如何解決zigbee&BLE 模塊最大的不足

第九章為BLE&zigbee 無線模塊，本文內(nèi)容為9.1 BLE 核心板。

本章導(dǎo)讀

市面上現(xiàn)有zigbee&BLE 模塊最大的不足就是不能很好地支持用戶進行二次開發(fā)，即便某些模塊能夠?qū)崿F(xiàn)二次開發(fā)，卻因為不具備完整的軟硬件生態(tài)鏈和穩(wěn)定可靠的組網(wǎng)協(xié)議軟件。因此用戶還需要花很多時間學(xué)習(xí)與zigbee&BLE 相關(guān)的知識，非得將自己培養(yǎng)成通曉zigbee&BLE 技術(shù)的專家，才有可能開發(fā)出穩(wěn)定且具有競爭力的產(chǎn)品。

其實，人與人之間的差別不在于知識和經(jīng)驗，而是思維方面的差異決定了每個人的未來。雖然大多數(shù)開發(fā)者都很勤奮，但其奮斗目標不是企業(yè)和個人收益最大化，而是以學(xué)習(xí)與MCU和zigbee&BLE 相關(guān)的非核心域技術(shù)為樂趣。不愿意與市場人員和用戶交流，不注重提升個人挖掘用戶需求的創(chuàng)造力，還為自己的錯誤行為貼上高大上的標簽——一切都在掌握之中。

事實上，每個人不可能做到面面俱全，你只是自己所在領(lǐng)域的專家，所以不要將精力用錯了地方。以至于很多人在辛辛苦苦奮斗十多年之后，還是找不到失敗的原因時，只是表面地嘆息自己懷才不遇，甚至將失敗的責(zé)任推給他人。這種落后的開發(fā)思維，導(dǎo)致很多企業(yè)無法開發(fā)出具有行業(yè)領(lǐng)先地位產(chǎn)品。

基于此，ZLG 推出了各種功能的MCU+zigbee或BLE 模塊，MCU 包括M0+、M4、ARM9、A7 和A8 內(nèi)核，支持AMetal 和AWorks 平臺。

9.1 BLE 核心板

>>> 9.1.1 產(chǎn)品簡介

AW824BPTBLE 核心板是廣州致遠電子有限公司基于NXP 的藍牙4.0 BLE 芯片和MCU芯片LPC824 開發(fā)的，一款低功耗、高性能，支持二次開發(fā)的藍牙4.0 BLE 模塊。其中的LPC824 是基于ARM? Cortex?-M0+內(nèi)核設(shè)計的32 位處理器，30MHz 主頻，32KB 片內(nèi)Flash 和8KB 片內(nèi)SRAM，支持4 種低功耗模式。

如圖9.1 所示的AW824PBT 核心板采用外置天線的封裝、通過半孔工藝將I/O 引出，幫助客戶繞過繁瑣的射頻硬件設(shè)計、開發(fā)與生產(chǎn)，加快產(chǎn)品上市。

圖9.1 AW824BPT 實物圖

完善的軟件開發(fā)平臺可滿足快速開發(fā)需求，減少軟件投入，縮短研發(fā)周期。該模塊方便迅速橋接電子產(chǎn)品和智能移動設(shè)備，可廣泛應(yīng)用于有此需求的各種電子設(shè)備，如儀器儀表、健康醫(yī)療、智能家居、運動計量、汽車電子和休閑玩具等。

1. 產(chǎn)品特征

• 32 位ARM? Cortex?-M0+內(nèi)核處理LPC824，32KB 片內(nèi)Flash，8KB 片內(nèi)SRAM；

• 3 路USART（可分配給任意I/O 管腳），4 路I²C，2 路SPI，12 路ADC，6 路PWM；

• 支持主從模式，主機最多連接8 個從機；

• 高達50kbps 數(shù)據(jù)傳輸速率，支持藍牙4.0；

• 寬工作電壓2.4~3.6V；

• 接收靈敏度：-93dBm；

• 發(fā)射功率：-20dbm~4dbm，通過AT 指令可調(diào)；

• 天線類型：外置天線。

AW824BPT 模塊相關(guān)參數(shù)詳見表9.1。

表9.1 選型表

2. 硬件描述

AW824BPT 無線核心模塊默認運行在橋接模式（透傳模式）下，模塊啟動后會自動進行廣播，已打開特定 APP 的手機會對其進行掃描和對接，連接成功之后就可以通過 BLE 在模塊和手機之間進行數(shù)據(jù)傳輸。

