朱鹏，杨延宁，张璐，刘丁，孟凡龙，王闯超

（延安大学物理与电子信息学院，陕西 延安 716000）

青少年是国家的未来和民族的希望，关注青少年的健康成长，一直以来都是国家、社会、家庭的焦点问题之一。在青少年成长过程中，有很多因素会影响他们的成长发育，其中青少年背的书包是不可忽视的因素。随着越来越重的学习任务，书包里的书本也越来越多，书包已然被看作是青少年们的“职业负荷”。青少年长时间背负着沉重的书包，对肩部肌肉产生强大的压迫，从而导致颈肩部疼痛，严重影响青少年的脊柱生长，大大增加了出现颈曲加大或者脊柱侧偏的概率。许多调查显示[1-2]，沉重的书包是影响颈椎生理健康和引起颈椎相关症状的主要因素之一。

为了加快教育改革，提高素质教育，实现对青少年负担的减轻，设计一款智能书包是有必要的。文中设计了一种基于BLE4.0的智能书包，通过实现自动跟随青少年行走、自动避障、对书包重量进行实时监控的功能，可以有效地减轻青少年书包压力，保障了青少年身体健康发育。

1 系统总体设计方案

1.1 系统总体结构设计

智能书包设计是用一个单模BLE芯片CC2541为主机单元，用两个单模BLE芯片CC2541作为从机单元[3]。主要包括：显示模块、按键模块、测重模块、报警模块、避障模块等[4]。其中按键模块用来确认主机连接从机、开始或取消接从机数据。测重模块用来测量出书包的重量。报警模块是在书包重量超出限值或青少年距离书包超出限定范围后进行报警。避障模块是在智能书包跟随青少年行走过程中，遇到障碍物自动调整方向，防止智能书包撞到障碍物。

1.2 系统核心方案设计

系统选用一块CC2541作为主机系统的主控芯片，选用两块CC2541分别作为从机A单元和从机B单元的主控芯片。从机A单元包括压力传感器模块HX711模块和显示模块，从机B单元包括电机驱动模块和报警模块。在完成配对后的主机蓝牙和从机蓝牙能够构建出一个BLE无线通信网络。主机在协议栈中读取两个从机的接收信号强度指示数据[5]，通过CC2541内集成的单片机处理数据，数据处理后发送指令到从机，从机B根据指令信息控制电机驱动模块。从机A读取压力传感器HX711采集的重量数据，经过处理后显示在液晶显示屏中。当书包重量超出限值或从机距离主机超出距离上限值时，报警模块工作。基于BLE4.0的智能书包总方案原理如图1所示。

图1 智能书包总方案原理图

2 系统硬件结构设计

2.1 主控芯片CC2541的介绍

智能书包设计的核心芯片CC2541是一款针对Bluetooth Low Energy4.0以及私有2.4 GHz BLE应用的功率提升的真正片载系统（SoC）解决方案，它的主要功能有[6-7]：

1）内部高度集成增强型8051单片机，256 kB内置内存，8 kB静态随机存取存储器；

2）完全集成的低功率无线电频率（1MBPS功能蓝牙GFSK）；

3）有4种不同的发射功率设置，适合不同开发应用的需求；

4）TI公司提供完整的协议栈和技术文档与支持，一定程度上减轻了开发者开发基于CC2541应用的难度。

2.2 系统电源电路设计

主机单元的核心芯片为CC2541，其额定工作电压为3.3 V。采用一节大容量18650锂电池给主机单元供电，因18650锂电池的输出电压不够稳定，所以选用AMS1117做稳压电路。AMS1117能够稳定的输出3.3 V电压，具有1%的精度，具有电流过大保护、电路发热阻断等功能[8]。主机稳压电路原理图如图2所示。

图2 主机稳压电路原理图

从机单元的核心芯片同主机单元核心芯片相同，均为CC2541，但是从机单元需要驱动电机模块L298N，为保障从机足够的电量，采用3节大容量18650锂电池供电。将驱动电机模块供电电压设计为5 V来确保电路的稳定性。需设计两个稳压电路，分别为5 V和3 V稳压供电电源[9]。AMS1117对于输入电压值要求不是很高，所以，从机的供电电路设计可以和主机的稳压电路设计相一致。选用LM2596做5 V稳压电源电路。LM2596输出电流可高达3 A，TTL断电保护，具备热量过高保护和电流过大保护。从机稳压电路原理图如图3所示。

2.3 主机单元电路设计

2.3.1 主控芯片CC2541引脚的介绍

主控制器的选用对于整个设计十分重要，考虑到低功耗、稳定等特点，所以选用CC2541。表1是CC2541的引脚及功能说明。

图3 从机稳压电路原理图

表1 CC2541的引脚及功能说明

2.3.2 主机单元电路设计

主机电路是以CC2541芯片为核心搭建的，配有按键模块、LED模块、显示模块。主机电路中一共设置5个按键。按键S2、S3、S4分别作为搜索从机、连接从机、获取从机的RSSI等使用。使用OLED显示主机和从机的连接状态、主机读取到的接收信号强度指示值、以及指令信息[10]。主机电路原理图如图4所示。

图4 主机电路原理图

2.4 从机单元电路设计

2.4.1 从机A电路设计

从机A电路是以CC2541为核心搭建的，配有LED模块、测重模块、蜂鸣器报警模块。测重模块的设计利用压力传感器HX711AD为核心搭建。HX711AD通过PD_SCK和DOUT两条串口通讯线和CC2541的SCK和SDA相连接，完成数据的发送和接收[11]。选用无源蜂鸣器做蜂鸣器报警模块。蜂鸣器报警模块的使能端口与CC2541的P20口相连，当读取HX711数据小于设定上限时，P20口输出低电平，三极管S8550处于截止状态，蜂鸣器不工作。当读取HX711数据大于设定上限时，P20口输出高电平，三极管S8550处于导通状态，蜂鸣器发声，进而报警。从机A电路的原理图如图5所示。

