藍牙無線抄表傳感器的設計

分類：技術教程日期：2009-06-08 11:29:01 來源：

摘要：基于IEEE1451標準和藍牙協議提出藍牙無線傳感器結構模型，并就具體的抄表系統完成藍牙傳感器的設計。該傳感器不僅實現了數據檢測和傳輸的無線化，同時也提供了數據傳輸的抗干擾性能。

關鍵詞：IEEE1451標準藍牙協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準。它提供了將傳感器和變送器連接到網絡的接口標準，主要用于實現傳感器的網絡化。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—網絡適配器NCAP（Network Capable Application Process）連接。如此，數據可以按網絡規定的協議接入網絡。該標準結構模型提供了一個連接智能變送器的接口模型STIM（Smart Transducer Interface Module）NCAP的10線標準接口—變送獨立接口TII（Transducer Independence Interface）。

圖1

采用上述IEEE1451標準實現傳感器網絡化的同時，無線通信技術被引入原有傳感器以實現無線化也是傳感器當前的研究熱點，是今后傳感器發展的一個重要方向。尤其隨著藍牙技術應用的失言以及其芯片價格的進一步下調，將藍牙技術引入傳感器以實現傳感器的無線化已成為可能。目前絕大多數抄表系統中的數據檢測和傳輸，主要是有線方式進行。本文將給出基于IEEE1451.2和藍牙協議的無線抄表傳感器的具體實現，以實現抄表系統的無線化。

1 藍牙技術

　　藍牙技術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線通信協議，是一種無線數據與語音通信的開放標準，目的是以無線的方式取代現有的有線接口。其優勢在于：具有很強的移植性，可應用于多種通信場合；硬件集成應用簡單，成本低廉，實現容易，而且易于推廣；藍牙功耗低，對人體危害小；采用擴頻跳頻技術，抗干擾能力強，增加了信息傳輸的安全性。藍牙系統支持點對點和一點對多點的通信。在一點對多瞇的連接方式中，多個藍牙單元共享一條信道，采用同一跳頻序列。各個藍牙設備構成的網絡稱為匹克網（Piconet）。匹克網中藍牙設備以主從方式實現通信。由于藍牙設備的物理尋址地址為3位，因此在同一時刻，匹克網最多只能激活8位設備（1主7從）；但不同時刻，多個匹克網可以構成一個可重疊的散射網絡結構。藍牙通信的有效半徑和其輸出的功率有關：當輸出功率是2類（2.5mW/4dB）時，通信范圍為15m；如果增加其功率到1類（4mW/20dB）時，就能使通信范圍達到100m。

2 基本標準和協議的傳感器結構模型

　　基于IEEE1451.5和藍牙協議的無線網絡化傳感器由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。采用無線的藍牙協議實現連接，類似于實現了一個無線的STIM和無線NCAP接收終端的模式。通過在原有的STIM和NCAP中嵌入了藍牙模塊，構成的無線NCAP和無線STIM，以點對多點在藍牙匹克網以主從方式實現相互通信。

　　與典型的有線方式相比，上述無線網絡模型增加了兩個藍牙模塊。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是一個控制鏈接到它的STIM的串行接口。因此，必須設計一個類似于TII接口的藍牙電路，構造一個專門的處理器來完成控制STIM和轉換數據到藍牙主控制接口HCI（Host Control Interface）的功能。

3 藍虎無線抄表傳感器的設計

　　基于上述無線傳感器結構模型給出的無線抄表傳感器的結構原理，如圖2所示。整個傳感器核心部件是實現數據采集的前端STIM部分和實現網絡接口的NCAP部分。STIM完成數據的采集和處理（濾波、校準等），NCAP完成傳感器的網絡接口，實現對PSTN電話互網連。STIM和NCAP之間用藍牙無線接口連接。STIM選用8位處理器實現，而NCAP的網絡接口通過8位的處理器和內嵌Modem的形式實現。

　　（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

　由于系統中藍牙模塊接口采用的是RS232串口，同時處理器和內置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系列藍牙模塊遵從藍牙1.1規范，是一個點對多點的通信模塊。該模塊可以同時和在其范圍內被連接的7個藍牙從設備實現數據傳輸。MSM7512B為OKI公司推出的FSK模式調制解調器芯片，通過設置引腳MOD2和MOD1選擇四種工作模式的一種。MT8888C作為DTMF接收器時，DTMF信號從IN+和IN-輸入，一旦信息被寫入到接收寄存器中，MT8888C將置位狀態豁口中接收寄存器滿標志位和IRQ/CP端電平來通知控制器準備接收數據；MT8888C作為DTMF發送器時，數據被寫入發送寄存器，經內部轉換合成DTMF信號從TONE端輸出。本處采用中斷方式檢測DTMF振鈴信號。圖3為藍牙抄表傳感器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MSM7512B和MT8888C工作，實現與PSTN的連接。

　　　①藍牙模塊初始化。參照008藍牙模塊的工作方式，即通過單片機向藍牙模塊發送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+參數0+……+參數N。

　　如下給出主、從設備間實現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）：從設備上電后實現查詢使能進行復位Write_scan_enable(0x3)。主設備發送查詢HCI指令Inquiry(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，必須將上電后延時100ms。具體復位方式參見MT8888C數據手冊。

如下給出單片機的初始化程序及外部中斷0的服務程序。

/*初始化程序*/

　　TCON=0x40H; //Timer1使能

　　TMOD=0x20H; //Timer1為定時器，8位自動重裝TH1到TL1

　　CKCON=0x30H;//Timer1和Timer2時鐘為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，電表數據采集部分和傳統的有線方式一樣，只是硬件上增加了藍牙模塊作為和上層藍牙傳感器NCAP的無線接口。數據采集部分經光電轉換后的數字脈沖接到單片機的計數器口，實現計數，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現對計數器的計數，同時轉換成電表參量，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

　　整個抄表系統結構示意如圖5所示。一個抄表傳感器STIM部分對應一個電表，多個STIM完成和一傳感器的NCAP無線連接。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，同時須注意的是遠程抄表中心PC還應完成客戶端軟件開發，實現數據接收。

　　本系統主要是針對電力系統進行設計，但稍加發行后，即可廣泛應用到煤氣表、水表等其它家用數據的無線抄收。

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