藍牙無(wú)線(xiàn)抄表傳感器的設計
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關(guān)鍵詞：IEEE1451標準藍牙協(xié)議 無(wú)線(xiàn)傳感器 無(wú)線(xiàn)抄表
引言
IEEE1451.2是智能傳感器接口模塊標準。它提供了將傳感器和變送器連接到網(wǎng)絡(luò )的接口標準，主要用于實(shí)現傳感器的網(wǎng)絡(luò )化。IEEE1451.2標準采用通用的A/D或D/A轉換裝置作為傳感器的I/O接口，將各種傳感器模擬量轉換成標準規定格式的數據，連同一個(gè)小存儲器―傳感器電子數據表TEDS（Transducer Electronic Data Sheet），與標準規定的處理器目標模型―網(wǎng)絡(luò )適配器NCAP（Network Capable Application Process）連接。如此，數據可以按網(wǎng)絡(luò )規定的協(xié)議接入網(wǎng)絡(luò )。該標準結構模型提供了一個(gè)連接智能變送器的接口模型STIM（Smart Transducer Interface Module）NCAP的10線(xiàn)標準接口―變送獨立接口TII（Transducer Independence Interface）。
圖1
采用上述IEEE1451標準實(shí)現傳感器網(wǎng)絡(luò )化的同時(shí)，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)被引入原有傳感器以實(shí)現無(wú)線(xiàn)化也是傳感器當前的研究熱點(diǎn)，是今后傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向。尤其隨著(zhù)藍牙技術(shù)應用的失言以及其芯片價(jià)格的進(jìn)一步下調，將藍牙技術(shù)引入傳感器以實(shí)現傳感器的無(wú)線(xiàn)化已成為可能。目前絕大多數抄表系統中的數據檢測和傳輸，主要是有線(xiàn)方式進(jìn)行。本文將給出基于IEEE1451.2和藍牙協(xié)議的無(wú)線(xiàn)抄表傳感器的具體實(shí)現，以實(shí)現抄表系統的無(wú)線(xiàn)化。
1 藍牙技術(shù)
藍牙技術(shù)為藍牙特別興趣小組（SIG，Special Interest Group）在1998年提出。它是一種新的短距離無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，是一種無(wú)線(xiàn)數據與語(yǔ)音通信的開(kāi)放標準，目的是以無(wú)線(xiàn)的方式取代現有的有線(xiàn)接口。其優(yōu)勢在于：具有很強的移植性，可應用于多種通信場(chǎng)合；硬件集成應用簡(jiǎn)單，成本低廉，實(shí)現容易，而且易于推廣；藍牙功耗低，對人體危害??；采用擴頻跳頻技術(shù)，抗干擾能力強，增加了信息傳輸的安全性。藍牙系統支持點(diǎn)對點(diǎn)和一點(diǎn)對多點(diǎn)的通信。在一點(diǎn)對多瞇的連接方式中，多個(gè)藍牙單元共享一條信道，采用同一跳頻序列。各個(gè)藍牙設備構成的網(wǎng)絡(luò )稱(chēng)為匹克網(wǎng)（Piconet）。匹克網(wǎng)中藍牙設備以主從方式實(shí)現通信。由于藍牙設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位設備（1主7從）；但不同時(shí)刻，多個(gè)匹克網(wǎng)可以構成一個(gè)可重疊的散射網(wǎng)絡(luò )結構。藍牙通信的有效半徑和其輸出的功率有關(guān)：當輸出功率是2類(lèi)（2.5mW/4dB）時(shí)，通信范圍為15m；如果增加其功率到1類(lèi)（4mW/20dB）時(shí)，就能使通信范圍達到100m。
2 基本標準和協(xié)議的傳感器結構模型
基于IEEE1451.5和藍牙協(xié)議的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化傳感器由STIM、藍牙模塊和NCAP三部分組成，其體系結構如圖1所示。此方案的實(shí)現，相當于在IEEE1451.2的結構模型上取代了原有的TII接口。采用無(wú)線(xiàn)的藍牙協(xié)議實(shí)現連接，類(lèi)似于實(shí)現了一個(gè)無(wú)線(xiàn)的STIM和無(wú)線(xiàn)NCAP接收終端的模式。通過(guò)在原有的STIM和NCAP中嵌入了藍牙模塊，構成的無(wú)線(xiàn)NCAP和無(wú)線(xiàn)STIM，以點(diǎn)對多點(diǎn)在藍牙匹克網(wǎng)以主從方式實(shí)現相互通信。
與典型的有線(xiàn)方式相比，上述無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )模型增加了兩個(gè)藍牙模塊。對于藍牙模塊部分標準的藍牙對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，必須設計一個(gè)類(lèi)似于TII接口的藍牙電路，構造一個(gè)專(zhuān)門(mén)的處理器來(lái)完成控制STIM和轉換數據到藍牙主控制接口HCI（Host Control Interface）的功能。