图5 从机A电路原理图

2.4.2 从机B电路设计

从机B电路是以CC2541芯片为核心搭建的，配有LED模块、电机驱动模块和蜂鸣器报警模块。采用L298N作为电机驱动模块。CC2541的P06和P07可输出PWM波，分别与L298N的两个使能端相连。CC2541的 4个IO口 P01、P12、P13、P14分别输出高低电平，作为L298N驱动电机模块的IN1、IN2、IN3、IN4的控制信号，驱动电机转动。同样选用无源蜂鸣器做蜂鸣器报警模块[12]。蜂鸣器报警模块的使能端口与CC2541的P20口相连，当智能书包无异常情况发生时，P20口输出低电平，三极管S8550处于截止状态，蜂鸣器不工作。当智能书包有异常情况发生时，P20口输出高电平，三极管S8550处于导通状态，蜂鸣器发声，进而报警。从机B电路原理图如图6所示。

图6 从机B电路原理图

3 系统软件设计

3.1 主机系统的软件设计

主机核心芯片CC2541的主要功能是在协议栈里获取两个从机接收信号强度的指示数据，然后根据RSSI的不同给从机发送指令。

给主机单元上电，初始化板子上的I/O口，对硬件部分初始化，初始化驱动，初始化操作系统，最后开始osal_start_system的进程，这个进程会调用由特定应用决定的启动函数osalInitTasks来启动系统，osalInitTasks逐个调用BLE协议栈各层的启动进程来初始化协议栈，跳入循环等待执行任务，系统启动完成[13-15]。由于从机的广播包内包含有RSSI的数据，运用协议栈中的Simple BLE Central RssiCB函数读取到RSSI。在主机蓝牙中，把读取从机A的RSSI定义为RSSI_Left，把读取从机B的RSSI定义为RSSI_Right。通过编写的Simple BLEC ental函数，比较RSSI_Left数值和RSSI_Right的数值大小，给出相应的直行、左转、右转指令。主机以广播的形式，将指令写到从机的CHAR1中。主机的工作流程图如图7所示。

图7 主机的工作流程图

3.2 从机A系统的软件设计

从机A的主要功能是测量智能书包载重情况和超重报警。首先，初始化系统的硬件，包括测重模块、OLED模块、设置好载重的最大值。然后，进入事件进程，点击进入这个进程就会发现，这是一个大循环。如果有事件与协议栈中写好的事件相匹配，那么开始对这个事件进行操作。从机A中，设定一个事件为测重事件，每次开机时系统自定义会写入测重事件并且对测重事件进行操作，获取得到实时的智能书包重量信息。如果重量超出上限，发出声光报警[16]。从机A的工作流程图如图8所示。

图8 从机A的工作流程图

3.3 从机B系统的软件设计

从机B的主要功能为根据主机写入的指令驱动电机转动和报警。首先，对系统的硬件进行初始化，随后进入事件进程函数。点击进入这个进程就会发现，这是个大循环。如果有事件与协议栈写好的事件相匹配，则会对事件进行操作[17]。主机和从机连接后，从机通过发送广播包的形式为主机提供接收信号强度指示并且主机给从机B通过写入从机CHAR1的形式发送指令。由TI公司提供的协议栈中已经定义好Simple Profile ChangeCB函数来处理指示值改变后回调事件。当CHAR1里面的数值为0x31时，执行直行指令；当CHAR1里面的数值为0x32时，执行右转指令；当CHAR1的数值为0x33时，执行左转指令。从机B的工作流程如图9所示。

图9 从机B的工作流程图

4 系统调试

4.1 硬件调试

硬件调试首先要对系统的主机核心芯片CC2541的外围电路进行检查，检查外围电路是否存在虚焊、短接等问题。用万用表红表笔接触供电电路的正极，用黑表笔接触供电电路的负极，检测电压是不是CC2541的额定工作电压。由于CC2541是高电平复位，示波器相对于万用表可以明显的显示出高低电平的变化情况。通过示波器检查复位电路。示波器尖头表笔夹住按键的一段，黑夹子夹住电源地，通过示波器的波形跳动检测电路是否正确。

从机A和从机B核心芯片与主机所用芯片一致，外围电路检测过程也一致。然而，从机B硬件电路有驱动电机模块。首先，测试L298N模块是否正常工作，然后，连接从机B硬件电路，确保驱动电路完全没有问题，从而确定从机B的电路是否存在问题。从机A硬件电路有测重模块以及报警模块，分别查看各个分模块的电源指示灯是否正常，用万用表调制电压档测量模块的供电电压。

最后，在硬件设计与焊接的过程中考虑到系统体积的便携性，需要将稳压模块、主机芯片等排到一块电路板上，增加设计难度[18]。为完成要求，改善电路走线，使系统硬件设计达到美观、实用。

4.2 软件调试

首先，对初始化配置进行检查，检查协议栈中的管脚配置是否存在复用情况。其次，主机是否能与从机A和从机B进行连接，连接成功后，检查主机能否正确读取广播包，获取到RSSI的值。最后，检查电机驱动程序、测重程序、报警程序等的逻辑性是否正确。

5 结束语

该设计外围电路简单，成本低，操作容易，实用性较强。充分应用抗干扰性强，低成本的CC2541芯片，解决了传统书包影响青少年的健康成长的问题。经过检测，系统可以自动跟随青少年行走，对书包重量进行实时监控，与青少年的距离超过限值发生报警等，可以满足设计的整体要求。但是该设计还有一些不足之处，在今后的研究中将进一步优化设计，以达到商用的目的。