基于藍(lán)牙技術(shù)的無線溫度傳感器應(yīng)用

引言

　　在各種生產(chǎn)現(xiàn)場都需要溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度的檢測中，溫度是一種最常用的控制參數(shù)。但在一些危險(xiǎn)的場合或物體移動(dòng)的情況下，有線的溫度傳感器不僅布線復(fù)雜而且容易造成線纜脫落影響數(shù)據(jù)的可靠性。近年來，藍(lán)牙技術(shù)作為一種較成熟的短距離無線通信技術(shù)，將它和單片機(jī)技術(shù)相融合設(shè)計(jì)無線溫度傳感器，可以方便、實(shí)時(shí)、可靠地將采集到的溫度數(shù)據(jù)傳輸給控制終端，保證了生產(chǎn)的順利進(jìn)行。

　　而且，經(jīng)過功能擴(kuò)展建立的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能夠適應(yīng)更加復(fù)雜的測量現(xiàn)場。

　　1 藍(lán)牙技術(shù)簡介

　　藍(lán)牙技術(shù)是一種無線的數(shù)據(jù)與語音通信的開放性標(biāo)準(zhǔn)，工作在2.4GHz的ISM頻段上，采用跳頻擴(kuò)譜技術(shù)。藍(lán)牙設(shè)備的最大發(fā)射功率可分為3級(jí)：

　　100mw（20dB/m）、2.smw（4dB/m）、lmw（0dB/m）。當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備功率為lmw時(shí)，其傳輸距離一般為0.1~10m。當(dāng)發(fā)射源接近或是遠(yuǎn)離而使藍(lán)牙設(shè)備接收到的電波強(qiáng)度改變時(shí)，藍(lán)牙設(shè)備會(huì)自動(dòng)地調(diào)整發(fā)射功率。當(dāng)發(fā)射功率提高到10mw時(shí)，其傳輸距離可以擴(kuò)大到10om。藍(lán)牙支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式，在非對(duì)稱連接時(shí)，主設(shè)備到從設(shè)備的傳輸速率為721kbps，從設(shè)備到主設(shè)備的傳輸速率為57.6kbPs;對(duì)稱連接時(shí)，主從設(shè)備之間的傳輸速率各為432.6kbps。藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了在連接狀態(tài)下有保持模式（HoldM0de）、呼吸模式（SniffMode）和休眠模式（ParkMode）3種電源節(jié)能模式，再加上正常的活動(dòng)模式（ActiveMode），一個(gè)使用電源管理的藍(lán)牙設(shè)備可以處于這4種狀態(tài)并進(jìn)行切換，按照電能損耗由高到低的排列順序?yàn)椋?/p>

　　活動(dòng)模式、呼吸模式、保持模式、休眠模式，其中，休眠模式節(jié)能效率最高。藍(lán)牙技術(shù)的出現(xiàn)，為各種移動(dòng)設(shè)備和外圍設(shè)備之間的低功耗、低成本、短距離的無線連接提供了有效途徑。

　　2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　無線溫度傳感器主要由單片機(jī)控制單元、藍(lán)牙模塊、溫度檢測單元、接口電路及其它輔助電路組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。控制單元凌陽單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的核心，對(duì)檢測到的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、顯示、傳輸，外擴(kuò)4MBFLAsH用于存儲(chǔ)程序和溫度數(shù)據(jù)。藍(lán)牙模塊包括藍(lán)牙芯片、放大器、非平衡變壓器（Balun）等，負(fù)責(zé)與藍(lán)牙控制終端進(jìn)行無線連接和數(shù)據(jù)傳輸，按鍵完成系統(tǒng)設(shè)置、復(fù)位等信息輸人，測量的溫度數(shù)據(jù)在傳輸?shù)娇刂平K端的同時(shí)在LED上顯示，并通過揚(yáng)聲器定時(shí)語音播報(bào)當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)和超限報(bào)警。

　　2.1 單片機(jī)控制單元

　　控制單元采用SPCE061A單片機(jī)，工作電壓為2.6~3.6V，工作頻率為0.32一49.152MHz，較高的處理速度使其能夠非常容易、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)。該芯片內(nèi)包括ADC、DAC、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、RAM、FLASH、ROM等器件，具有一套高效率的指令系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境，并且支持標(biāo)準(zhǔn)C語言，可以實(shí)現(xiàn)C語言與凌陽匯編語言的相互調(diào)用，為硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)提供了便利條件。另外，芯片內(nèi)置的2路10位精度的DAC，再配合豐富的語音函數(shù)庫，可方便地完成語音的播放，非常適合于語音應(yīng)用的開發(fā)。

　　2.2 溫度檢瀏單元

　　溫度檢測單元采用D1S8B02型傳感器，是美國DALLAS公司推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過編程實(shí)現(xiàn)9~12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。DS18BZo與SPCEo61A單片機(jī)的接口電路如圖2所示，由于DS18B20傳感器支持“一線總線”接口，因此只需將DS18B20信號(hào)線接到單片機(jī)的1位1/0線上即可，而且在1根1/0線上可以掛接多個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)溫度測量。

