藍(lán)牙無線抄表傳感器的設(shè)計(jì)

 摘要：基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)和藍(lán)牙協(xié)議提出藍(lán)牙無線傳感器結(jié)構(gòu)模型，并就具體的抄表系統(tǒng)完成藍(lán)牙傳感器的設(shè)計(jì)。該傳感器不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)檢測(cè)和傳輸?shù)臒o線化，同時(shí)也提供了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性能。

    關(guān)鍵詞：IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙協(xié)議 無線傳感器 無線抄表

引言

IEEE1451.2是智能傳感器接口模塊標(biāo)準(zhǔn)。它提供了將傳感器和變送器連接到網(wǎng)絡(luò)的接口標(biāo)準(zhǔn)，主要用于實(shí)現(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò)化。IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)采用通用的A/D或D/A轉(zhuǎn)換裝置作為傳感器的I/O接口，將各種傳感器模擬量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定格式的數(shù)據(jù)，連同一個(gè)小存儲(chǔ)器—傳感器電子數(shù)據(jù)表TEDS（Transducer Electronic Data Sheet），與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的處理器目標(biāo)模型—網(wǎng)絡(luò)適配器NCAP（Network Capable Application Process）連接。如此，數(shù)據(jù)可以按網(wǎng)絡(luò)規(guī)定的協(xié)議接入網(wǎng)絡(luò)。該標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模型提供了一個(gè)連接智能變送器的接口模型STIM（Smart Transducer Interface Module）NCAP的10線標(biāo)準(zhǔn)接口—變送獨(dú)立接口TII（Transducer Independence Interface）。

圖1

    采用上述IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)化的同時(shí)，無線通信技術(shù)被引入原有傳感器以實(shí)現(xiàn)無線化也是傳感器當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，是今后傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向。尤其隨著藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用的失言以及其芯片價(jià)格的進(jìn)一步下調(diào)，將藍(lán)牙技術(shù)引入傳感器以實(shí)現(xiàn)傳感器的無線化已成為可能。目前絕大多數(shù)抄表系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)檢測(cè)和傳輸，主要是有線方式進(jìn)行。本文將給出基于IEEE1451.2和藍(lán)牙協(xié)議的無線抄表傳感器的具體實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)抄表系統(tǒng)的無線化。

1 藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)為藍(lán)牙特別興趣小組（SIG，Special Interest Group）在1998年提出。它是一種新的短距離無線通信協(xié)議，是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放標(biāo)準(zhǔn)，目的是以無線的方式取代現(xiàn)有的有線接口。其優(yōu)勢(shì)在于：具有很強(qiáng)的移植性，可應(yīng)用于多種通信場(chǎng)合；硬件集成應(yīng)用簡(jiǎn)單，成本低廉，實(shí)現(xiàn)容易，而且易于推廣；藍(lán)牙功耗低，對(duì)人體危害�。徊捎脭U(kuò)頻跳頻技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，增加了信息傳輸?shù)陌踩�性。藍(lán)牙系統(tǒng)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。在一點(diǎn)對(duì)多瞇的連接方式中，多個(gè)藍(lán)牙單元共享一條信道，采用同一跳頻序列。各個(gè)藍(lán)牙設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)稱為匹克網(wǎng)（Piconet）。匹克網(wǎng)中藍(lán)牙設(shè)備以主從方式實(shí)現(xiàn)通信。由于藍(lán)牙設(shè)備的物理尋址地址為3位，因此在同一時(shí)刻，匹克網(wǎng)最多只能激活8位設(shè)備（1主7從）；但不同時(shí)刻，多個(gè)匹克網(wǎng)可以構(gòu)成一個(gè)可重疊的散射網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。藍(lán)牙通信的有效半徑和其輸出的功率有關(guān)：當(dāng)輸出功率是2類（2.5mW/4dB）時(shí)，通信范圍為15m；如果增加其功率到1類（4mW/20dB）時(shí)，就能使通信范圍達(dá)到100m。
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2 基本標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的傳感器結(jié)構(gòu)模型

基于IEEE1451.5和藍(lán)牙協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器由STIM、藍(lán)牙模塊和NCAP三部分組成，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。此方案的實(shí)現(xiàn)，相當(dāng)于在IEEE1451.2的結(jié)構(gòu)模型上取代了原有的TII接口。采用無線的藍(lán)牙協(xié)議實(shí)現(xiàn)連接，類似于實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無線的STIM和無線NCAP接收終端的模式。通過在原有的STIM和NCAP中嵌入了藍(lán)牙模塊，構(gòu)成的無線NCAP和無線STIM，以點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)在藍(lán)牙匹克網(wǎng)以主從方式實(shí)現(xiàn)相互通信。