在橋接模式下，用戶MCU 可以通過模塊的通用串口和移動設(shè)備進行雙向通訊；用戶也可以通過特定的串口AT 指令，對某些通訊參數(shù)進行修改，比如，串口波特率、廣播周期等。AW824BPT 的引腳分布詳見圖9.2，引腳說明詳見表9.2。

表9.2 AW824BPT 引腳說明

圖9.2 AW824BPT 引腳分布

為了便于快速開發(fā)，在AW824BPT 內(nèi)部，已經(jīng)固定的將LPC824 的一些引腳（PIO0_16、PIO0_24 ~ PIO0_28）與AW824BPT 中的藍牙模塊相連接，示意圖詳見圖9.3。

圖9.3 LPC824 與藍牙模塊連接示意圖

藍牙模塊相關(guān)的引腳有7 個，但其中5 個引腳已經(jīng)在AW824BPT 內(nèi)部與LPC824 連接，另外兩個引腳BLE_LKSLP 和BLE_LKCON 作為藍牙模塊的輸出信號，直接通過AW824BPT 的1、2 腳引出。藍牙模塊的相關(guān)引腳簡介詳見表9.3。

表9.3 藍牙模塊引腳功能描述

特別注意，LPC824 的PIO0_26 和PIO0_27 與藍牙模塊的串口相連，當使用AW824BPT進行二次開發(fā)時，需要將LPC824 的PIO0_26 配置為串口TX 功能，PIO0_27 配置為串口的RX 功能。

>>> 9.1.2 協(xié)議說明

AW824BPT 中包含藍牙模塊，AW824BPT 可以快捷的與其它BLE 設(shè)備（如手機）之間進行雙向數(shù)據(jù)通訊。在BLE 的連接過程中，AW824BPT 是從機設(shè)備，與之連接的其它BLE設(shè)備（如手機）是主機設(shè)備。

為敘述方便，后文描述時，均假定與AW824BPT 連接的主機設(shè)備為手機端。由于BLE屬于藍牙4.0 的范疇，因此要求手機的藍牙模塊是4.0 以上的版本。iPhone4S 及后續(xù)版本的蘋果手機都支持；Android 手機則需要4.3.1 以上的版本才能夠支持。

AW824BPT 中藍牙模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的速率理論可達5.5K byte/s，速率主要與BLE 的連接間隔相關(guān)，若 BLE 連接間隔較短，則速率較高，平均功耗也較高；反之，若BLE 連接間隔較長，則數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕰档?，但同樣平均功耗也會降低。藍牙模塊的BLE 連接間隔默認值為20ms（最小值），可以使用接口函數(shù)對其進行修改，最大支持2000ms。

每個連接間隔最多傳輸110 個字節(jié)的數(shù)據(jù)，若連接間隔為T（單位:ms），那么每秒最高傳輸速率 V（單位：byte/s）為：V =110*1000 /T (byte s)，式中乘以 1000 是由于 T 的單位為ms。顯然，T 值越小，數(shù)據(jù)傳輸速率越高，當T 為最小值20ms 時，可得到最高傳輸速率為：

當然，這只是理論值，實際測試表明，轉(zhuǎn)發(fā)速率在4K 以下，丟包率很低，高于4K 時，丟包率將有所提高。但是為了安全起見，無論是低速或者高速轉(zhuǎn)發(fā)大數(shù)據(jù)量應(yīng)用時，都建議在上層做校驗重傳處理。

使用藍牙進行數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。對于AW824BPT 發(fā)送數(shù)據(jù)至手機端，其流程是首先通過LPC824 的串口發(fā)送數(shù)據(jù)至藍牙模塊，然后藍牙模塊通過BLE 將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至手機端。這就存在一個速率匹配的問題。若串口傳輸速率高于BLE 傳輸速率。則數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至藍牙模塊的速率高，而通過BLE 轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的速率低，若數(shù)據(jù)不間斷傳輸，則會導(dǎo)致藍牙模塊內(nèi)部200 字節(jié)的緩沖區(qū)很快被填滿，使得后續(xù)數(shù)據(jù)不得不丟棄，這種情況下，LPC824通過串口每發(fā)送200 字節(jié)數(shù)據(jù)至藍牙模塊后，均需要延時一段時間，以確保下次發(fā)送數(shù)據(jù)前，藍牙模塊已經(jīng)通過BLE 完成對數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，內(nèi)部有可用空間用于裝載新的數(shù)據(jù)。

