提高智能化 藍(lán)牙在施工機(jī)械監(jiān)測中的應(yīng)用
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1 藍(lán)牙技術(shù)簡介
藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)是一種近距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)，由愛立信、英特爾、諾基亞、東芝和IBM等五大公司組成的特殊利益集團(tuán)(SIG，Special Interests Group)于1998年5月聯(lián)合制定。SIG推出藍(lán)牙技術(shù)的目的在于實(shí)現(xiàn)最高數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mb／s(有效傳輸速率為721kb／s)、最大傳輸距離為10m的無線通信，并形成世界統(tǒng)一的近距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙技術(shù)可提供低成本、低功耗的無線接人方式，被認(rèn)為是近年來無線數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的重大進(jìn)展之一，其程序?qū)懺谝粋€(gè)9mm×9mm的微芯片中［1］。
藍(lán)牙系統(tǒng)一般由四個(gè)功能單元組成：天線單元、鏈路控制(固件)單元、鏈路管理(軟件)單元和藍(lán)牙軟件(協(xié)議)單元。
1．1 藍(lán)牙技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［2～4］
藍(lán)牙技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出藍(lán)牙的體系結(jié)構(gòu)由兩大部分組成，即：底層協(xié)議部分和高層應(yīng)用協(xié)議部分。下面分別對兩部分作一粗略的介紹。
1．1．1 底層協(xié)議
底層協(xié)議作為藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，有著十分重要的作用。以目前的技術(shù)水平，部分協(xié)議功能可以由一個(gè)小型芯片來完成，這些功能主要包括：
Radio／RF：進(jìn)行頻帶的信道定義和信號(hào)的發(fā)送與接收；
BaseBand：實(shí)現(xiàn)基帶部分協(xié)議和其它底層鏈路功能；
Link Manager(LM)：用于鏈路的建立和管理；
L2CAP：是Logical Link Control and Adaptation Protocol的縮寫，實(shí)現(xiàn)高層協(xié)議復(fù)用、包的組裝和拆分等功能；
SDP：是Service Discover Protocol的縮寫，發(fā)現(xiàn)并識(shí)別底層設(shè)備所能提供的服務(wù)，以便高層應(yīng)用調(diào)用。
1．1．2 高層應(yīng)用協(xié)議
高層應(yīng)用協(xié)議主要包括以下幾種應(yīng)用協(xié)議：
RFCOMM：是ETSI TS 07．10標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)子集；
TCP／IP Over Bluetooth：通過這個(gè)協(xié)議可以支持TCP／IP服務(wù)；
IrOBEX Over Bluetooth：這個(gè)協(xié)議提供了藍(lán)牙與紅外傳輸?shù)募嫒菪?；Files Transfer Over Bluetooth：通過這個(gè)協(xié)議可以支持FTP服務(wù)。
值得注意的是，還有一種高層應(yīng)用協(xié)議可以支持WAP(Wireless Application Protoc01)應(yīng)用，通過它可以有效實(shí)施一個(gè)廣域范圍內(nèi)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。
根據(jù)上面的討論，總的來講，一個(gè)完整的藍(lán)牙應(yīng)用解決方案是由軟、硬件兩部分組成的，其中硬件部分包括RF、Baseband和Link Manager，軟件部分包括L2CAP以上的功能。
1．2 工作原理
藍(lán)牙技術(shù)工作在全球通用的2．4GHz ISM(I-工業(yè)；S-科學(xué)；M-醫(yī)學(xué))頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mb／s。從理論上講，以2．4GHz ISM頻段運(yùn)行的技術(shù)能夠使相距30m以內(nèi)的儀器設(shè)備之間成功實(shí)現(xiàn)無線連接，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)2Mb／s；如果再加入功率放大器，發(fā)射距離有效范圍可達(dá)100m。藍(lán)牙技術(shù)采用了“Plug Play”技術(shù)，即任意一個(gè)采用了藍(lán)牙技術(shù)的儀器設(shè)備(簡稱“藍(lán)牙設(shè)備”)一旦搜尋到另一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備，馬上就可與之建立聯(lián)系，無需用戶進(jìn)行任何設(shè)置，可謂能做到“即連即用”[5]。所以，藍(lán)牙技術(shù)比較適用于短距離無線數(shù)據(jù)傳輸。
如前所述，藍(lán)牙技術(shù)在硬件上的主要模塊有：基帶(Baseband)和射頻(RF)兩部分，如圖2所示。
其中，Transmitter模塊對來自Baseband的信息進(jìn)行高頻處理，然后由天線發(fā)射出去，在這個(gè)過程中，由于采用了快速跳頻以及前向糾錯(cuò)方案來保證鏈路的穩(wěn)定和傳輸?shù)目煽啃?，所以其抗干擾能力很強(qiáng)；與這個(gè)過程相反，Receiver模塊把從天線中接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過Baseband傳送給主機(jī)。所以，任何兩個(gè)支持藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備都可以在短距離內(nèi)進(jìn)行信息傳遞，而不需要使用電纜鏈接，而且它的功耗非常低。
2 實(shí)際應(yīng)用
