專利名稱：一種基于藍(lán)牙通信協(xié)議的藍(lán)牙無線傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及自動控制領(lǐng)域，具體說是一種基于藍(lán)牙通信協(xié)議的藍(lán)牙無線傳感器，屬于用在工業(yè)現(xiàn)場控制的可執(zhí)行無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)默F(xiàn)場信號采集設(shè)備。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場，包括各種傳感器、控制器、儀器、儀表等設(shè)備，其相互間的數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)采集均采用有線進行通訊。如果現(xiàn)場設(shè)備較多，那么連接的電纜也將成比例增長。日積月累，越來越多的線纜星羅棋布，給工業(yè)現(xiàn)場的操作造成極大的不便。而且，極易造成工業(yè)現(xiàn)場事故的發(fā)生。其次，工業(yè)現(xiàn)場存在大量的臨時的設(shè)備組接。傳感器、儀表，甚至控制網(wǎng)絡(luò)都有可能僅需臨時建立，用后即拆除。這樣，對于這些臨時性的設(shè)備通訊，傳統(tǒng)的有線連接顯得十分的不方便。另外，對于大型機器智能設(shè)備內(nèi)部存在著各種傳感器、執(zhí)行器部件，各部件之間的協(xié)調(diào)控制仍然需要有線線纜進行通訊。不僅占用一定的空間，而且給機器的布局造成很大的麻煩。
綜上所述，業(yè)界急需一種新型的數(shù)據(jù)傳輸方式，用以滿足工業(yè)現(xiàn)場通信靈活、快速、方便的需求。
近幾年無線技術(shù)蓬勃發(fā)展，已經(jīng)延伸到不同的應(yīng)用領(lǐng)域，商用、民用、工業(yè)都有著廣泛的需求。特別的有三種主流的無線技術(shù)無線局域網(wǎng)(WLAN)、家庭無線網(wǎng)(HomeRFHome Radio RF)、專有無線技術(shù)等得到廣闊的應(yīng)用。三種技術(shù)各有千秋，分別適應(yīng)不同的應(yīng)用場合。
無線局域網(wǎng)最早發(fā)展的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，IEEE 802.11規(guī)范，通訊距離較長(一般可達(dá)到300m)，速率高(802.11b11Mbps，802.11a24-54Mbps)，同以太網(wǎng)無縫集成，一般適宜于大容量、高速、遠(yuǎn)距離、大范圍、多設(shè)備通訊的場合。缺點是設(shè)備較為昂貴，功耗高，目前主要應(yīng)用在無線數(shù)據(jù)通訊，企業(yè)局域網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。
HomeRF網(wǎng)絡(luò)由HomeRF工作組負(fù)責(zé)開發(fā)，傳輸?shù)乃俾屎头秶^802.11低，定位于家庭設(shè)備的無線連接。HomeRF開發(fā)的初期得到很多大公司的支持，但近年來，由于HomeRF標(biāo)準(zhǔn)沒有完全公開以及抗干擾等問題沒有解決，再加上藍(lán)牙的異軍突起，發(fā)展得并不十分如意，一些大公司已經(jīng)宣布退出HomeRF陣營，轉(zhuǎn)而支持其他無線技術(shù)。因此，發(fā)展前景不十分看好。
專有的無線技術(shù)為解決一些問題，國際上一些企業(yè)開發(fā)了專用的無線解決方案。這些方案使用專門的通訊協(xié)議，雖然有其獨特的優(yōu)勢，但價格較為昂貴。而且由于使用了專有的通訊協(xié)議，不同廠家的設(shè)備不能相互通訊，因而對于用戶后期的設(shè)備更新、調(diào)換、維護造成了很大的麻煩。
上述無線通訊技術(shù)滿足無線通訊領(lǐng)域的一些需求，但各自的缺陷又限制了其自身應(yīng)用的發(fā)展。另一種無線通訊技術(shù)“藍(lán)牙”彌補了上述的不足。藍(lán)牙技術(shù)是一種基于開放的、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的無線解決方案(IEEE已經(jīng)通過了802.15藍(lán)牙協(xié)議標(biāo)準(zhǔn))。不同廠商的設(shè)備可以無縫的集成在一起，相互進行通信。藍(lán)牙技術(shù)使用2.4GHz的ISM(Industrial，Scientific，and Medical)頻段，無需許可證(Licence)，給廠商生產(chǎn)、銷售藍(lán)牙設(shè)備以極大的便利條件。而且集成了藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備體積小、功耗低、價格便宜，適合于工業(yè)設(shè)備的成本控制和運行開銷，從而滿足大量產(chǎn)品應(yīng)用的需求。