　　為了提高抗干擾性能，采用外加電源方式對(duì)傳感器供電。

　　2.3 無線傳愉控制單元

　　隨著藍(lán)牙芯片單芯片的集成度越來越高和集成了芯片、Balun、晶振等各種藍(lán)牙模塊的面世，將藍(lán)牙嵌人到其它數(shù)字化設(shè)備中也越來越容易實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)無線傳輸由藍(lán)牙模塊BCM02實(shí)現(xiàn)，BCM02核心采用CSR（CambridgesiliconRadio）公司的BlueCoreZ一External藍(lán)牙芯片，外圍擴(kuò)展T晶振、FLASH、Balun、帶通濾波器（BPF）、1.SV穩(wěn)壓電路，可以根據(jù)不同的應(yīng)用場合快速開發(fā)，模塊符合藍(lán)牙Vl.1標(biāo)準(zhǔn)，最大發(fā)射功率設(shè)計(jì)為2.smw（4dB/m），是一個(gè)二級(jí)藍(lán)牙芯片，工作電壓為3士0.3V。BCMoZ通過UART口與單片機(jī)相連，為簡化設(shè)計(jì)，將所需的藍(lán)牙協(xié)議棧和無線傳輸應(yīng)用程序直接固化在藍(lán)牙模塊中，利用藍(lán)牙提供一個(gè)透明的無線數(shù)據(jù)傳輸，而單片機(jī)只要設(shè)置好波特率等參數(shù)即可進(jìn)行通信，傳輸控制由單片機(jī)完成。

　　3 軟件設(shè)計(jì)及流程

　　3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)軟件部分主要包括主程序、中斷子程序、測溫子程序、轉(zhuǎn)換顯示及存儲(chǔ)子程序、UART通信子程序、語音播放子程序等，為了降低功耗，使用中斷來喚醒單片機(jī)進(jìn)行測溫等工作，因此主程序部分比較簡單，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)各部分初始化和中斷的調(diào)用，在系統(tǒng)初始化完成后就直接進(jìn)人睡眠模式，當(dāng)中斷到來時(shí)單片機(jī)退出睡眠模式，調(diào)用中斷子程序?qū)崿F(xiàn)測溫、轉(zhuǎn)換顯示、溫度數(shù)據(jù)的傳輸以及語音的播報(bào)和報(bào)警等功能。

　　3.2 藍(lán)牙應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)是基于藍(lán)牙的串口應(yīng)用模型SPP（SerialPortProfile）實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的透明傳輸，在核心協(xié)議棧之上編寫自己的上層應(yīng)用程序。CSR的藍(lán)牙核心協(xié)議棧包括HCI、LZCAP、SDP、RFCOMM等，以固件的形式提供給開發(fā)人員，用戶編寫的應(yīng)用程序和協(xié)議棧一起運(yùn)行在CSR嵌人式環(huán)境中。在CSR程序中，不同任務(wù)之間可以異步地發(fā)送消息，每一個(gè)任務(wù)在創(chuàng)建的時(shí)候可以讓其中一個(gè)擁有消息隊(duì)列，其它的就把發(fā)給任務(wù)的消息提交給該消息隊(duì)列，由任務(wù)調(diào)度程序自動(dòng)運(yùn)行獲得任務(wù)的消息。藍(lán)牙模塊上層應(yīng)用程序流程如圖3所示。

　　4 低功耗設(shè)計(jì)

　　作為無線傳感器，低功耗運(yùn)行可以最大限度地延長設(shè)備的有效使用時(shí)間，為了獲得最佳性能，設(shè)計(jì)時(shí)在電源損耗和可用性方面必須根據(jù)情況權(quán)衡使用，除了選用低功耗器件外，筆者從以下幾個(gè)方面設(shè)計(jì)了電源管理程序以盡量減少無線溫度傳感器的功耗。

　?。?）由于無線溫度傳感器負(fù)責(zé)向控制終端傳輸數(shù)據(jù)，因此何時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、何時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸可以由控制終端決定，非常適合使用休眠模式和呼吸模式，通過減少藍(lán)牙設(shè)備在微微網(wǎng)中的活動(dòng)達(dá)到節(jié)電的目的，并且控制終端一般接有持久的電源，所以電源管理的開銷由終端來負(fù)責(zé)比較合適。把控制終端作為主設(shè)備，將電源管理程序設(shè)計(jì)在終端的應(yīng)用控制層中，并由控制終端完成設(shè)備的查詢、配對(duì)、建鏈等工作，當(dāng)無線傳感器與控制終端配對(duì)成功并建立RFCOMM連接后進(jìn)人休眠模式，此時(shí)主從設(shè)備仍然保持著RFCOMM信道，只是不能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，休眠模式下信標(biāo)間隔可設(shè)為15，電流大概在lmA左右。當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，退出休眠模式進(jìn)人呼吸模式，通過呼吸時(shí)隙發(fā)送數(shù)據(jù)，呼吸間隔可設(shè)為20~40ms，間隔過大會(huì)帶來明顯延遲，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后再次進(jìn)人休眠模式，從而盡可能地降低能耗。

　?。?）CSR的BlueCore芯片提供T獨(dú)特的硬件節(jié)能方法—深度睡眠（Depslep）模式，進(jìn)人和退出深度睡眠模式至少需要10ms，通過按鈕或事件進(jìn)人深度睡眠模式很大程度上降低了損耗。當(dāng)用戶確定將有較長時(shí)間不使用無線溫度傳感器時(shí)，可通過控制終端發(fā)送事件消息進(jìn)人深度睡眠模式，需要使用時(shí)再通過消息快速退出。在深度睡眠模式下電流一般可控制在50拼A左右。

　　（3）凌陽單片機(jī)SPCE06lA也可以應(yīng)用CPU的睡眠模式，且A口具有鍵喚醒功能，將BCM02的PIOS與單片機(jī)的IOA7相連接，當(dāng)藍(lán)牙模塊退出休眠模式，發(fā)送指令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，PIOS輸出高電平，通過IOA7電平的變化產(chǎn)生中斷來喚醒CPU進(jìn)人工作狀態(tài)。