3 藍虎無(wú)線(xiàn)抄表傳感器的設計
基于上述無(wú)線(xiàn)傳感器結構模型給出的無(wú)線(xiàn)抄表傳感器的結構原理，如圖2所示。整個(gè)傳感器核心部件是實(shí)現數據采集的前端STIM部分和實(shí)現網(wǎng)絡(luò )接口的NCAP部分。STIM完成數據的采集和處理（濾波、校準等），NCAP完成傳感器的網(wǎng)絡(luò )接口，實(shí)現對PSTN電話(huà)互網(wǎng)連。STIM和NCAP之間用藍牙無(wú)線(xiàn)接口連接。STIM選用8位處理器實(shí)現，而NCAP的網(wǎng)絡(luò )接口通過(guò)8位的處理器和內嵌Modem的形式實(shí)現。
（1）NCAP部分硬件設計
抄表傳感器NCAP硬件部分選用的處理器、藍牙模塊和內置Modem分別是Winbond公司的W78E58處理器、Erricsson公司ROM 101 008系列藍牙模塊以及OKI公司的調制解調芯片MSM7512B。
圖3
（2）抄表傳感器NCAP部分軟件設計
抄表傳感器NCAP部分的軟件設計，主要是在單片機上完成兩部分功能的程序編制：一是初始化藍牙模塊，使抄表傳感器NCAP部分上主設備模塊和所有范圍內的從設備模塊建立連接；二是驅動(dòng)MSM7512B和MT8888C工作，實(shí)現與PSTN的連接。
①藍牙模塊初始化。參照008藍牙模塊的工作方式，即通過(guò)單片機向藍牙模塊發(fā)送HCI（Host Controler Interface）分組。HCI指令包括指令分組、數據分組和事件分組。具體格式為：操作碼+參數總長(cháng)+參數0+……+參數N。
如下給出主、從設備間實(shí)現ACL數據連接的HCI指令（字符對應相應指令的操作碼，由前10位和后6位兩部分組成，括弧內為該指令的參數）：從設備上電后實(shí)現查詢(xún)使能進(jìn)行復位Write_scan_enable(0x3)。主設備發(fā)送查詢(xún)HCI指令I(lǐng)nquiry(0x9c8b33,8,0)，假定從設備的地址為0x000000000000,則建立ACI連接的HCI指令為Creat_Connection (0x000000000000,0xcc18,0,0,0,0)。從設備接收連接請求指令為Accept_connection_request(0x111111111111,0)，假定主設備的地址為0x111111111111。這樣主從設備之間即建立了ACL數據連接。其中Inquiry對應的操作碼為：0x0001,0x01。具體指令參見(jiàn)藍牙規范。②初始化MSM7512B和MT8888C。首先使能MSM7512B，選擇模式1。值得注意的是，復位MT8888C時(shí)，必須將上電后延時(shí)100ms。具體復位方式參見(jiàn)MT8888C數據手冊。
/*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復位使能
TL1=0xFDH;TH1=0xFDH;TL2=0xFDH;TH2=0x00H;
RCAP2L=0xFAH;RCAP2H=0x00H;
/*初始值設置，設置串口1和串口2的波特率為9600bps*/
Init_008(); //初始化藍牙模塊
Reset_mt8888c();//復位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 ();//傳送監測記錄……}
（3）STIM的設計
大多數傳大吃一驚器的STIM部分設計相對簡(jiǎn)單，因為電表數據采集的功能比較單一。圖4為STIM數據采集部分的原理框圖。
硬件設計時(shí)，電表數據采集部分和傳統的有線(xiàn)方式一樣，只是硬件上增加了藍牙模塊作為和上層藍牙傳感器NCAP的無(wú)線(xiàn)接口。數據采集部分經(jīng)光電轉換后的數字脈沖接到單片機的計數器口，實(shí)現計數，然后將必要的電表數據量送至藍牙模塊。單片機遷移家長(cháng)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上完成數據采集的部分程序外，上電時(shí)還應該初媽嘩藍牙模塊，使模塊能夠在其有效范圍被搜索連接。數據采集部分程序主要是實(shí)現對計數器的計數，同時(shí)轉換成電表參量，然后徑藍牙模塊送到NCAP。
4 基于藍牙抄表傳感器的抄表系統
整個(gè)抄表系統結構示意如圖5所示。一個(gè)抄表傳感器STIM部分對應一個(gè)電表，多個(gè)STIM完成和一傳感器的NCAP無(wú)線(xiàn)連接。藍牙抄表傳感器NCAP部分的安放位置應根據具體住宅的情況進(jìn)行選擇要使其能采集到范圍內所有抄表傳感器STIM部分的電表數據。抄表傳感器STIM部分和安置于每一處的電表相接，同時(shí)須注意的是遠程抄表中心PC還應完成客戶(hù)端軟件開(kāi)發(fā)，實(shí)現數據接收。
本系統主要是針對電力系統進(jìn)行設計，但稍加發(fā)行后，即可廣泛應用到煤氣表、水表等其它家用數據的無(wú)線(xiàn)抄收。
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