由于藍(lán)牙技術(shù)的特點及優(yōu)點，藍(lán)牙無線傳感器的開發(fā)就體現(xiàn)了其無線的智能化的優(yōu)越性。但在目前，成功地應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的藍(lán)牙無線傳感器的相關(guān)報道尚未見報道。
實用新型內(nèi)容為了克服傳統(tǒng)的、布滿了千頭萬緒的電纜線構(gòu)成的控制系統(tǒng)與改組時帶來的令人頭痛的缺陷，本實用新型的目的是提供了一種基于藍(lán)牙通信協(xié)議的藍(lán)牙無線傳感器，以替代傳統(tǒng)傳感器而構(gòu)成無線控制系統(tǒng)的解決方案，取消設(shè)備間密密麻麻的連線。
為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術(shù)方案如下本實用新型作為微網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的一個單元，同上位機一起組成系統(tǒng)，主要包括藍(lán)牙無線模塊、傳感器模塊，其中1)藍(lán)牙無線模塊藍(lán)牙無線模塊通過其內(nèi)部的微控制器運行藍(lán)牙無線通信協(xié)議，提供藍(lán)牙查詢、匹配、連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，并通過建立無線鏈路與其它藍(lán)牙設(shè)備構(gòu)成藍(lán)牙微網(wǎng)，同上位機實現(xiàn)相互通信的能力；2)傳感器模塊傳感器模塊，通過內(nèi)部集成電路總線接口同藍(lán)牙無線模塊相連，完成現(xiàn)場信號數(shù)據(jù)的采集。
其中所述藍(lán)牙無線模塊包括1)射頻單元射頻單元(RFRadio Frequence)包括發(fā)射器(Transmitter)、接收器(Receiver)、高頻電路(HFCHigh Frequency Circuit)、天線(Antenna)部分，主要用于接收基帶單元數(shù)據(jù)，無線頻段和信道的分配，以及無線信號的發(fā)射和接收；2)基帶單元基帶單元為藍(lán)牙無線通信協(xié)議的鏈路控制單元，接收來自微控制器的信號和數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后發(fā)送給射頻單元，其包括基帶協(xié)議和其它底層鏈路規(guī)程，常用于物理信道、物理鏈路的控制與分組；3)微控制器微控制器通過內(nèi)部集成電路總線接口與傳感器模塊相連，用于執(zhí)行藍(lán)牙無線通信協(xié)議以及傳感器控制程序；4)存儲器存儲器(Memory)，包括閃存和隨機存儲器，通過系統(tǒng)內(nèi)部總線與微控制器相連，其中前者以固件的形式，存放藍(lán)牙無線通信協(xié)議和控制程序，后者進行實際程序代碼的執(zhí)行，并且通過運行藍(lán)牙無線通信協(xié)議同上位機進行通信；5)I/O單元包括作為藍(lán)牙無線模塊(BM)同傳感器模塊(SM)連接接口的內(nèi)部集成電路總線(I2C)接口，用于實現(xiàn)程序固件下載的串行設(shè)備接口(SPI)，用于實現(xiàn)控制程序調(diào)試的通用異步收發(fā)(UART)，用于實現(xiàn)指示藍(lán)牙無線傳感器的狀態(tài)和接收用戶觸發(fā)操作的可編程輸入/輸出(PIO)。
所述傳感器模塊(Sensor Module)通過標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部集成電路總線接口同藍(lán)牙無線模塊中的微處理器相連，用于完成現(xiàn)場信號的采集；傳感器模塊可以通過其自身的尋址寄存器(Address Register)進行尋址；傳感器模塊采集的數(shù)據(jù)最終經(jīng)藍(lán)牙無線模塊處理、轉(zhuǎn)換，再發(fā)送到上位機進行進一步處理；控制程序通過設(shè)置傳感器模塊相關(guān)寄存器值，完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的控制、告警、范圍限定等功能；另外，可以由1～7個本實用新型藍(lán)牙無線傳感器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)。
本實用新型是用來完成過程自動化或制造自動化領(lǐng)域中現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制的藍(lán)牙無線傳感器設(shè)備。其核心技術(shù)——藍(lán)牙無線通信協(xié)議，以v1.1標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，結(jié)合多種模擬信號的采集技術(shù)，是適用于工業(yè)現(xiàn)場控制的擁有開放的無線藍(lán)牙通信協(xié)議無線藍(lán)牙傳感設(shè)備。它具有如下優(yōu)點1)可應(yīng)用性本藍(lán)牙無線傳感器可以應(yīng)用于化工、石化、制藥、冶金、采礦、電力、食品加工、能源、數(shù)控系統(tǒng)等行業(yè)的自動化控制領(lǐng)域。
