時通過I2C總線對各個傳感器進行配置和數據讀取，同時預留調試接口和Ez430電池接口[2]。

2軟件設計及實現

軟件主要功能為藍牙通信和數據采集。藍牙通信主要實現與SensorTag進行數據交互，包括藍牙設備掃描，建立連接，發現服務和屬性，進行數據傳輸等過程。數據采集程序的功能是對SensorTag所獲取的傳感器數據進行計算、誤差校正、單位換算、更新以及顯示。其總體流程見圖3。

2.1藍牙通信的實現iOS手機端作為中央設備與SensorTag建立連接的過程可分為如下幾個步驟：創建中央設備管理對象CBCentralManager并指定；掃描并發現傳感器標簽（SensorTag），根據用戶定義的連接參數建立連接；查找SensorTag所提供的服務和特征，查找到可用特征并讀取特征數據。在讀取數據之前，首先要使能傳感器，可通過對每個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，獲取數據的方式有兩種，分別為：一、訂閱帶有數據的特征，默認數據更新周期為1秒；二、手機啟用定時器，定時讀取帶有測量數據的特征，由于各個傳感器需要一定的時延來完成測量，推薦時延設置為100ms。相對而言方式一更省電，本軟件采用方式一來獲取數據。所有傳感器的服務和特征均使用128位的UUID來區分，TI的UUID基數為F0000000-4000-8000-B000-000000000000。在UUID基數基礎上，傳感器服務和特征的UUID可以縮減為16位，例如非接觸式紅外溫度傳感器測量數據特征UUID為：F000AA01-4000-8000-B000-000000000000，與UUID基數相比，可簡化為16位二進制值即0xAA01。每個傳感器擁有1個服務、1個數據特征（只讀，訂閱）、1個配置特征（可讀，可寫）以及1個讀取周期設置特征（可讀，可寫）。

2.2傳感器數據處理紅外溫度傳感器原始數據為4個字節，分別為環境溫度TDIE的高低位和目標電壓VOBJ的高低位，根據原始數據可計算出目標溫度值。目標電壓值的準確度取決于目標離傳感器正中心的距離d和目標的大小（目標的半徑：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。其數據6個字節，分別為X、Y、Z三個方向的高低位。數據的處理只需進行簡單的單位換算即可。濕度傳感器的原始數據為4個字節，分別為環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，數據6個字節，分別為X、Y、Z三個方向數值的高低位。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。其數據為6個字節，分別為X、Y、Z三個方向軸的高低位值。

3運行結果及分析

實際數據測試時，首先開啟SensorTag電源，打開手機端數據采集軟件搜索藍牙設備，搜索到的藍牙設備的界面見圖4（a），設備名稱為TIBLESensorTag。點擊設備名稱，即可建立藍牙連接，并顯示傳感器采集的測試數據，其運行界面見圖4（b）。表1為不同天氣下的環境溫濕度測量數據，與溫度計讀取的數據相比誤差在小數點范圍之內。環境濕度在下雨天室內和室外的差距較大，且與天氣預報的降雨概率預測對應。表2為人體食指離紅外溫度傳感器不同距離時溫度的測試值，測試當天室溫為26攝氏度。從表中可以看出，距離在0cm～2cm時，溫度變化明顯；當距離超過2cm時，測試溫度與室溫相當。一般人的食指半徑大約在1cm左右，根據之上紅外溫度傳感器的測試計算式可知，測試的最佳距離為測試目標半徑的2倍，大約在2cm左右。測試數據的結果完全符合計算要求。表3為不同方位情況下，SensorTag的電子羅盤XYZ三方向的磁場數據記錄表。有表中可知，當方位變化時，三軸的讀數會發生變化，可以通過坐標關系換算和三角函數關系可以得到具體的方位角度。

4結論

SensorTag涵蓋低功耗藍牙和壓力、濕度、溫度、羅盤、加速計及陀螺儀等共6種傳感器，為傳感器應用提供了1個集成平臺，降低可穿戴終端等智能設備的開發難度。本文基于iOS系統和SensorTag，實現對環境溫度、環境濕度、目標溫度、氣壓、當前方位、目標角度和直線變化等數據的采集和顯示。實驗結果表明，所測試的數據正確，均在誤差范圍內，這為后續可穿戴終端以及相關的應用開發奠定了良好基礎。

參考文獻：

[1]趙靜，王朝輝，陳平輝.智能穿戴終端產業發展分析與展望[J].移動通信，2014（21）：85-89.

[2]《集成電路應用》編輯部.SensorTag套件簡化低功耗藍牙系統應用設計[J].集成電路應用，2013（10）：26-27.

[3]周建亮，朱曉民.基于iOS平臺智能點餐系統的設計與實現[J].軟件，2015，36（1）：131-134.

[4]顧喆，呂衛，褚晶輝.基于iOS終端的監控平臺設計與實現[J].電子測量技術，2013，36（9）：94-98.

[5]JoeConway，AaronHillegass.iOS編程[M].武漢：華中科技大學出版社，2013，3.

[6]張歷，段發階，李超.基于iOS平臺的脈搏血氧儀設計與實現[J].計算機工程與應用，2015，51（8）：53-60.

[7]呂松棟，黎卓芳.藍牙4.0低功耗技術及其認證要求[J].現代電信科技，2011（10）：17-20.

[8]RobinHeydon，陳燦峰，劉嘉.低功耗藍牙開發權威指南[M].北京：機械工業出版社，2014，7.

作者：胡江 王陽 單位：浙江萬里學院寧波市 EDA 重點實驗室