與典型的有線方式相比，上述無線網(wǎng)絡(luò)模型增加了兩個(gè)藍(lán)牙模塊。對(duì)于藍(lán)牙模塊部分標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙對(duì)外接口電路一般使用RS232或USB接口，而TII是一個(gè)控制鏈接到它的STIM的串行接口。因此，必須設(shè)計(jì)一個(gè)類似于TII接口的藍(lán)牙電路，構(gòu)造一個(gè)專門的處理器來完成控制STIM和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到藍(lán)牙主控制接口HCI（Host Control Interface）的功能。

3 藍(lán)虎無線抄表傳感器的設(shè)計(jì)

基于上述無線傳感器結(jié)構(gòu)模型給出的無線抄表傳感器的結(jié)構(gòu)原理，如圖2所示。整個(gè)傳感器核心部件是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的前端STIM部分和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的NCAP部分。STIM完成數(shù)據(jù)的采集和處理（濾波、校準(zhǔn)等），NCAP完成傳感器的網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)PSTN電話互網(wǎng)連。STIM和NCAP之間用藍(lán)牙無線接口連接。STIM選用8位處理器實(shí)現(xiàn)，而NCAP的網(wǎng)絡(luò)接口通過8位的處理器和內(nèi)嵌Modem的形式實(shí)現(xiàn)。

（1）NCAP部分硬件設(shè)計(jì)

抄表傳感器NCAP硬件部分選用的處理器、藍(lán)牙模塊和內(nèi)置Modem分別是Winbond公司的W78E58處理器、Erricsson公司ROM 101 008系列藍(lán)牙模塊以及OKI公司的調(diào)制解調(diào)芯片MSM7512B。

圖3

    由于系統(tǒng)中藍(lán)牙模塊接口采用的是RS232串口，同時(shí)處理器和內(nèi)置Modem的通信接口也要用到RS232串口，因此我們選用W78E58處理器。該處理器具有雙串口。ROK 101 008系列藍(lán)牙模塊遵從藍(lán)牙1.1規(guī)范，是一個(gè)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信模塊。該模塊可以同時(shí)和在其范圍內(nèi)被連接的7個(gè)藍(lán)牙從

設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。MSM7512B為OKI公司推出的FSK模式調(diào)制解調(diào)器芯片，通過設(shè)置引腳MOD2和MOD1選擇四種工作模式的一種。MT8888C作為DTMF接收器時(shí)，DTMF信號(hào)從IN+和IN-輸入，一旦信息被寫入到接收寄存器中，MT8888C將置位狀態(tài)豁口中接收寄存器滿標(biāo)志位和IRQ/CP端電平來通知控制器準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)；MT8888C作為DTMF發(fā)送器時(shí)，數(shù)據(jù)被寫入發(fā)送寄存器，經(jīng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換合成DTMF信號(hào)從TONE端輸出。本處采用中斷方式檢測(cè)DTMF振鈴信號(hào)。圖3為藍(lán)牙抄表傳感器NCAP部分的硬件電路原理。

（2）抄表傳感器NCAP部分軟件設(shè)計(jì)

抄表傳感器NCAP部分的軟件設(shè)計(jì)，主要是在單片機(jī)上完成兩部分功能的程序編制：一是初始化藍(lán)牙模塊，使抄表傳感器NCAP部分上主設(shè)備模塊和所有范圍內(nèi)的從設(shè)備模塊建立連接；二是驅(qū)動(dòng)MSM7512B和MT8888C工作，實(shí)現(xiàn)與PSTN的連接。

①藍(lán)牙模塊初始化。參照008藍(lán)牙模塊的工作方式，即通過單片機(jī)向藍(lán)牙模塊發(fā)送HCI（Host Controler Interface）分組。HCI指令包括指令分組、數(shù)據(jù)分組和事件分組。具體格式為：操作碼+參數(shù)總長(zhǎng)+參數(shù)0+……+參數(shù)N。

