【文章內容簡介】 藍牙 BLE 的特殊性，需要能夠支持 系統(tǒng)及以上和裝載藍牙 的智能平臺才能應用到實際開發(fā)中。 若不考慮藍牙， Wifi，以及傳感器相關的開發(fā)，那么 Genymotion 完全可以勝任開發(fā)的絕大部分需求；當然若需要實際的硬件支持，最佳方案就是用一款智能手機進行真機聯(lián)調。 模擬器 Genymotion Genymotion 是一套完整的工具，它提供了 Android 虛擬環(huán)境 [7]。 開發(fā) Android 的 Eclipse ADT 開發(fā)包中其實有自帶的模擬器 emulator，之所以選用另外的模擬器原因有二。 Emulator 運行速度緩慢，對比之下 ,genymotion 由于基于 VirtualBox，本質是虛擬機，無論是啟動速度或者是應用載入速度都要更加快捷，性能更優(yōu)越，在 genymotion出現(xiàn)之后，被 Android 開發(fā)者們冠以 “史上最快 Android 模擬器 ”的稱號，這是一方面原因。 圖 genymotion 和 emulator 的創(chuàng)建設備界面 另一方面， genymotion 的源碼包較為簡潔明了，創(chuàng)建虛擬設備時只需填入設備名稱即可，其他屬性均按照實際型號的真機定制，而 emulator 自定義的屬性較多，自主性較強，但大多設置并沒有必要，而且其啟動后尺寸是固定的，不能隨時進行調整，默認的屏幕尺寸高度會和 PC 的高度一致，導致開發(fā)視圖的不便（任務欄會遮住屏幕下方），相反 genymotion 就可以在啟動虛擬設備后自由調整其寬高度，以方便不同視圖的需要。 圖 為兩者創(chuàng)建虛擬設備時的界面 。 Genymotion 安裝流程如下： ① 注冊 Genymotion 賬號 ② 下載 Genymotion 安裝包 ③ 安裝 VitualBox ④ 安裝 Eclipse 或者 Intellij 插件 蘭州理工大學畢業(yè)設計 5 注冊需要通過其官方網(wǎng)址 系統(tǒng)環(huán)境，如圖 所示。 圖 genymotion 選擇系統(tǒng)環(huán)境界面 選擇好開發(fā)的系統(tǒng)環(huán)境之后，在聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)下會自動下載源碼包，這里我們選擇 Android 的系統(tǒng)，安裝并創(chuàng)建完畢后如圖 。 圖 genymotion 已經(jīng)創(chuàng)建好的系統(tǒng)環(huán)境 啟動虛擬設備，可以看到界面與真實手機一般無二，如圖 所示。 蘭州理工大學畢業(yè)設計 6 圖 genymotion 虛擬界面 同時，可以在 Eclipse 的 DDMS 視圖中看到已經(jīng)檢測到的 Android 設備，如圖 所示。 圖 Eclipse 中檢測到的虛擬設備 至此， genymotion 虛擬的硬件開發(fā)環(huán)境已經(jīng)搭建完成。 智能手機 涉及到藍牙或傳感器之類模擬器暫時不能模擬出的部件時 ，開發(fā)就需要借助真實的Android 設備。本次設計用到的智能手機為華為榮耀 4X，操作系統(tǒng)為 Android ，支持藍牙 BLE。 相對于模擬器來說，真機并不需要人為創(chuàng)建定制設備，可以直接投入開發(fā)使用。不過由于智能手機仍需要連接電腦進行開發(fā)中的通信，所以一些注意事項需要注意一下： 1) 手機需進入“ USB 調試模式”，不同的手機有不同的設置，開發(fā)者需根據(jù)相應的機型提前設置好，類似圖 。 蘭州理工大學畢業(yè)設計 7 圖 手機上的 USB 設置 2) 需要特定的驅動需要安裝相應的驅動，否則無法檢測到連接的 Android 設 備，一般是由PC 系統(tǒng)自動匹配安裝，安裝的驅動為“ Android Composite ADB Interface” ,打開“設備管理器”后 會顯示相應的接口 ，如圖 。 圖 Android 設備調試驅動 3) 安裝好驅動，開發(fā)工具 Eclipse 切換至 DDMS 視圖， 此處表明 已經(jīng)檢測到了 Android 設備，如圖 所示。 圖 Eclipse 檢測到的真機 蘭州理工大學畢業(yè)設計 8 藍牙開發(fā)平臺 藍牙平臺在本設計中屬于前置部分，主要負責將傳感器采集到的信號通過藍牙形式發(fā)送出來，然后由開發(fā)的 Android 應用接收處理，藍牙部分 可以從原理和實際設備兩個部分進行介紹。 