藍牙無線抄表傳感器的設計

關鍵詞：IEEE1451標準藍牙協(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準。它提供了將傳感器和變送器連接到網(wǎng)絡的接口標準，主要用于實現(xiàn)傳感器的網(wǎng)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(guī)定格式的數(shù)據(jù)，連同一個小存儲器―傳感器電子數(shù)據(jù)表TEDS（Transducer Electronic Data Sheet），與標準規(guī)定的處理器目標模型―網(wǎng)絡適配器NCAP（Network Capable Application Process）連接。如此，數(shù)據(jù)可以按網(wǎng)絡規(guī)定的協(xié)議接入網(wǎng)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(xiàn)傳感器網(wǎng)絡化的同時，無線通信技術被引入原有傳感器以實現(xiàn)無線化也是傳感器當前的研究熱點，是今后傳感器發(fā)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(diào)，將藍牙技術引入傳感器以實現(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(xié)議的無線抄表傳感器的具體實現(xiàn)，以實現(xiàn)抄表系統(tǒng)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(xié)議，是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放標準，目的是以無線的方式取代現(xiàn)有的有線接口。其優(yōu)勢在于：具有很強的移植性，可應用于多種通信場合；硬件集成應用簡單，成本低廉，實現(xiàn)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?shù)陌踩?。藍牙系統(tǒng)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(wǎng)絡稱為匹克網(wǎng)（Piconet）。匹克網(wǎng)中藍牙設備以主從方式實現(xiàn)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(wǎng)最多只能激活8位設備（1主7從）；但不同時刻，多個匹克網(wǎng)可以構成一個可重疊的散射網(wǎng)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(xié)議的傳感器結構模型

基于IEEE1451.5和藍牙協(xié)議的無線網(wǎng)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(xiàn)，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(xié)議實現(xiàn)連接，類似于實現(xiàn)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(wǎng)以主從方式實現(xiàn)相互通信。

與典型的有線方式相比，上述無線網(wǎng)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(shù)據(jù)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(xiàn)數(shù)據(jù)采集的前端STIM部分和實現(xiàn)網(wǎng)絡接口的NCAP部分。STIM完成數(shù)據(jù)的采集和處理（濾波、校準等），NCAP完成傳感器的網(wǎng)絡接口，實現(xiàn)對PSTN電話互網(wǎng)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(xiàn)，而NCAP的網(wǎng)絡接口通過8位的處理器和內(nèi)嵌Modem的形式實現(xiàn)。

（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(nèi)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(diào)制解調(diào)芯片MSM7512B。

圖3

由于系統(tǒng)中藍牙模塊接口采用的是RS232串口，同時處理器和內(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系列藍牙模塊遵從藍牙1.1規(guī)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(nèi)被連接的7個藍牙從設備實現(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(tài)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(shù)據(jù)；MT8888C作為DTMF發(fā)送器時，數(shù)據(jù)被寫入發(fā)送寄存器，經(jīng)內(nèi)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(nèi)的從設備模塊建立連接；二是驅動MSM7512B和MT8888C工作，實現(xiàn)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(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+參數(shù)0+……+參數(shù)N。

如下給出主、從設備間實現(xiàn)ACL數(shù)據(jù)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(nèi)為該指令的參數(shù)）：從設備上電后實現(xiàn)查詢使能進行復位Write_scan_enable(0x3)。主設備發(fā)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(shù)據(jù)連接。其中Inquiry對應的操作碼為：0x0001,0x01。具體指令參見藍牙規(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，復位MT8888C時，必須將上電后延時100ms。具體復位方式參見MT8888C數(shù)據(jù)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(jiān)測記錄……}

（3）STIM的設計

大多數(shù)傳大吃一驚器的STIM部分設計相對簡單，因為電表數(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。

硬件設計時，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牙模塊作為和上層藍牙傳感器NCAP的無線接口。數(shù)據(jù)采集部分經(jīng)光電轉換后的數(shù)字脈沖接到單片機的計數(shù)器口，實現(xiàn)計數(shù)，然后將必要的電表數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集部分程序主要是實現(xiàn)對計數(shù)器的計數(shù)，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(tǒng)

整個抄表系統(tǒng)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(jù)具體住宅的情況進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，同時須注意的是遠程抄表中心PC還應完成客戶端軟件開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收。

本系統(tǒng)主要是針對電力系統(tǒng)進行設計，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(shù)據(jù)的無線抄收。