同理，對于手機端發(fā)送數(shù)據(jù)至主控AW824BPT，其流程是首先手機端通過BLE 發(fā)送數(shù)據(jù)至藍牙模塊，然后藍牙模塊通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至LPC824。若串口傳輸速率低于BLE 傳輸速率。則數(shù)據(jù)通過BLE 發(fā)送至ZLG9021 的速率高，而通過串口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的速率低，也將導(dǎo)致傳輸速率的不匹配。

最理想的情況就是，串口波特率與BLE 數(shù)據(jù)傳輸速率剛好匹配，發(fā)送至藍牙模塊一個數(shù)據(jù)的時間與BLE 轉(zhuǎn)發(fā)一個數(shù)據(jù)的時間恰好相等，這樣的話，就不存在速率不匹配的問題了。若BLE 的傳輸速率為5.5K，則平均傳輸一個數(shù)據(jù)的時間為：

若串口波特率為baudrate，由于串口使用格式為1 位起始位、8 位數(shù)據(jù)位、無校驗位、1位停止位。因此發(fā)送一個字節(jié)數(shù)據(jù)大約需要傳輸10 位的時間。即：

若UART 傳輸速率與BLE 傳輸速率恰好相等，可以得出：

由此可見，當BLE 傳輸速率為5.5K 時，串口波特率為55556 時，可以達到速率匹配。若波特率高于此值，則UART 傳輸速率高于BLE 傳輸速率。若波特率低于此值，則UART傳輸速率低于BLE 傳輸速率。

實際上，藍牙模塊的UART 只支持常見的波特率：4800、9600、19200、38400、57600、115200。因此，若使用AW824BPT 主要是用于發(fā)送大數(shù)據(jù)至手機端，則UART 傳輸速率應(yīng)該低于BLE 傳輸速率，此時，波特率設(shè)置為38400 較為合適。若使用AW824BPT 主要用于接收來自手機端的大數(shù)據(jù)，則UART 傳輸速率應(yīng)該高于BLE 傳輸速率，此時，波特率設(shè)置為57600 較為合適。一般地，若雙方都有大數(shù)據(jù)傳輸，則確保每發(fā)送200 字節(jié)數(shù)據(jù)之間存在一定的時間間隔（30 ~ 60ms）即可。

>>> 9.1.3 藍牙模塊初始化

AMetal 已經(jīng)支持AW824BPT 中的藍牙模塊，提供了相應(yīng)的驅(qū)動，可以直接使用相應(yīng)的API 完成藍牙模塊的配置及數(shù)據(jù)的收發(fā)，用戶無需關(guān)心底層的通信協(xié)議，即可快速使用AW824BPT 進行BLE 數(shù)據(jù)通信。使用其它各功能函數(shù)前必須先完成初始化，初始化函數(shù)的原型（am_zlg9021.h）為：

其中，p_dev 為指向am_zlg9021_dev_t 類型實例的指針，p_devinfo 為指向am_zlg9021_devinfo_t 類型實例信息的指針。

注，AW824BPT 中的藍牙模塊為ZLG9021，因此，接口使用zlg9021 作為藍牙模塊驅(qū)動的命名空間。對于用戶來講，只需要使用接口進行藍牙相關(guān)的操作即可，無需關(guān)心具體使用的何種藍牙模塊。

• 實例

定義am_zlg9021_dev_t 類型（am_zlg9021.h）實例如下：

其中，g_zlg9021_dev 為用戶自定義的實例，其地址作為p_dev 的實參傳遞。

• 實例信息

實例信息主要描述了與ZLG9021 通信時，與引腳、UART 波特率、緩沖區(qū)等相關(guān)的信息。其類型am_zlg9021_devinfo_t 的定義（am_zlg9021.h）如下：