2)無線性本實用新型應(yīng)用的藍(lán)牙技術(shù)最初是以取消連接各種電器之間的連線為目標(biāo)的。藍(lán)牙技術(shù)主要面向網(wǎng)絡(luò)中的各種數(shù)據(jù)及語音設(shè)備，如PC、撥號網(wǎng)絡(luò)、筆記本電腦、PDA、打印機、傳真機、數(shù)碼相機、移動電話、高品質(zhì)耳機等。本藍(lán)牙無線傳感器通過無線的方式將多個無線藍(lán)牙設(shè)備連成一個圍繞無線的網(wǎng)絡(luò)，省去了用戶接線的煩惱，在各種便攜設(shè)備之間實現(xiàn)無縫的資源共享。
3)開放性本實用新型應(yīng)用的藍(lán)牙無線技術(shù)具有與生俱來的開放性賦予了藍(lán)牙強大的生命力。從它誕生之日起，藍(lán)牙就是一個由廠商們自己發(fā)起的技術(shù)協(xié)議，完全公開，而并非某一家獨有和保密，只要是SIG的成員，都有權(quán)無償使用藍(lán)牙的新技術(shù)，而且藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制訂后，任何廠商都可以無償?shù)啬脕砩a(chǎn)產(chǎn)品，只要產(chǎn)品通過SIG組織的測試并符合藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)后，品牌即可投入市場。因此，本無線藍(lán)牙產(chǎn)品具有較強的開放性。
4)互操作性和兼容性本實用新型符合藍(lán)牙規(guī)范的要求，保證了同不同廠商的藍(lán)牙產(chǎn)品進行通信的能力，本藍(lán)牙無線傳感器可以實現(xiàn)與其它廠家的藍(lán)牙產(chǎn)品進行互操作和數(shù)據(jù)共享，完全達(dá)到了兼容藍(lán)牙無線通信協(xié)議的要求。
5)抗干擾性本實用新型所使用的藍(lán)牙無線傳輸技術(shù)相對于無線局域網(wǎng)技術(shù)(IEEE802.11)同處于無許可證的全球通用的2.4GHz ISM(即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻段，但由于藍(lán)牙無線模塊設(shè)計了快速跳頻及前向糾錯方案以保證鏈路穩(wěn)定和傳輸可靠，使得本實用新型具有很強的的抗干擾能力。因此，本實用新型可以在一定范圍內(nèi)同無線局域網(wǎng)技術(shù)共存。
6)安全性本實用新型的輸出功率小于10mW，是微波爐輸出功率的十萬分之一，也僅僅是移動電話功率的一小部分，而且，這些輸出中只有一小部分被人體吸收。因此，本實用新型不存在一般高頻無線傳輸?shù)妮椛鋯栴}，也不會妨礙現(xiàn)場工作人員的身體健康，是安全的現(xiàn)場設(shè)備。
由于本實用新型有以上特點，特別是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化和無線藍(lán)牙技術(shù)的使用，使控制系統(tǒng)從設(shè)備安裝到正常運行及其檢修維護，都體現(xiàn)出優(yōu)越性。如1)節(jié)省安裝費用。由于采用了無線藍(lán)牙技術(shù)，一個無線藍(lán)牙發(fā)射模塊可以覆蓋直徑10米(加裝功率放大器后可以到達(dá)100米)內(nèi)的所有現(xiàn)場設(shè)備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設(shè)備與接頭校對的工作量也大大減少。當(dāng)需要增加現(xiàn)場設(shè)備時，無需增設(shè)新的電纜，即可直接使用，既節(jié)省了投資，也減少了設(shè)計、安裝的工作量。
2)節(jié)省維護開銷。由于本實用新型采用了帶有智能傳感器單元的傳感器模塊，具有自診斷與高溫溫度報警的能力，并通過數(shù)字無線通訊將相關(guān)的報警信息送往其它藍(lán)牙接收設(shè)備，用戶可以查詢所有設(shè)備的運行情況，以便早期分析故障原因并快速排除，縮短了維護停工時間；同時由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡化，減少連線而減少了維護工作量。
3)提高了系統(tǒng)的安全性，本藍(lán)牙無線傳感器具有匹配認(rèn)證機制，認(rèn)證采用口令應(yīng)答方式進行。在連接過程中往往需要一兩次認(rèn)證。為了確保通信安全，通過認(rèn)證之后，可以允許用戶自行增添可信任的“藍(lán)牙”技術(shù)設(shè)備。本藍(lán)牙無線傳感器采用安全加密方式，是為了給本產(chǎn)品提供適當(dāng)級別的安全保護。但是，如果用戶的通信很重要，對于通信有著更高的安全要求，那么，其本藍(lán)牙無線傳感器就不必局限于單獨的匹配認(rèn)證機制，還可以采用更高級別的應(yīng)用層安全機制，以確?；凇八{(lán)牙”技術(shù)無線傳感器的通信更加安全可靠。