傳統(tǒng)的在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，無論是主動(dòng)式還是微機(jī)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，均需要將各傳感器提供的在線信號(hào)實(shí)測值通過相應(yīng)的有線電纜傳輸至微機(jī)，并與微處理器內(nèi)存的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，由此判斷機(jī)況是否良好。由于各種工況條件的限制，需要機(jī)載設(shè)備具有高可靠性和簡單性(通過使用單片機(jī)來處理這些信息)，這樣，只能對現(xiàn)場施工信號(hào)進(jìn)行簡單的處理，無法進(jìn)行全面、系統(tǒng)的分析，可能誤檢、漏檢各種潛在的故障隱患，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失；同時(shí)，現(xiàn)行的作業(yè)管理缺少統(tǒng)一的施工工藝模式，無完整的施工操作記錄，不能很好地控制施工進(jìn)度和質(zhì)量。可見，傳統(tǒng)的在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)需要改進(jìn)。
2．1 基于藍(lán)牙技術(shù)的傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備的改造
經(jīng)過上面的分析得知，在進(jìn)行傳統(tǒng)的在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)施時(shí)，存在一些不足之處。如果把藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用到這個(gè)領(lǐng)域中來，可以在很大程度上解決這個(gè)問題。其中一個(gè)比較基本的作法就是將傳統(tǒng)型傳感器、數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備利用藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行改造，使之具備無線信息傳輸能力。圖3給出了一個(gè)無線傳感器的功能結(jié)構(gòu)示例。
采用這種結(jié)構(gòu)的新型傳感器，由于采用了無線傳輸?shù)男问饺〈芯€電纜連接，在具體應(yīng)用中使得監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整和重組變得非常方便；而且對于一些特殊場合，例如高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)行時(shí)，利用傳統(tǒng)的有線方式很難進(jìn)行一些關(guān)鍵部位的測量，而采用這種基于小型藍(lán)牙芯片的新型傳感器就可以做到在任意位置安裝與測量，并且利用其無線優(yōu)勢，可以進(jìn)行移動(dòng)監(jiān)測；在高溫、高腐蝕等惡劣環(huán)境下，無線監(jiān)測方式的可靠性也要高得多，造價(jià)又低?？偠灾?，類似結(jié)構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)將會(huì)有非常大的應(yīng)用空間。
2．2 藍(lán)牙技術(shù)在施工機(jī)械在線監(jiān)測中的應(yīng)用
藍(lán)牙技術(shù)可以支持物體與物體之間的通信，它是以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ)，為固定與移動(dòng)設(shè)備之間的通信環(huán)境建立了一個(gè)特別連接的短程無線電技術(shù)。利用藍(lán)牙技術(shù)可將傳感器在線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，而經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后的信息可再經(jīng)藍(lán)牙技術(shù)傳至各臺(tái)設(shè)備。
基于藍(lán)牙協(xié)議的設(shè)備之間支持點(diǎn)到點(diǎn) (Point toPoint)和點(diǎn)到多點(diǎn)(Point to Multi-Point)這兩種通訊模式，與之相對應(yīng)，由藍(lán)牙設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有兩種，分別稱為微微網(wǎng)(Piconet)和分散網(wǎng)(Scattemet)，如圖4所示。
一個(gè)微微網(wǎng)中的所有設(shè)備單元共享同樣的信道，每一個(gè)藍(lán)牙設(shè)備最多可以同時(shí)與七個(gè)設(shè)備進(jìn)行通訊。而且每一個(gè)設(shè)備同時(shí)還可能是其它微微網(wǎng)的組成單元。分散網(wǎng)是建立在微微網(wǎng)的基礎(chǔ)之上的由多個(gè)微微網(wǎng)組成的功能單元，這些微微網(wǎng)之間可以進(jìn)行通訊，每一個(gè)微微網(wǎng)的識(shí)別是靠各自的調(diào)頻頻率來決定的。
在采用藍(lán)牙技術(shù)并對傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行改造的基礎(chǔ)上，結(jié)合日益發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，針對施工機(jī)械的具體應(yīng)用特點(diǎn)，提出了一種新型的分布式無線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，如圖5所示。
本方案針對施工機(jī)械狀態(tài)監(jiān)測現(xiàn)場的具體特點(diǎn)，側(cè)重于藍(lán)牙技術(shù)和新型無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用。在一定工作環(huán)境的要求下，應(yīng)盡量采用具有無線通訊能力的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以避免有線電纜的使用。其中，對于每一臺(tái)被監(jiān)測施工機(jī)械上的所有傳感器，可以與數(shù)據(jù)采集器一起可以組成一個(gè)微微網(wǎng)，所有的微微網(wǎng)又可以組成一個(gè)可以覆蓋整個(gè)現(xiàn)場的分散網(wǎng)(如圖5所示)?？梢钥闯觯瑪?shù)據(jù)采集器同時(shí)屬于多個(gè)微微網(wǎng)，能與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個(gè)單位監(jiān)測單元一起協(xié)調(diào)工作，對監(jiān)測信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，然后以無線通訊的方式通過局域網(wǎng)接人點(diǎn)把信息傳送至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。同時(shí)，Web用戶在交付一定費(fèi)用后，可以通過Internet共享這些數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的異地共享。
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