基于藍牙技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )化傳感器設計與實(shí)現

　　摘要：以傳感器接口標準IEEE1451. 2為基礎，介紹了無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化傳感器實(shí)現的一些具體技術(shù)要點(diǎn)，提出了一種基于藍牙協(xié)議的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化傳感器結構模型，并給出了基于該模型開(kāi)發(fā)的一個(gè)實(shí)驗室遠程測溫裝置的具體軟、硬件實(shí)現，最后探討了該裝置在病人遠程監護中的應用。

　　在測控系統中，傳感器作為信息采集必不可少的裝置，實(shí)現其網(wǎng)絡(luò )化是當前的熱點(diǎn)研究問(wèn)題。當前大多數測控系統中，傳感器多是采用有線(xiàn)方式，但是在一些特殊情況下，有線(xiàn)線(xiàn)纜連接顯然會(huì )造成很多不便，不能夠滿(mǎn)足現實(shí)需要。隨著(zhù)新興無(wú)線(xiàn)技術(shù)（如藍牙技術(shù)）的發(fā)展以及其芯片價(jià)格的降低，無(wú)線(xiàn)方式在很多場(chǎng)合都得到應用以取代原有的有線(xiàn)接口方式。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化傳感器勢必成為傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向。筆者在介紹IEEE1451. 2和藍牙技術(shù)的基礎上，提出了一種基于藍牙協(xié)議的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化傳感器結構模型，并著(zhù)重討論基于該模型開(kāi)發(fā)的模擬實(shí)驗裝置的實(shí)現及其在病人遠程監護中的應用。

1　基于IEEE1451. 2和藍牙協(xié)議的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化傳感器

　　1. 1　IEEE1451. 2標準

　　IEEE1451. 2作為智能傳感器接口模塊標準，它提供了將傳感器和變送器實(shí)現網(wǎng)絡(luò )化的接口標準，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 ap2p lication p rocess）連接，如此，數據可以按網(wǎng)絡(luò )規定的協(xié)議連接入網(wǎng)絡(luò )。該標準的結構模型提供了一個(gè)連接智能變送器接口模型（ STIM， smart transducer interfacemodule）和NCAP的10線(xiàn)標準接口———變送獨立接口（TII， transducer independence interface） 。其工作流程是敏感元件輸出的模擬信號經(jīng)A /D轉換及相應數據處理（濾波、校準）后，由網(wǎng)絡(luò )處理裝置根據程序設定和網(wǎng)絡(luò )協(xié)議（TCP / IP）將其封裝成數據幀，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口傳到網(wǎng)絡(luò )上。

　　1. 2　藍牙技術(shù)

　　藍牙技術(shù)作為一種新的短距離無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，提供了一種無(wú)線(xiàn)數據與語(yǔ)音通信的開(kāi)放標準，它具有許多特有的優(yōu)勢：很強的移植性，可應用于多種通信場(chǎng)合;硬件集成電路應用簡(jiǎn)單，成本低廉，實(shí)現容易，且易于推廣;藍牙功耗低，對人體危害小;藍牙采用擴頻跳頻技術(shù)，抗干擾能力強，增加了信息傳輸的安全性。藍牙技術(shù)正以其特有的優(yōu)勢引起許多專(zhuān)家學(xué)者的廣泛關(guān)注。

　　1. 3　傳感器結構模型

　　基于IEEE1451. 2的有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化傳感器結構模型包含STIM、TII和NCAP 三部分。而本設計的基于IEEE1451. 2和藍牙協(xié)議的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化傳感器，采用藍牙模塊替代TII實(shí)現無(wú)線(xiàn)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，它們以點(diǎn)對多點(diǎn)方式在藍牙匹克網(wǎng)以主從方式實(shí)現相互通信。

　　STIM通過(guò)無(wú)線(xiàn)的NCAP接入以太網(wǎng)（ Ethernet）或In2ternet，同時(shí)NCAP通過(guò)分配的IP地址與網(wǎng)絡(luò )相連，如圖1所示。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。硬件實(shí)現上可以采用接口模塊，軟件實(shí)現上可以采用標準的STIM軟件模塊： STIM 模塊、STIM 傳感器接口模塊、TII模塊、TEDS模塊以及地址和函數模塊。

2　模擬實(shí)驗裝置的實(shí)現

　　下面以實(shí)驗室開(kāi)發(fā)的模擬裝置為例來(lái)說(shuō)明該傳感器的實(shí)現。該裝置的結構框圖如圖2所示，利用前端無(wú)線(xiàn)STIM中的MCU 定時(shí)采集溫度傳感器中的溫度值，經(jīng)藍牙無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )將數據傳送至NCAP。NCAP將存放于特定的位置，當有瀏覽器要查看該數值時(shí)，將該數值嵌入到相應的網(wǎng)頁(yè)程序中，并對整段程序進(jìn)行TCP /IP封裝處理，傳送到客戶(hù)端的瀏覽器上。