4)提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與可靠性。由于本實用新型的智能化、數(shù)字化，與模擬信號相比，它從根本上提高了測量與控制的精確度，減少了傳送誤差；同時由于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡化和無線藍(lán)牙技術(shù)的使用，設(shè)備與連線減少，傳感器內(nèi)部功能加強，減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。
5)易于管理、監(jiān)控。采用本實用新型模擬的傳感器和微微網(wǎng)的無縫集成，現(xiàn)場數(shù)據(jù)的傳輸沒有方向上的限制，可以從各個角度進行測控數(shù)據(jù)的傳輸；可以應(yīng)用于移動設(shè)備；可以實現(xiàn)多個測控儀器設(shè)備間的聯(lián)網(wǎng)，便于進行集中測控；利用現(xiàn)有的藍(lán)牙網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以將采集到的信息連接到以太網(wǎng)中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。


圖1是由本實用新型藍(lán)牙無線傳感器組成的微網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)圖。
圖2是本實用新型藍(lán)牙無線傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖。
圖3是本實用新型藍(lán)牙無線傳感器硬件原理圖。
圖4是本實用新型藍(lán)牙無線傳感器軟件結(jié)構(gòu)圖。
圖5是本實用新型藍(lán)牙無線傳感器控制程序流程圖。
圖6是本實用新型藍(lán)牙無線傳感器軟件層次數(shù)據(jù)流程圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳細(xì)說明。
如圖1由藍(lán)牙無線傳感器構(gòu)成的微網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖所示，本實用新型藍(lán)牙無線傳感器可以同任何其它符合藍(lán)牙通信規(guī)范的藍(lán)牙設(shè)備組成微網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，可以最多7個藍(lán)牙無線傳感器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)(可動態(tài)變化)，并且同上位機一起組成系統(tǒng)，進行現(xiàn)場信號的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備監(jiān)控。
其中，藍(lán)牙無線傳感器主要包括兩大模塊傳感器模塊SM和藍(lán)牙無線模塊BM。前者主要用于進行現(xiàn)場信號的數(shù)據(jù)采集，將現(xiàn)場信號的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并完成數(shù)字量的變換和存儲。后者運行藍(lán)牙無線通信協(xié)議，使得傳感器設(shè)備滿足藍(lán)牙無線通信協(xié)議規(guī)范，并將現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙無線通信傳送到其它藍(lán)牙設(shè)備當(dāng)中。兩模塊的任務(wù)調(diào)度、相互間的通信，以及同上位機通信的流程由控制程序控制完成?？刂瞥绦虬环N調(diào)度機制，并通過消息傳遞的方式完成模塊間的數(shù)據(jù)傳遞以及同其它藍(lán)牙設(shè)備的通信，從而完成整個藍(lán)牙無線系統(tǒng)的功能。
