第二章 关键技术介绍

2。1 系统需求分析

本系统使用移动设备客户端软件控制门锁实现开门动作。移动设备的客户端软件 需要与门锁控制端进行通信，进而实现与门锁控制端连接、密码的发送等功能。并且， 蓝牙技术有应用广泛，易于使用，低功耗等特性。因此，在通信方式上，我们选择蓝 牙，并且使用蓝牙 4。0 通信协议。使用低功耗的通信协议使得系统有更长的使用时间， 用户不必频繁地更换电池，从而提高了用户的使用体验。

客户端软件要求有广泛的用户基础，可以安装在多数的移动设备上。Android 系 统功能强大，界面组件丰富，用户操作也较为流畅。因此，客户端软件我们使用 Java 语言在 Android 平台上实现。为保证数据传输的安全性，系统采用 TEA 数据加密算法。 在客户端软件将数据进行加密后发送，门锁控制端接收数据后进行解密、校验。

同时，门锁控制端具有硬件依赖性，这要求控制端有主控模块和制动模块。主控 模块我们采用现在较为流行的 nRF51822 蓝牙 4。0 解决方案，制动模块则使用继电器 驱动电机。硬件部分根据系统使用 Altium Designer 软件绘制原理图和 PCB，电路板 上的元器件均自行焊接。

上述技术将会在下文相应篇章详细介绍。

2。2 蓝牙 4。0 通信技术

2。2。1 BLE 概述

BLE（Bluetooth Low Energy）是国际蓝牙联盟（BT-SIG,TI 是企业成员之一） 通过的一个标准蓝牙无线协议。低功耗蓝牙针对无线应用程序与低功耗、低延迟、小 数据包的传输需求，主要的新特性是在蓝牙标准版本上添加了 4。0 蓝牙规范（2010 年 6 月）[2]。低功耗蓝牙主要是以手机和 PC 机电脑系统为中心而设计，但也可以用 于其他移动开发应用 APP（开发苹果外部支持无需认证），符合 BLE 标准的机器大概 在未来五年将有十亿的市场需求量[2]。就单模而言，BLE 设备和经典的蓝牙设备不兼 容。

未来几年，BLE 主要应用场景是：2。4G 蓝牙小耗能系统、消费型产品、手机扩展 设备、运动和休闲设备、医疗保障机器（血压计、体温计等）、汽车电子设备、人机

接口设备（键盘、鼠标、遥控器等）、USB Dongle 等。

2。2。2 低功耗蓝牙协议栈

协议栈由两部分组成:Controller 和 Host。在协议栈之上的是应用层，包含了各 类应用程序。

在 GAP 和 GATT 之上，是配置文件和应用代码，在单片设计规划中，控制层和主 机层，配置文件和应用层都在同一块单片机中。在双片设计规划中，控制层在一个控 制器上运行，而应用层和配置文件和主机层是在另外一个控制器上运行。在网络机制 中，主机层和控制层在一起，但是应用和配置文件在另外一个机器上，比如 PC 机或 者另外其他微控制器，可以通过串口、USB 进行操作[2]。

BLE 是一种星形拓扑结构：连接由主设备组织，并且可以控制若干个从机，而一 个从机只能从属于一个主机。

作为一个 BLE 设备，有六种可能的状态[3]： 1。待机状态（Standby）:设备没有开始数据的接收和发送，并且没有从属于任何

主机。

2。广播状态（Advertiser）:周期性广播状态 3。扫描状态（Scanner）：主动地寻找正在广播的设备

4。发起连接状态（Initiator）：主动地向某个设备发起连接

5。主设备（Master）：作为主设备连接到其他设备

6。从设备（Slave）：作为从设备连接到其他设备 如图 2－1 所示，为 BLE 连接状态流程图。

图 2－1 BLE 连接状态流程图