一种无线通讯装置和无线通讯方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种无线通讯装置和无线通讯方法。
【背景技术】
[0002] 目前，基于蓝牙技术的无线通讯模块，例如Hffi的Z60T、SPP-C系列、ACER的4551、 4771等等，这些同类相似的产品都使用了 3. 0以下的通讯标准，它们不具备低功耗物理层、 低功耗链路层、高级AES-128数据加密、Security Manager、Profile这几项重要的功能和 特性。也有一些使用了蓝牙4. 0技术的无线通讯模块，例如市面上HM-10蓝牙模块、HC-05 蓝牙模块、HC8650模块、RF-BM-S02模块等，这些同类产品虽然也更新换代升级为了 4. 0标 准，但是这些产品都做成了串口透传方式，使使用者无法更改通讯协议，受限于固定格式的 通讯数据格式而无法适用更多更灵活的场合和系统功能扩展，低功耗方面的性能也会因此 而非常受限。还有一些无线通讯模块，它们不使用蓝牙通讯标准协议，这类产品是自由的 私有通讯协议，无法跟现有大部分设备（例如智能手机、平板电脑、个人PAD、笔记本电脑等 等）进行兼容直接通讯，有很明显的缺陷。
[0003] 目前，互联网使用较为广泛的数据交换协议有JSON、XMUprotobuf以及自定义字 节流协议。JSON和XML协议都是使用文本格式保存数据，协议描述复杂，解码过程消耗的 资源比较多，不适合在内存小CPU资源紧张的嵌入式领域使用。但是这类协议可扩展性好。 自定义字节流协议根据实际应用场景专门编写传输协议，可移植性和可扩展行差。但是这 类协议消耗资源少，保密性较强。protobuf使用类似JSON的描述文件描述数据传输格式。 通过工具转换成字节流的编码方式，兼顾了 JSON的可扩展性以及自定义字节流资源消耗 少的特点。现有的protobuf的设计应用于在网络通讯、TCP通讯中的数据载体。
【发明内容】
[0004] 本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种无线通讯装置和无线通讯 方法。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0006] -种无线通讯装置，包括主控单元、天线、射频匹配电路、电源电路、时钟电路以及 通讯接口电路，所述射频匹配电路、所述电源电路、所述时钟电路和所述通讯接口电路分别 连接所述主控单元，所述天线连接所述射频匹配电路，所述主控单元采用蓝牙芯片，基于蓝 牙技术实现无线通讯控制，其中蓝牙通讯数据采用protobuf编解码方法进行处理。
[0007] 进一步地：
[0008] 所述蓝牙芯片具有连接滤波电容的模拟电源管脚和数字电源管脚，所述蓝牙芯片 包括片内稳压器，所述片内稳压器连接去耦电容。
[0009] 所述时钟电路包括工作频率为千赫级的第一石英晶振和工作频率为兆赫级的第 二石英晶振，所述第一石英晶振和所述第二石英晶振各自配置有电容。
[0010] 所述射频匹配电路具有采用一对差分输入输出的偶极信号端口，所述天线为倒F 型的不平衡单极子天线，并在所述偶极信号端口与所述不平衡单极子天线之间设置有一个 巴伦匹配电路来实现射频收发信号的匹配。
[0011] 所述通讯接口电路为UART、SPI、IIC、GPIO中任一种接口电路。
[0012] 一种使用所述的无线通讯装置的无线通讯方法，包括如下步骤：
[0013] (1)根据需要传输的数据，定义基于protobuf的proto文件，所述proto文件中的 数据信息包括传输时间、数据类型、控制指令、序列号；
[0014] (2)将proto文件转换成源文件；
[0015] (3)将protobuf编解码程序文件和步骤2中生成的源文件载入到蓝牙模块原始工 程文件中；
[0016] (4)将蓝牙模块原始工程文件中的蓝牙发送接收数据回调接口设置成调用 protobuf编解码程序的接口；
[0017] (5)所述无线通讯装置在接收到按照步骤（1)的方式定义过的蓝牙数据时，利用 步骤（4)的protobuf编解码程序的接口接收蓝牙数据，并通过protobuf编解码程序对所 述蓝牙数据进行解码。
[0018] 进一步地：
[0019] 步骤（5)中的所述蓝牙数据由移动终端发送。
[0020] 所述移动终端为手机或平板电脑。
[0021] 所述无线通讯装置安装在受所述移动终端无线控制的机器人上。
[0022] 上下位机设备在传输数据时，通过步骤（1)中的proto文件中的数据信息进行上 下位机同步，其中，传输数据中加入传输时间参数，接收方通过验证传输时间参数来决定是 否响应接收到的数据包，如果传输时间参数与预定好的传输时间不一致，接收方不响应该 数据包；传输数据中还加入序列号数据，在两个设备第一次通讯的时候同步一次起始序列 号，以后每传输一个数据包双方将保存在本地的序列号加一，发送方发送数据包时将发送 方本地的序列号填充到发送数据中，接收方收到数据包以后比对数据包中的序列号与本地 保存的序列号是否一致，相差超过预定程度时判断为无效数据，接收方不响应该数据包。
[0023] 本发明的有益效果：