藍(lán)牙無線傳感器可以作為工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的一部分同本圖中的上位機一起構(gòu)成完整的系統(tǒng)。其中上位機并不依賴于特定的設(shè)備，可以是計算機軟件組成的系統(tǒng)也可以是獨立的嵌入式藍(lán)牙設(shè)備，本實用新型藍(lán)牙無線傳感器可以同滿足了藍(lán)牙傳感器規(guī)范Bluetooth Sensor Profile的任何其它藍(lán)牙設(shè)備相互進行通信。本實施例為計算機組成的系統(tǒng)，該系統(tǒng)運行藍(lán)牙傳感器網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序(Bluetooth Sensor Gateway App)。此時，藍(lán)牙無線傳感器作為現(xiàn)場總線HSE(High Speed Ethernet)網(wǎng)絡(luò)的無線I/O設(shè)備存在。網(wǎng)關(guān)應(yīng)用Bluetooth Sensor Gateway App通過藍(lán)牙無線通信將現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集上來，并經(jīng)過HSE協(xié)議的進一步轉(zhuǎn)換、封裝，最后傳遞到工業(yè)以太網(wǎng)中的其它設(shè)備。其中HSE是高速以太網(wǎng)的簡稱，是現(xiàn)場總線關(guān)于工業(yè)以太網(wǎng)的一種通信協(xié)議，常用于自動化流程控制。
如圖2藍(lán)牙無線傳感器硬件結(jié)構(gòu)圖所示，表示了藍(lán)牙無線傳感器內(nèi)部的硬件組成。其中基帶單元BB和射頻單元RF構(gòu)成了藍(lán)牙無線傳感器的無線發(fā)射部件，完成信道分配、鏈路創(chuàng)建、控制數(shù)據(jù)分組等功能。最后，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成無線信號通過天線發(fā)射出去；基帶單元BB，為藍(lán)牙無線通信協(xié)議的鏈路控制單元，接收來自微控制器MCU的信號和數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后發(fā)送給射頻單元RF；微控制器MCU，通過其內(nèi)部集成電路總線I2C與傳感器模塊SM相連，用于執(zhí)行藍(lán)牙無線通信協(xié)議以及傳感器控制程序；傳感器模塊SM采用數(shù)字采集芯片AD7416，包括A/D轉(zhuǎn)換、存儲寄存器、通信I/O等部件，并通過標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)部集成電路總線接口I2C與系統(tǒng)相連。傳感器模塊SM完成系統(tǒng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集功能。
現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和無線通信由控制程序進行控制，控制程序存儲于閃存Flash中，系統(tǒng)加電啟動時傳輸?shù)诫S機存儲器RAM中，并在微控制器MCU的控制下運行。微控制器MCU相當(dāng)于計算機的中央處理器，連接系統(tǒng)的各部件，完成系統(tǒng)的控制、運算、通信等功能，并負(fù)責(zé)調(diào)度系統(tǒng)的執(zhí)行。
此外，藍(lán)牙無線傳感器還包括了一些外部通信接口組件，如串行設(shè)備接口SPI、可編程輸入/輸出PIO、通用異步收發(fā)UART、內(nèi)部集成電路總線接口I2C等，在本系統(tǒng)中分別用于完成程序下載、狀態(tài)指示和用戶操作接口、程序調(diào)試、模塊間通信等功能。這些組件連接到微控制器MCU的系統(tǒng)總線接口。
如圖3藍(lán)牙無線傳感器硬件原理圖所示，本實用新型的硬件部分是以藍(lán)牙無線模塊BM為核心，添加多種外圍接口和傳感器模塊SM以及電源模塊等外圍電路組接而成的無線設(shè)備，能夠兼容藍(lán)牙集成開發(fā)環(huán)境下載，調(diào)試以及固化程序等需求。由于其置有多種通信接口，因此可由多種方式同上位機進行通訊，結(jié)構(gòu)較為靈活，調(diào)試也較為方便，最終完成溫度采集的功能，并通過藍(lán)牙無線模塊BM將采集來的溫度信號以無線的方式發(fā)射到其它藍(lán)牙設(shè)備，以供其監(jiān)控和采集現(xiàn)場的溫度信號。與上位機一起構(gòu)成無線接入系統(tǒng)。可方便靈活地適用與許多無法鋪設(shè)電纜或很難鋪設(shè)電纜的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境。
本實用新型采用現(xiàn)場較多的+24v電源作為外部電源(支持18-36v電壓)。此電源經(jīng)過DC-DC模塊，將外部的24v電源轉(zhuǎn)換成為+5v電源。此電源經(jīng)過一次濾波后傳給另外第一～三低壓差穩(wěn)壓器W1、W2、W3，+5v電源穩(wěn)到3.3v左右以供板上各個器件和藍(lán)牙無線模塊BM供電，由于考慮到各部分電路之間的隔離，以達(dá)到抗干擾的目的，因此采用了三個穩(wěn)壓芯片，輸出三個3.3v左右的電源+3.15vm，+3.15_RADIO，+3.15_PA；其中+3.15vm是藍(lán)牙無線模塊BM除外的供電電源，而+3.15_RADIO和+3.15_PA則是專門給藍(lán)牙無線模塊BM內(nèi)部的發(fā)射電路和功率放大器提供電源支持的。