其中，pin_en、pin_brts、pin_rst、pin_restore 分別表示LPC824 與藍牙模塊對應(yīng)功能引腳相連接的引腳號，通過圖9.3 可知，pin_en 與PIO0_16 連接，pin_brts 與PIO0_25 連接，pin_rst 與PIO0_28 連接。RESTORE 引腳用于恢復(fù)出廠設(shè)置，AW824BPT 未使用該引腳，pin_restore 的值設(shè)置為-1 即可。

baudrate 表示UART 使用的波特率，ZLG9021 出廠默認波特率為9600，對于出廠設(shè)置的模塊，該值必須設(shè)置為9600。初始化完成后，后續(xù)可以使用ZLG9021 控制函數(shù)修改波特率（支持的波特率有：4800、9600、19200、38400、57600、115200）。若修改了波特率，則必須確保下次調(diào)用初始化函數(shù)時，實例信息中baudrate 的值為修改后的波特率值。

為了提高數(shù)據(jù)處理的效率和確保接收數(shù)據(jù)不會因為正在處理事務(wù)而丟失。UART 發(fā)送和接收都需要一個緩沖區(qū)，用于緩存數(shù)據(jù)，緩沖區(qū)的實際大小由用戶根據(jù)實際情況確定，建議在64 字節(jié)以上，一般設(shè)置為128 字節(jié)。p_uart_rxbuf 和rxbuf_size 描述了接收緩沖區(qū)的首地址和大小，p_uart_txbuf 和txbuf_size 描述了發(fā)送緩沖區(qū)的首地址和大小。如分別定義大小為128 字節(jié)的緩沖區(qū)供發(fā)送和接收使用，定義如下：

其中，g_zlg9021_uart_txbuf[128]為用戶自定義的數(shù)組空間，供發(fā)送使用，充當發(fā)送緩沖區(qū)，其地址（數(shù)組名g_zlg9021_uart_txbuf 或首元素地址&g_zlg9021_uart_txbuf[0]）作為實例信息中p_uart_txbuf 成員的值，數(shù)組大?。ㄟ@里為128）作為實例信息中txbuf_size 成員的值。同理，g_zlg9021_uart_rxbuf[128]充當接收緩沖區(qū)，其地址作為實例信息中p_uart_rxbuf成員的值，數(shù)組大小作為實例信息中rxbuf_size 成員的值。

基于以上信息，實例信息可以定義如下：

其中，g_zlg9021_devinfo 為用戶自定義的實例信息，其地址作為p_devinfo 的實參傳遞。

• UART 句柄uart_handle

若使用LPC824 的USART2 與ZLG9021 通信，則UART 句柄可以通過LPC82x 的USART1 實例初始化函數(shù)am_lpc82x_usart2_inst_init()獲得。即：

獲得的UART 句柄即可直接作為uart_handle 的實參傳遞。

• 實例句柄

ZLG9021 初始化函數(shù)am_zlg9021_init()的返回值即為ZLG9021 實例的句柄。該句柄將作為其它功能接口函數(shù)的handle 參數(shù)的實參。

其類型am_zlg9021_handle_t（am_zlg9021.h）定義如下：

若返回值為NULL，說明初始化失??；若返回值不為NULL，說明返回了一個有效的handle?；谀K化編程思想，將初始化相關(guān)的實例、實例信息等的定義存放到ZLG9021的配置文件(am_hwconf_zlg9021.c)中，通過頭文件（am_hwconf_zlg9021.h）引出實例初始化函數(shù)接口，源文件和頭文件的程序范例分別詳見程序清單9.1 和程序清單9.2。

程序清單9.1 ZLG9021 實例初始化函數(shù)實現(xiàn)（am_hwconf_zlg9021.c）

程序清單9.2 ZLG9021 實例初始化函數(shù)聲明（am_hwconf_zlg9021.h）

后續(xù)只需要使用無參數(shù)的實例初始化函數(shù)即可獲取到ZLG9021 的實例句柄。即：

>>> 9.1.4 藍牙模塊控制接口

ZLG9021 控制接口用于控制ZLG9021，完成所有與ZLG9021 相關(guān)的控制，如參數(shù)設(shè)置、參數(shù)獲取、軟件復(fù)位等。其函數(shù)原型（am_zlg9021.h）為：