藍牙 BLE 簡介 藍牙 協(xié)議是 20xx 年 6 月由 SIG（ Special Interest Group）發(fā)布的最新標準，它有 2 種模式： BLE（ Bluetooth low energy）只能與 協(xié)議設備通信，適應節(jié)能且僅收發(fā)少量數(shù)據(jù)的設備（如家用電子）； BR/EDR（ Basic Rate/Enhanced Data Rate），向下兼容（能與 通信），適應收發(fā)數(shù)據(jù)較多的設備（如耳機）。 BLE 即 Bluetooth Low Energy，低功耗藍牙，屬于藍牙 中的單模制式。其主要特點如下： ? 國際藍牙聯(lián)盟 (BT－ SIG， TI 是企業(yè)成員之一 )通過的一個標準藍牙無線協(xié)議 ? 主要新特性是在藍牙標準版本上添加了 藍牙規(guī)范（ 20xx 年 6 月） ? 針對無線應用程序與低功耗，低延遲，小數(shù)據(jù)包的傳輸需求 ? 主要是圍繞手機和個人電腦系統(tǒng)，但也可用于其他應用程序 ? 就單模而言，和經(jīng)典藍牙設備不兼容 藍牙 開發(fā)至少要做兩方面的準備。硬件方面，需要購買 TI 公司藍牙迷你套件，即藍牙 開發(fā)板（一般指 CC254x）以及 CC Debugger 傳真器；軟件方面， 安裝 IAR for 8051，TI 公司 BTool軟件。 開發(fā)板 CC254x CC254X 模塊是低成本，低功耗的 SOC(System on a Chip，系統(tǒng)級芯片 )方案，廣泛用于藍牙低功耗應用，花費非常少的材料成本即可構建 BLE Master 或 Slave Node。 CC254X 內含一個性能優(yōu)良的 RF 收發(fā)器和工業(yè)標準的增強型 8051MCU，集成可 ISP 的 Flash memory， 8KB RAM，以及其他性能優(yōu)異的特性和外設。 CC254X 可提供低功耗睡眠模式，操作模式的轉換時間非常短，低至微秒級， 特別適合需要低功耗的系統(tǒng)。 其特性如下： a) 兼容藍牙低功耗技術 b) 優(yōu)異的連接設計（高達 97DB） c) 長距應用 d) 精準的數(shù)字 RSSI e) 符合 FCCamp。CE 標準 f) 高效低功耗的 8051 MCU 內核 蘭州理工大學畢業(yè)設計 9 g) 電池監(jiān)控和溫度傳感器 h) 全速 USB 接口 i) AEC 安全協(xié)處理器 本設計通過 CC254x 開發(fā)板進行藍牙模塊的開發(fā)，其開發(fā)板如圖 所示。 圖 CC254x 開發(fā)板功能示圖 心率傳感器 心率傳感器是本設計中硬件部分的最末端，負責最原始的脈搏信號采集，理想狀態(tài)下采集到的脈搏信號可以較為清晰用波形圖給出，也即是 說，傳感器必須采集到類似于心臟搏動強度的信號，并將這種起伏明顯的信號通過一定傳輸手段傳輸?shù)介_發(fā)環(huán)境中。 因此，根據(jù)傳感器的敏感性質不同，可分為兩部分介紹。 壓電傳感器 壓電傳感器即壓敏電阻脈搏傳感器 HK20xxC，是在 HK20xxB 的基礎上增加了程控放大電路、基線調整電路、 A/D 轉換電路、串行通信電路，方便用戶集成及二次開發(fā)使用。壓電式原理采集信號，數(shù)字信號輸出，直接通過 USB 或串口輸出脈搏波波形數(shù)據(jù)。在電腦上運行我們附送的演示程序可以直觀的在電腦屏幕上顯示脈搏波形并可以對波形的幅值、頻率、基線等進行調整。該產(chǎn)品可應用于脈率檢測、無創(chuàng)心血管功能檢測、妊高征檢測、中醫(yī)脈象診斷等。 蘭州理工大學畢業(yè)設計 10 圖 壓電脈搏傳感器 HK20xxC 此傳感器的接口為 USB 接口，可以與電腦連接，在 PC 端安裝 USB 轉串口驅動后，即可實現(xiàn)傳感器與 PC 端的通信。在 PC 端“設備管理器”中可以看到相應端口，如圖 所示。 圖 壓電傳感器在 PC 端的端口 光電傳感器 光電傳感器是自行購置的脈搏傳感器，主要是通過透光性檢測指尖血液濃度并以此脈搏的跳動。配以藍牙開發(fā)板 CC254x，連接之后可直接工作（程序代碼需自 行燒寫）。關于此傳感器有一套自有的工具，主要是關于 BLE 藍牙 開發(fā)的必備工具，諸如 IAR 編輯器，SmartNRF 燒錄器，以及 CCDebug 仿真器，感興趣的讀者可自行查閱關于藍牙 的官方資料。 以下為傳感器實物圖。 圖 光電心率傳感器實物圖 蘭州理工大學畢業(yè)設計 11 此傳感器需要和藍牙開發(fā)板配套使用，三根導線分別連接至開發(fā)板的相應引腳才能正常工作，以下是連接圖； 圖 傳感器與開發(fā)板連接圖 連接完成后，需要給開發(fā)板加外接電源才可工作。