串行設(shè)備接口SPI作為程序的下載接口擁有收發(fā)信號線SPI_MOSI，SPI_MISO，片選信號線SPI_CSB，時鐘同步信號線SPI_CLK。此四根線通過板上的接口同上位機的并口相連，將上位機已經(jīng)編譯好的可執(zhí)行代碼通過此通路下載到(經(jīng)第一接口驅(qū)動部件U1)藍(lán)牙無線模塊BM的微控制器MCU中去。
通用異步收發(fā)UART采用9針D型插座作為其物理接口，以此作為本實用新型同上位機的通訊接口。在已下載程序運行時，上位機可通過此接口對藍(lán)牙無線模塊BM內(nèi)的微控制器MCU中的寄存器進行訪問。這樣，在程序調(diào)試時就可以實時地對系統(tǒng)的狀態(tài)進行監(jiān)控和調(diào)整。本實用新型采用MAX3232芯片作為串行接口部件U3。通過此芯片將藍(lán)牙無線模塊BM內(nèi)的微控制器MCU上的通用異步收發(fā)UART引腳接線引出。參見圖3，微控制器MCU上的通用異步收發(fā)UART共有4根UART_TX，UART_RX，UART_RTS，UART_CTS，這4條線分別與第二接口驅(qū)動部件U3上的RS232_TX，RS232_RX，RS232_RTS，RS232_CTS相連接，將微控制器MCU上的通用異步收發(fā)信號轉(zhuǎn)為符合RS232標(biāo)準(zhǔn)的差分信號，本實用新型就是通過這種物理轉(zhuǎn)接方式來實現(xiàn)開發(fā)板同上位機或其它物理設(shè)備之間的通訊或擴展連接。
本實用新型傳感器模塊SM選用AD7416芯片，為美國模擬器件公司(ADI)出品的單片溫度監(jiān)控系統(tǒng)集成電路。其片內(nèi)寄存器可以設(shè)置高/低的溫度門限；可以通過I2C接口對內(nèi)部寄存器進行讀/寫。其內(nèi)部包括帶隙溫度傳感器和10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可將感應(yīng)溫度轉(zhuǎn)換為0.25℃量化間隔的數(shù)字信號，與用戶設(shè)置的溫度點進行比較。片內(nèi)寄存器可以設(shè)置高/低的溫度門限，當(dāng)溫度超過設(shè)置門限時，過溫漏級開路指示器(OTI)輸出有效信號?？梢酝ㄟ^I2C接口對內(nèi)部寄存器進行讀/寫，最多允許8片AD7416掛接同一串行總線。其片內(nèi)的帶隙溫度傳感器可按預(yù)先設(shè)置的工作方式對環(huán)境溫度進行實時測量，并將結(jié)果量化為數(shù)字量存入溫度值寄存器(地址00H)。預(yù)先設(shè)置的工作方式分兩種本設(shè)計采用第一種工作模式--自動測溫方式。在這種方式下AD7416每隔400μs對環(huán)境溫度測量一次，每次量化轉(zhuǎn)換時間15～30μs，其余時間芯片自動轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。
圖中所述的十根I/O總線是藍(lán)牙無線模塊BM中微控制器MCU上部分可編程的通用的I/O口線。這些I/O口線除了可以作一般的I/O線使用，還可以通過編程，使它們復(fù)用為其它用途。那么，在用作其它用途時本實用新型將它們從邏輯上連接到可編程輸入/輸出PIO上。這樣，我們就能夠?qū)崟r地監(jiān)測到這些I/O口線上的數(shù)據(jù)情況。并且，通過本實用新型的SUB口，還可以將這些I/O口線上的信號連接到板外進行監(jiān)測(例如，用示波器可以非常方便地檢測到這些信號)。此處在可編程輸入/輸出PIO和I/O口線之間架設(shè)第二驅(qū)動部件U2(74LCX541WM)也是為了增加線上信號的驅(qū)動能力和起到邏輯傳輸和電器隔離的作用。
本實用新型所述藍(lán)牙無線模塊BM為藍(lán)牙無線傳感器的核心部分，其中包括1)藍(lán)牙無線模塊BM主芯片BC212015ADN-E4；2)4Mb的FLASHSST39VF800-90-4C；3)射頻單元RF發(fā)送和接收電路。
藍(lán)牙無線模塊BM主芯片BC212015ADN-E4，采用了兩塊芯片構(gòu)成一個芯片組，一塊是射頻單元RF芯片，另外一塊是基帶控制BB芯片，共同構(gòu)成藍(lán)牙主功能模塊。這兩塊芯片再加上外加的閃存Flash、隨機存儲器RAM、天線和電源芯片就可以構(gòu)成了一個藍(lán)牙無線模塊BM，構(gòu)成本實用新型的心臟部件。
關(guān)于藍(lán)牙無線模塊BM的構(gòu)造和使用，其中射頻芯片是采用BiCOMS工藝制造的高集成度芯片和一個的晶振，它通過串行接口總線(serialinterface bus)、選通信號(strobe signals)以及相關(guān)接口構(gòu)成一個完整的藍(lán)牙無線模塊BM。藍(lán)牙無線模塊BM還包含了一個以精簡指令集(RISC)核心的微控制器MCU，可以用來運行控制程序以及藍(lán)牙協(xié)議棧。并且提供了USB和UART/PCM兩種方式的主機控制器接口HCI，極大方便了硬件設(shè)計。另外，在當(dāng)今對芯片功耗要求日益苛刻的情況下，射頻芯片和基帶控制芯片均采用1.8V工作電壓，以保證降低功耗，延長電池壽命，尤其對于各種便攜設(shè)備的適用性。