如下給出主、從設(shè)備間實(shí)現(xiàn)ACL數(shù)據(jù)連接的HCI指令（字符對(duì)應(yīng)相應(yīng)指令的操作碼，由前10位和后6位兩部分組成，括弧內(nèi)為該指令的參數(shù)）：從設(shè)備上電后實(shí)現(xiàn)查詢使能進(jìn)行復(fù)位Write_scan_enable(0x3)。主設(shè)備發(fā)送查詢HCI指令I(lǐng)nquiry(0x9c8b33,8,0)，假定從設(shè)備的地址為0x000000000000,則建立ACI連接的HCI指令為Creat_Connection (0x000000000000,0xcc18,0,0,0,0)。從設(shè)備接收連接請(qǐng)求指令為Accept_connection_request(0x111111111111,0)，假定主設(shè)備的地址為0x111111111111。這樣主從設(shè)備之間即建立了ACL數(shù)據(jù)連接。其中Inquiry對(duì)應(yīng)的操作碼為：0x0001,0x01。具體指令參見藍(lán)牙規(guī)范。②初始化MSM7512B和MT8888C。首先使能MSM7512B，選擇模式1。值得注意的是，復(fù)位MT8888C時(shí)，必須將上電后延時(shí)100ms。具體復(fù)位方式參見MT8888C數(shù)據(jù)手冊(cè)。

    如下給出單片機(jī)的初始化程序及外部中斷0的服務(wù)程序。

/*初始化程序*/

TCON=0x40H; //Timer1使能

TMOD=0x20H; //Timer1為定時(shí)器，8位自動(dòng)重裝TH1到TL1

CKCON=0x30H;//Timer1和Timer2時(shí)鐘為1/12 CLOCK

SCON=0x50H//串口0模式1，波特率由Timer2決定

IE=0xD1H;//使能中斷（串口1和串口2以及INT0）

SCON1=0x50H;//串口1模式1，波特率由Timer1決定

T2CON=0x34H;//Timer2自動(dòng)重裝RCAP2L到TL2，RCAP2H到T2H

WDCON=0x02H//Watchdog復(fù)位使能

TL1=0xFDH;TH1=0xFDH;TL2=0xFDH;TH2=0x00H;

RCAP2L=0xFAH;RCAP2H=0x00H;

/*初始值設(shè)置，設(shè)置串口1和串口2的波特率為9600bps*/

Init_008(); //初始化藍(lán)牙模塊

Reset_mt8888c();//復(fù)位MT8888C

P1^0=1;P0=0x00H;//使能MSM7512，選擇模式1

/*外部中斷0的服務(wù)程序*/

void service_int0()interrupt0

{SendRecord ();//傳送監(jiān)測(cè)記錄……}

（3）STIM的設(shè)計(jì)

大多數(shù)傳大吃一驚器的STIM部分設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，因?yàn)殡姳頂?shù)據(jù)采集的功能比較單一。圖4為STIM數(shù)據(jù)采集部分的原理框圖。

硬件設(shè)計(jì)時(shí)，電表數(shù)據(jù)采集部分和傳統(tǒng)的有線方式一樣，只是硬件上增加了藍(lán)牙模塊作為和上層藍(lán)牙傳感器NCAP的無線接口。數(shù)據(jù)采集部分經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的數(shù)字脈沖接到單片機(jī)的計(jì)數(shù)器口，實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)，然后將必要的電表數(shù)據(jù)量送

至藍(lán)牙模塊。單片機(jī)遷移家長(zhǎng)普通的8031即可，模塊選用的是ROK 101 008系列。軟件上除了要注單片機(jī)上完成數(shù)據(jù)采集的部分程序外，上電時(shí)還應(yīng)該初媽嘩藍(lán)牙模塊，使模塊能夠在其有效范圍被搜索連接。數(shù)據(jù)采集部分程序主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)，同時(shí)轉(zhuǎn)換成電表參量，然后徑藍(lán)牙模塊送到NCAP。

4 基于藍(lán)牙抄表傳感器的抄表系統(tǒng)

整個(gè)抄表系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。一個(gè)抄表傳感器STIM部分對(duì)應(yīng)一個(gè)電表，多個(gè)STIM完成和一傳感器的NCAP無線連接。藍(lán)牙抄表傳感器NCAP部分的安放位置應(yīng)根據(jù)具體住宅的情況進(jìn)行選擇要使其能采集到范圍內(nèi)所有抄表傳感器STIM部分的電表數(shù)據(jù)。抄表傳感器STIM部分和安置于每一處的電表相接，同時(shí)須注意的是遠(yuǎn)程抄表中心PC還應(yīng)完成客戶端軟件開發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。

本系統(tǒng)主要是針對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但稍加發(fā)行后，即可廣泛應(yīng)用到煤氣表、水表等其它家用數(shù)據(jù)的無線抄收。

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