　　2. 1　STIM的實(shí)現

　　STIM中MCU 采用的是AD 公司的微轉換芯片ADμC812。該芯片內有一個(gè)8052兼容的微處理器，遵從IEEE1451. 2標準，利用芯片ADμC812內部的640 B的數據存儲器作為可重復寫(xiě)的TEDS存儲，利用內部的一個(gè)通道12位的ADC實(shí)現A /D轉換以及通過(guò)芯片內的UART串行口實(shí)現與藍牙模塊的通信。藍牙模塊選用的是支持點(diǎn)對多點(diǎn)的愛(ài)立信ROK 101 008 系列，同時(shí)該模塊自帶射頻微帶天線(xiàn)。ROK 101 008 藍牙模塊內部結構遵從藍牙規范1. 1，其內部基帶控制器同樣提供了UART接口。藍牙模塊內部提供了主機控制器接口（HCI）來(lái)實(shí)現對藍牙硬件訪(fǎng)問(wèn)的統一接口，結合RS232串口就可以實(shí)現主控制器和主機之間在傳輸層上的數據通信，基帶和射頻則提供了上層的鏈接和服務(wù)。同時(shí)，ADμC812還應完成對溫度傳感器的初始化、數據采集和處理。

　?。?）溫度傳感器DS18B20接口和驅動(dòng)。

　　溫度傳感器選用的是DS18B20， 該溫度芯片是DALLAS公司生產(chǎn)的一線(xiàn)式數字溫度傳感器，主要由4部分組成： 64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。ROM中的64位序列號是該DS18B20 的地址序列碼， ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現一根總線(xiàn)上掛接多個(gè)DS18B20 的目的。主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經(jīng)過(guò)3個(gè)步驟：初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令。其工作流程是： 初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數據傳輸，工作時(shí)序包括初始化時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序和讀時(shí)序。操作時(shí)必須先啟動(dòng)DS18B20開(kāi)始轉換，再讀出溫度轉換值。其硬件接口如圖3所示。

　?。?）藍牙模塊ROK 101 008初始化。

　　藍牙模塊上電即讓其完成初始化工作，使其能與信號范圍內藍牙建立連接通道。這一過(guò)程主要通過(guò)單片機MCU對藍牙模塊發(fā)送HC I指令完成。HCI指令包括指令分組，數據分組和事件分組，具體的格式為： 操作碼+參數總長(cháng)+參數0 +.。.參數N 。

　　下面給出主從設備間實(shí)現ACL數據連接的HCI指令（字符對應指令的操作碼，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 （ 0x03 ） 。主設備發(fā)送查詢(xún)HC I指令I(lǐng)nquiry（0x9c8b33， 8， 0） ，假定從設備地址為0x00000000000，則建立ACL 連接的HC I指令為Creat_Connection （0x000000000000， 0x18， 0， 0， 0， 0） ，從設備接收連接請求指令為Accep t_connection _ request（ 0x111111111111， 0 ） ， 假定主設備地址為0x111111111111。這樣主從設備之間就建立了ACL數據連接。如Inquiry對應操作碼為x0001， 0x01。具體的HCI指令參見(jiàn)藍牙規范。

　　2. 2　NCAP的實(shí)現

　　NCAP的功能為實(shí)現藍牙模塊對以太網(wǎng)（ Ether2net）的接入，同樣選用ROK 101 008系列藍牙模塊，如此可以實(shí)現多個(gè)STIM對同一NCAP的連接。采用8位微處理器W77E58 和TCP / IP協(xié)議棧芯片W3100A一起實(shí)現對以太網(wǎng)（ Ethernet）的接入的網(wǎng)絡(luò )化接口。

　?。?）協(xié)議棧芯片W3100A初始化。

　　W3100A是一TCP / IP協(xié)議棧芯片，包含的各協(xié)議層有： TCP、IP、UDP、ICMP和以太網(wǎng)協(xié)議的數據鏈路DLC和MAC 協(xié)議， 其工作方式類(lèi)似于Windows的Soket AP I，為便于實(shí)現對傳感器的訪(fǎng)問(wèn)，可以將傳感器設計為具有Web服務(wù)器功能。W3100A 支持全雙工模式，內部帶有雙口的SRAM數據緩沖區，其封裝是64腳的LQFP，提供了并口和串口兩種方式實(shí)現與MCU的通信。MCU和W3100A的硬件接口如圖4所示。其中， RTL8201 芯片為以太網(wǎng)物理層選用設備。