圖4表示本實用新型藍(lán)牙無線傳感器的內(nèi)部軟件結(jié)構(gòu)，最底層是應(yīng)用程序接口API，由相關(guān)的函數(shù)庫、硬件接口程序組成，構(gòu)成了整個系統(tǒng)軟件框架的基礎(chǔ)。應(yīng)用程序接口API上層是任務(wù)調(diào)度TS模塊和藍(lán)牙協(xié)議棧BPS。前者用于系統(tǒng)各任務(wù)的創(chuàng)建、執(zhí)行和通信，后者執(zhí)行藍(lán)牙無線通信的底層協(xié)議。任務(wù)調(diào)度TS模塊是用戶應(yīng)用程序UI的基礎(chǔ)，而藍(lán)牙協(xié)議棧BPS則保證了本實用新型符合藍(lán)牙無線通信規(guī)范的要求。再上層是用戶控制程序模塊，由藍(lán)牙連接管理CM、應(yīng)用程序框架FW、用戶應(yīng)用接口UI和數(shù)據(jù)采集DC模塊組成，構(gòu)成了用戶控制程序的主體，主要用于藍(lán)牙無線通信的匹配操作和連接管理、用戶交互、狀態(tài)指示和現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的操作和存儲。控制程序依功能按層次進行劃分，每部分執(zhí)行特定的功能，層次間由消息機制進行通信。這種結(jié)構(gòu)保證了系統(tǒng)的模塊化設(shè)計，便于系統(tǒng)的擴充和調(diào)試。
圖5表示藍(lán)牙無線傳感器控制程序流程設(shè)備加電啟動，首先進行系統(tǒng)初始化處理，包括初始化藍(lán)牙無線模塊BM可編程輸入/輸出PIO、串行設(shè)備接口SPI、設(shè)置傳感器模塊SM寄存器值等操作，設(shè)定系統(tǒng)到特定的工作狀態(tài)；初始化系統(tǒng)之后，設(shè)備開發(fā)工作，并等待其它藍(lán)牙設(shè)備的匹配和連接。一般由上位機發(fā)起連接請求，在雙方正確匹配(身份驗證)之后，連接方能建立成功；此時，上位機可以請求進行數(shù)據(jù)采集，收到請求后，藍(lán)牙無線傳感器驅(qū)動數(shù)據(jù)采集DC模塊采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換和存儲，然后再發(fā)送到上位機。此過程循環(huán)進行，直到通信雙方請求斷開連接。另外，傳感器還具有告警功能，當(dāng)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)超出預(yù)先設(shè)定的范圍，則進入告警程序，提醒用戶進入非正常狀態(tài)。此時，用戶可以選擇下一步的操作。預(yù)設(shè)值可在系統(tǒng)初始化時由用戶指定。
圖6為藍(lán)牙無線傳感器軟件層次數(shù)據(jù)流程設(shè)備首先接收來自上位機的數(shù)據(jù)信號，數(shù)據(jù)信號經(jīng)藍(lán)牙協(xié)議棧BPS的變換，發(fā)送給上一層藍(lán)牙連接管理CM進一步處理。每一層從底層接收數(shù)據(jù)，向上層傳遞，在到達(dá)頂層進行數(shù)據(jù)采集操作，然后將采集得來的數(shù)據(jù)向相反的方向傳遞，直至傳遞給藍(lán)牙協(xié)議棧BPS，最后將數(shù)據(jù)返回給上位機。每一層數(shù)據(jù)以消息的形式進行傳遞，消息的內(nèi)容可以是請求、確認(rèn)、指示和響應(yīng)，這些消息攜帶指令或是數(shù)據(jù)。
本實用新型解決了以下幾項關(guān)鍵技術(shù)1)本實用新型解決了如何將離散的信號采集模塊無縫接入藍(lán)牙微網(wǎng)，且可以通過藍(lán)牙微網(wǎng)將現(xiàn)場的模擬信號經(jīng)過處理發(fā)送給其它藍(lán)牙設(shè)備的問題，從而在微網(wǎng)中可以透明訪問各無線采集節(jié)點；2)本實用新型中的藍(lán)牙連接管理模塊完成藍(lán)牙設(shè)備“連接管理”的功能，該功能的實現(xiàn)滿足在兩個對等設(shè)備采用RFComm建立仿真串行線纜連接所必須的藍(lán)牙設(shè)備的要求，并符合藍(lán)牙GAP和SPP規(guī)范的要求，使得藍(lán)牙無線傳感器設(shè)備可以同任何符合藍(lán)牙協(xié)議規(guī)范的其它設(shè)備建立連接；3)本實用新型提供藍(lán)牙設(shè)備間相互通信的透明訪問，使得藍(lán)牙無線傳感器設(shè)備可以同任何符合BSP(Bluetooth Sensor Profile)規(guī)范其它設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換；4)本實用新型提供了藍(lán)牙無線微網(wǎng)到現(xiàn)場總線的無縫集成。