其中，cmd 用于指定控制命令，不同的命令對應(yīng)不同的操作。p_arg 為與命令對應(yīng)的參數(shù)。當命令不同時，對應(yīng)p_arg 的類型可能不同，因此，這里p_arg 使用的類型為 void *，其實際類型應(yīng)該與命令指定的類型一致。常見命令（am_zlg9021.h）及命令對應(yīng)的p_arg 類型詳見表9.4。

表9.4 支持的命令及命令對應(yīng)的p_arg 類型

有些命令無需參數(shù)（表中p_arg 類型標識為“—”），如復(fù)位模塊命令。此時，調(diào)用am_zlg9021_ioctl ()函數(shù)時，只需將p_arg 的值設(shè)置為NULL 即可。帶“*”的類型表示指針類型。若函數(shù)返回值為AM_OK，表示操作成功，否則表示操作失敗。

雖然控制命令較多，看似使用起來較為復(fù)雜，但由于在絕大部分應(yīng)用場合下，默認值即可正常工作，因此，若無特殊需求，可以直接使用讀寫數(shù)據(jù)接口完成“透傳數(shù)據(jù)”的發(fā)送和接收。一般地，也僅可能使用少量命令完成一些特殊應(yīng)用需求。下面詳細介紹各個命令的使用方法。

1． 設(shè)置/獲取BLE 連接間隔

模塊與手機相連時，會定時進行同步，保證手機與模塊一直處于連接狀態(tài)，且數(shù)據(jù)交互操作也是在同步的時候進行的。若 BLE 連接間隔較短，則速率較高，平均功耗也教高；反之，若BLE 連接間隔較長，則數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾蕰档?，但同樣平均功耗也會降低?/p>

連接間隔的單位為ms，有效值有：20、50、100、200、300、400、500、1000、1500、2000，出廠默認值為20，即最小時間間隔。

如設(shè)置連接間隔為50ms，范例程序詳見程序清單9.3。注意，設(shè)置連接間隔后掉電會丟失，并且連接間隔的修改只有在重新連接后才生效。

程序清單9.3 設(shè)置BLE 連接間隔范例程序

連接間隔設(shè)置成功與否主要取決于手機端對連接間隔的限制。不同手機的實際連接間隔也可能不同，如魅族手機的實際連接間隔會比設(shè)定值少25%左右；iPhone 手機在連接時均是先以30ms 間隔運行1 分鐘，然后切換成設(shè)定值。

可以通過命令獲取當前的連接間隔，范例程序詳見程序清單9.4。

程序清單9.4 獲取BLE 連接間隔范例程序

程序執(zhí)行結(jié)束后，interval_ms 的值即為當前使用的連接間隔。若使用程序清單9.3 所示的代碼修改了時間間隔，則此處獲取的值應(yīng)該為50。

2． 模塊重命名/獲取模塊名

模塊名即手機端發(fā)現(xiàn)ZLG9021 時，顯示的ZLG9021 模塊的名字。模塊名限定在15 字節(jié)以內(nèi)。如修改模塊名為“ZLGBLE”，范例程序詳見程序清單9.5。注意，修改模塊名后，掉電不會丟失。

程序清單9.5 模塊重命名范例程序

修改模塊名為“ZLGBLE”后，手機端發(fā)現(xiàn)ZLG9021 時，將顯示其名字為“ZLGBLE”。顯然，當使用ZLG9021 開發(fā)實際產(chǎn)品時，在同一應(yīng)用場合，可能存在多個ZLG9021 模塊，若全部命名為“ZLGBLE”，將不容易區(qū)分具體的ZLG9021 模塊。此時，可以使用自動添加MAC 后綴的模塊重命名命令，使用方法與AM_ZLG9021_RENAME 相同，范例程序詳見程序清單9.6。

程序清單9.6 模塊重命名（自動添加MAC 后綴）范例程序

使用該命令修改模塊名后，會自動添加6 個字符（MAC 地址后3 個字節(jié)的Hex 碼），若ZLG9021 模塊的MAC 地址為：08:7C:BE:CA:A5:5E，則重命名后，ZLG9021 的模塊名被設(shè)置為“ZLGBLECAA55E”?？梢酝ㄟ^命令獲取當前的模塊名，范例程序詳見程序清單9.7。

程序清單9.7 獲取ZLG9021 模塊名范例程序

程序中，由于模塊名的最大長度為15 字符，為了存放'