　　W3100A提供M II接口與RTL8201 相連， 其中引腳RX_CLK， RXDV， RXD ［ 0∶3 ］以及COL用于數據的接收，而TX_CLK， TXE， TXD ［ 0 ∶3 ］用于數據的發(fā)送。

　　MCU中提供模擬的I2 C接口與W3100A 通信。

　　芯片W3100A正常工作必須對其完成相應的初始化。初始化主要是對必要的寄存器進(jìn)行相應的設置，這些寄存器包括： 網(wǎng)關(guān)地址寄存器GAR、子網(wǎng)掩碼寄存器SMR、硬件地址寄存器SHAR以及IP地址寄存器SIPR等。上述寄存器被設置后通過(guò)執行控制寄存器CR的0位Sys_init激活芯片。

　?。?）WEB服務(wù)功能實(shí)現。

　　協(xié)議棧芯片W3100A從硬件上實(shí)現了TCP / IP協(xié)議，因此將該裝置集成Web服務(wù)功能顯然比較容易，即在無(wú)線(xiàn)NCAP上應實(shí)現相應的HTTP協(xié)議，NCAP在網(wǎng)絡(luò )功能上相當于“網(wǎng)關(guān)”。要實(shí)現遠程瀏覽器與傳感器交互， 可以利用傳感器NCAP 中增加了的E2 PROM （ FM24C04 ） 來(lái)存儲相應的網(wǎng)頁(yè)文件。交互時(shí)， HTTP通過(guò)統一資源定位器URL （ uniform resourcelocator）來(lái)確定傳感器應該為瀏覽器提供哪些資源。

　　網(wǎng)頁(yè)文件存放在傳感器中的FM24C04里。當監測中心的瀏覽器發(fā)出頁(yè)面請求時(shí)， NCAP 上的處理器在TCP打包的時(shí)候，把來(lái)自STIM端的監測值嵌入到相應的網(wǎng)頁(yè)文件中的特殊標志處，再為該網(wǎng)頁(yè)文件添加相應的HTTP頭，返回給請求的用戶(hù)，如此用戶(hù)可以在瀏覽器上看到實(shí)際的監測值。因此要實(shí)現Web功能，軟件上要在NCAP上完成HTTP協(xié)議，硬件上增加了一塊E2 PROM （ FM24C04） 。

3　模擬裝置在病人監護系統中的應用

　　將上述網(wǎng)絡(luò )化傳感器（實(shí)驗裝置）用于病人監護中，病人就可以在異地（如家里）通過(guò)其身上攜帶的傳感器來(lái)采集和檢測某一信號，同時(shí)該傳感器將信號通過(guò)Ethernet或Internet傳送到監測中心。病人遠程監護系統結構示意圖如圖5所示。

　　利用模擬裝置中的WEB 功能，本方案采用B /S（瀏覽器/服務(wù)器）方式實(shí)現遠程監測中心PC機對傳感器的訪(fǎng)問(wèn)。如此可以最大程度地降低監測中心PC機的要求，也免去客戶(hù)端軟件的設計。監測PC只要通過(guò)其瀏覽器（如IE）即可方便實(shí)現對傳感器的信息進(jìn)行查詢(xún)和監測。下面為存儲在溫度傳感器中的一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)程序，其中的“@”用來(lái)在網(wǎng)頁(yè)中插入溫度的標志，網(wǎng)頁(yè)文件存放在傳感器中的E2 PROM里。當監測中心的瀏覽器發(fā)出頁(yè)面請求時(shí)， NCAP上的處理器在TCP打包的時(shí)候，把來(lái)自STIM端的監測值嵌入到相應的網(wǎng)頁(yè)文件中的“@”處，再為該網(wǎng)頁(yè)文件添加相應的HTTP頭，返回給請求的用戶(hù)，如此用戶(hù)可以在瀏覽器上看到實(shí)際的監測值。

　　 TITLE >實(shí)時(shí)溫度監視 /TITLE >

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　　 center >病人現在的溫度是： font size = + 2 color = #FF99FF > @ / font > / center >

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4　結束語(yǔ)

　　筆者提出的基于藍牙協(xié)議的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )化傳感器設計，信息傳輸安全可靠，可行性強。其無(wú)線(xiàn)的特殊優(yōu)勢，能夠滿(mǎn)足某些特殊情況的需要，具有廣闊的應用前景和良好的市場(chǎng)價(jià)值。開(kāi)發(fā)的模擬實(shí)驗裝置如再進(jìn)一步通過(guò)臨床驗證與完善，即可用于病人遠程監護系統實(shí)現人體體溫的實(shí)時(shí)檢測、監護、記錄和儲存。如在此基礎上增加血壓、心率等傳感器之后，即可實(shí)現對人體的血壓、心率等實(shí)施監護與記錄處理。