權(quán)利要求1.一種基于藍(lán)牙通信協(xié)議的藍(lán)牙無線傳感器，其特征在于作為微網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的一個單元，同上位機一起組成系統(tǒng)，主要包括藍(lán)牙無線模塊(BM)、傳感器模塊(SM)，其中-藍(lán)牙無線模塊(BM)，通過其內(nèi)部的微控制器(MCU)運行藍(lán)牙無線通信協(xié)議，提供藍(lán)牙查詢、匹配、連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ埽⑼ㄟ^建立無線鏈路與其它藍(lán)牙設(shè)備構(gòu)成藍(lán)牙微網(wǎng)，同上位機實現(xiàn)相互通信的能力；-傳感器模塊(SM)，通過其內(nèi)部集成電路總線(I2C)同藍(lán)牙無線模塊(BM)相連，完成現(xiàn)場信號數(shù)據(jù)采集的功能。
2.按照權(quán)利要求1所述藍(lán)牙無線傳感器，其特征在于，所述藍(lán)牙無線模塊(BM)包括-射頻單元(RF)，包括發(fā)射器、接收器、高頻電路、天線部分，主要用于接收基帶單元(BB)數(shù)據(jù)，無線頻段和信道的分配，以及無線信號的發(fā)射和接收；-基帶單元(BB)，為藍(lán)牙無線通信協(xié)議的鏈路控制單元，接收來自微控制器(MCU)的信號和數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換后發(fā)送給射頻單元(RF)；-微控制器(MCU)，通過其內(nèi)部集成電路總線(I2C)與傳感器模塊(SM)相連，用于執(zhí)行藍(lán)牙無線通信協(xié)議以及傳感器控制程序；-存儲器，包括閃存(Flash)和隨機存儲器(RAM)，通過系統(tǒng)內(nèi)部總線與微控制器(MCU)相連；-I/O單元，包括作為藍(lán)牙無線模塊(BM)同傳感器模塊(SM)連接接口的內(nèi)部集成電路總線(I2C)接口，用于實現(xiàn)程序固件下載的串行設(shè)備接口(SPI)，用于實現(xiàn)控制程序調(diào)試的通用異步收發(fā)(UART)，用于實現(xiàn)指示藍(lán)牙無線傳感器的狀態(tài)和接收用戶觸發(fā)操作的可編程輸入/輸出(PIO)。
3.按照權(quán)利要求1所述藍(lán)牙無線傳感器，其特征在于所述用于完成現(xiàn)場信號的采集的傳感器模塊(SM)通過標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部集成電路總線接口(I2C)同藍(lán)牙無線模塊(BM)中的微控制器(MCU)相連，可以通過其自身的尋址寄存器進行尋址，其采集的數(shù)據(jù)最終經(jīng)藍(lán)牙無線模塊(BM)處理、轉(zhuǎn)換，再發(fā)送到上位機進行進一步處理。
4.按照權(quán)利要求1所述藍(lán)牙無線傳感器，其特征在于，可以由1～7個藍(lán)牙無線傳感器構(gòu)成傳感器網(wǎng)絡(luò)。
專利摘要本實用新型公開一種基于藍(lán)牙通信協(xié)議的藍(lán)牙無線傳感器，包括用于進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)采集模塊、對數(shù)據(jù)進一步處理和無線傳輸?shù)乃{(lán)牙無線模塊。本實用新型主要應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場控制的無線數(shù)據(jù)采集，是一種具有自主處理能力的智能傳感設(shè)備，可以同任何符合藍(lán)牙規(guī)范的設(shè)備建立連接，同任何具有相應(yīng)藍(lán)牙無線傳感器規(guī)范的設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，用多個傳感器可以組成網(wǎng)絡(luò)，同上位機一起構(gòu)成無線接入系統(tǒng)，方便靈活地應(yīng)用于許多無法鋪設(shè)電纜或很難鋪設(shè)電纜的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境；整個系統(tǒng)可以同分布式現(xiàn)場總線集成，作為獨立的I/O子系統(tǒng)，滿足特別現(xiàn)場應(yīng)用的需求。
文檔編號H04B5/02GK2660794SQ20032010538
公開日2004年12月1日 申請日期2003年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月11日
發(fā)明者王宏, 張彥武, 劉明哲, 石剛, 林躍 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所