[0024] 本发明能够方便地将蓝牙通讯技术快速接入到传统的家用电器、消费电子产品、 工业自动化设备、数据采集系统、遥控玩具等等系列产品中，实现数据的共享、控制和收集 统计，使得传统的产品可以扩展更多的实用功能，具备智能家居化的基础，大大提升了产品 的实用价值和产品竞争力。同时，本发明具有异常方便接入移动设备、开发成本低、开发便 利、功耗低、体积小、底层客户协议可定制等等优点，解决了目前市场上已有的同类无线通 讯模块开发成本高、底层对外通讯协议固定、功耗相对较高等等问题。
[0025] 例如，本发明的无线通讯装置应用到家用扫地机器人中。传统的家用扫地机器人， 它是无法跟智能手机、平板电脑等等进行通讯或进行控制的，因此机器人本体上要花较大 成本来处理人机交互问题，很多参数设置要加装屏幕，众多按键等等，要用比较高的成本。 家用扫地机器人应用本发明的无线通讯装置，可以快速嵌入到机器人系统中去，实现手机 APP灵活地遥控智能扫地机器人，因此很多控制参数可以利用手机来灵活方便地设置，也 很人性化，大大提高产自身竞争力和提升产品的整体用户体验。应用此模块嵌入现有智能 扫地机器人变得异常轻松，只需要在手机客户端安装配套的APP软件，然后家用扫地机器 人内部加装此模块，即可完成改装任务。
[0026] 相比现有技术，本发明有如下优势：
[0027] 1、本发明具有标准蓝牙协议、方便接入移动设备、开发成本低、开发便利、功耗低、 体积小、底层客户协议可定制等等优点，解决了目前市场上已有的同类无线通讯模块开发 成本高、开发繁琐、底层对外通讯协议固定而无法定制修改、功耗水平相对较高等等问题。
[0028] 2、相对已有技术，本发明创造可以非常方便地把通用蓝牙通讯技术快速接入到各 种电器电子产品、工业控制系统设备、遥控系统等系列产品中，实现数据的共享、控制和收 集统计，使得传统的产品可以扩展更多的实用功能，大大提升了产品的实用价值和产品竞 争力。改善了现有同类产品技术接入而产生的开发繁琐、开发成本高、软硬件定制困难等等 问题。
[0029] 3.使用protobuf协议对数据进行序列化和反序列化，提高了数据传输效率，降低 功耗。数据中加入主从机同步参数，按照特定方式进行同步验证，显著提高安全性。
【附图说明】
[0030] 图1为本发明无线通讯装置一种实施例的系统框图；
[0031] 图2a和图2b为本发明无线通讯装置一种具体应用实例的芯片电路概图。
【具体实施方式】
[0032] 以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的， 而不是为了限制本发明的范围及其应用。
[0033] 参阅图1，在一种实施例中，一种无线通讯装置包括天线、射频匹配电路、主控单 元、电源电路、时钟电路以及通讯接口电路。主控单元例如采用蓝牙芯片CC2541。所述射频 匹配电路、所述电源电路、所述时钟电路和所述通讯接口电路分别连接所述主控单元，所述 天线连接所述射频匹配电路，所述主控单元采用蓝牙芯片，基于蓝牙技术实现无线通讯控 制，其中蓝牙通讯数据采用protobuf编解码方法进行处理。
[0034] 蓝牙芯片可以集成RF射频收发器、增强工业标准的8051MCU、系统可编程flash存 储器、8KB RAM。工作的载波频率范围是2400-2483MHZ的ISM频段，具有片上存储数据、固 件实时更新和高达+97dB的链路预算，并支持无外部前端的远程应用程序和精确的数据接 收信号强度检测（RSST)。蓝牙芯片可拥有128KB或256KB的闪存。蓝牙芯片具有3种低功 耗功率模式，功率可低至0. 4 μ A，工作电压范围为2. 0-3. 6V。
[0035] 无线通讯装置包括作为外围电路的时钟电路、电源电路、射频匹配电路、通讯接口 电路以及天线等。蓝牙芯片的模拟电源管脚和数字电源管脚就近接滤波电容。片内采用一 个I. 8V的稳压器连接一个去耦电容为所需电路提供稳定电压，实现电源工作的稳定性。在 实际电路中可通过芯片管脚连接一个1 μ F的电容实现。时钟电路有两个，其中一个时钟电 路用一个工作频率为32. 768ΚΗζ的第一石英晶振和两个均为15pF的电容实现，32. 768ΚΗζ 的第一石英晶振接对应的芯片管脚，另一个时钟电路由一个工作频率为32MHz的第二石英 晶振和两个分别为15pF的电容实现，32MHz的第二石英晶振接对应的芯片管脚。后一时钟 电路可采用32MHz的无源晶振和15pF匹配陶瓷介质的电容。
[0036] 对于射频匹配电路（即阻抗匹配电路），蓝牙芯片的射频管脚RF_P和管脚RF_N采 用一对差分输入输出的偶极信号端口，天线为倒F的不平衡单极子天线，并在射频输入输 出管脚与天线之间连接一个巴伦（平衡/不平衡）匹配电路（巴伦滤波器模型电路）来实 现射频收发信号的匹配。射频匹配电路可采用分离电容和电感元件实现，也可采用匹配芯 片来实现。
[0037] 通讯接口电路可采用UART、SPI、IIC、GPIO接口。
[0038] 本发明无线通讯装置一种具体应用实例的芯片电路如图2a和图2b所示。
[0039] 无线通讯装置使用蓝牙4. 0通讯标准，具有功耗低的特点，使用AES-128加密方 式，保密性强。蓝牙模块的无线电信号是透明传输的，工作频率相同的无线电接收设备都可 以截取到传输的无线电信号，容易被发送方和接收方以外的第三方接收和篡改，影响数据 安全性。蓝牙4. 0协议采用AES-128CCE对数据进行加密。本无线通讯装置在蓝牙4. 0的基 础上，对数据安全性做了进一步的优化（后文将进一步详述）。通讯数据采用protobu