此開發(fā)板的電源接口與調試接口為同一個接口，為 MiniUSB 接口，加電后配 以的顯示屏可以顯示相關數(shù)據(jù)，不過僅供以參考，如圖 所示； 圖 開發(fā)板工作示意圖 蘭州理工大學畢業(yè)設計 12 第三章 軟件設計 軟件的開發(fā)工作主要在 Android 平臺下進行，使用以 Java 為主的編程語言進行開發(fā)。本設計中使用的開發(fā)環(huán)境如下： ? 系統(tǒng)環(huán)境： Windows 7 Ultimate x64 ? 編程語言： Java ? 語言版本： jdk8u11windowsx64 ? 開發(fā)工具： Eclipse IDE for Java Developers+ADT ,Android Studio ? 終端環(huán)境： Android ,Android ? 源碼工具： Android SDK Manager ? 模擬器： Genymotion Android ? 真機型號：華為榮耀暢玩 4X ? 繪圖引擎： AChartEngine 系統(tǒng)環(huán)境、編程語言，以及開發(fā)工具，三者互相之間要有良好的兼容性，一般來說，如果系統(tǒng)環(huán)境為 Windows 系統(tǒng)，那么編程語言版本也一般安裝 windows 版本，以及開發(fā)工具如Eclipse 也要選擇安裝 Eclipse for Windows，否則是無法進行開發(fā)工作的 [8]。 開發(fā) Android 應用需要在 Eclipse 中安裝 ADT 即 Android Development Tools 插件，也必須在本地配置至少一個 Android 系統(tǒng)版本的源碼如 Android ，源碼由 Android SDK Manager進行下載管理。 調試環(huán)境分為模擬環(huán)境與真機環(huán)境，模擬器使用 Genymotion，可調試不涉及硬件操作的功能模擬，真機則沒有限制，當然真機最好選擇接口較多，功能較全的手機型號。 由于藍牙 在 Android 系統(tǒng)及以上才有較好的底層支持，故而無論是模擬器還是真機都使用 Android 以上的系統(tǒng)才可調試涉及藍牙 的應用，否則會出現(xiàn)亂碼數(shù)據(jù)或者無法開啟藍牙服務的現(xiàn)象。 繪圖引擎選用 Android 下比較成熟的繪圖引擎 AChartEngine，此引擎專為繪圖而開發(fā)，只要導入庫類包后就可以直接或選擇使用其中的有用類，避免開發(fā)時為自定義圖表類作太多繁瑣的工作 [9]。 軟件整體結構 軟件 功能 說明 應用軟件整體功能分為兩個部分，一部分為接收數(shù)據(jù)的前置工作，一部分為處理數(shù)據(jù)的具體功能。軟件整體工作流程可分為以下幾步： ① 通過藍 牙基類尋找 BLE 設備，并顯示設備列表 ② 點擊列表中的設備，獲取藍牙服務 蘭州理工大學畢業(yè)設計 13 ③ 接收藍牙傳遞的數(shù)據(jù) ④ 處理數(shù)據(jù)，并以字符流形式存入文件 ⑤ 由傳遞的數(shù)據(jù)顯示出實時的波形圖 ⑥ 計算出 BPM ⑦ 其他功能 整體流程 說明 根據(jù)軟件整體完成的工作流程，可以將之表示如圖 所示的流程圖： 圖 整體流程圖 各功能模塊設計 藍牙傳輸模塊 藍牙傳輸是建立在藍牙硬件平臺搭建正確的基礎上的，其中包括藍牙模塊芯片 CC254x與開發(fā)板的連接，開發(fā)板與傳感器的連接 ，以及在開發(fā)板中寫入控制藍牙的程序。 此處軟件中所謂的藍牙傳輸模塊，其實就是藍牙檢測模塊，以官方提供的藍牙基礎類BluetoothGatt，擴展為 BluetoothLeClass，以提供藍牙協(xié)議等基礎通信服務 [10]。 藍牙 中分為兩類，其中一類 BLE 設備即此次開發(fā)中所用到的藍牙設備， BLE 需要特殊的機型支持，一般在智能手機硬件配置說明書中由廠家指明是否支持藍牙 的無線傳輸協(xié)議。 開始 獲取藍牙服務 接收數(shù)據(jù) 處理數(shù)據(jù) 顯示波形圖 存入文件 計算 BPM 其他功 能 結束 蘭州理工大學畢業(yè)設計 14 在藍牙硬件設備搭建完成后，設備會持續(xù)發(fā)送一個廣播信息，應用終端則編寫相應 的程序代碼接收此信息，并與之匹配，再獲取相關的藍牙服務， BLE 并不兼容于之前的藍牙版本，故而獲取服務的方法也有所不同，尤其是后續(xù)部分要連接至 GATT 服務端，且讀取屬性的方法也與之前的藍牙開發(fā)不盡相同。 藍牙模塊 在終端的 整體工作流程圖如 所示： 圖 藍牙模塊流程圖 以下為使用 BLE 設備必要的開發(fā)步驟 [11]： ① 在 應用功能清單文件 中聲明藍牙權限，因為用到了 BLE 設備，因此需加上 BLE 設備的支持聲明； usesper