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藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)抄表傳感器的設(shè)計(jì)
摘要：基于IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)和藍(lán)牙協(xié)議提出藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)傳感器結(jié)構(gòu)模型，并就具體的抄表系統(tǒng)完成藍(lán)牙傳感器的設(shè)計(jì)。該傳感器不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)檢測(cè)和傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)化，同時(shí)也提供了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目垢蓴_性能。引言
IEEE1451.2是智能傳感器接口模塊標(biāo)準(zhǔn)。它提供了將傳感器和變送器連接到網(wǎng)絡(luò)的接口標(biāo)準(zhǔn)，主要用于實(shí)現(xiàn)傳感器的網(wǎng)絡(luò)化。IEEE1451.2標(biāo)準(zhǔn)采用通用的A/D或D/A轉(zhuǎn)換裝置作為傳感器的I/O接口，將各種傳感器模擬量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定格式的數(shù)據(jù)，連同一個(gè)小存儲(chǔ)器—傳感器電子數(shù)據(jù)表TEDS（Transducer Electronic Data Sheet），與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的處理器目標(biāo)模型—網(wǎng)絡(luò)適配器NCAP（Network Capable Application Process）連接。如此，數(shù)據(jù)可以按網(wǎng)絡(luò)規(guī)定的協(xié)議接入網(wǎng)絡(luò)。該標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)模型提供了一個(gè)連接智能變送器的接口模型STIM（Smart Transducer Interface Module）NCAP的10線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)接口—變送獨(dú)立接口TII（Transducer Independence Interface）。
圖1
采用上述IEEE1451標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)化的同時(shí)，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)被引入原有傳感器以實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)化也是傳感器當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，是今后傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向。尤其隨著藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用的失言以及其芯片價(jià)格的進(jìn)一步下調(diào)，將藍(lán)牙技術(shù)引入傳感器以實(shí)現(xiàn)傳感器的無(wú)線(xiàn)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(cè)和傳輸，主要是有線(xiàn)方式進(jìn)行。本文將給出基于IEEE1451.2和藍(lán)牙協(xié)議的無(wú)線(xiàn)抄表傳感器的具體實(shí)現(xiàn)，以實(shí)現(xiàn)抄表系統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)化。
1 藍(lán)牙技術(shù)
藍(lán)牙技術(shù)為藍(lán)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(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，是一種無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，目的是以無(wú)線(xiàn)的方式取代現(xiàn)有的有線(xiàn)接口。其優(yōu)勢(shì)在于：具有很強(qiáng)的移植性，可應(yīng)用于多種通信場(chǎng)合；硬件集成應(yīng)用簡(jiǎn)單，成本低廉，實(shí)現(xiàn)容易，而且易于推廣；藍(lán)牙功耗低，對(duì)人體危害小；采用擴(kuò)頻跳頻技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)，增加了信息傳輸?shù)陌踩�。藍(lán)牙系統(tǒng)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信。在一點(diǎn)對(duì)多瞇的連接方式中，多個(gè)藍(lán)牙單元共享一條信道，采用同一跳頻序列。各個(gè)藍(lán)牙設(shè)備構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為匹克網(wǎng)（Piconet）。匹克網(wǎng)中藍(lán)牙設(shè)備以主從方式實(shí)現(xiàn)通信。由于藍(lán)牙設(shè)備的物理尋址地址為3位，因此在同一時(shí)刻，匹克網(wǎng)最多只能激活8位設(shè)備（1主7從）；但不同時(shí)刻，多個(gè)匹克網(wǎng)可以構(gòu)成一個(gè)可重疊的散射網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。藍(lán)牙通信的有效半徑和其輸出的功率有關(guān)：當(dāng)輸出功率是2類(lèi)（2.5mW/4dB）時(shí)，通信范圍為15m；如果增加其功率到1類(lèi)（4mW/20dB）時(shí)，就能使通信范圍達(dá)到100m。
2 基本標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議的傳感器結(jié)構(gòu)模型
基于IEEE1451.5和藍(lán)牙協(xié)議的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化傳感器由STIM、藍(lán)牙模塊和NCAP三部分組成，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。此方案的實(shí)現(xiàn)，相當(dāng)于在IEEE1451.2的結(jié)構(gòu)模型上取代了原有的TII接口。采用無(wú)線(xiàn)的藍(lán)牙協(xié)議實(shí)現(xiàn)連接，類(lèi)似于實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無(wú)線(xiàn)的STIM和無(wú)線(xiàn)NCAP接收終端的模式。通過(guò)在原有的STIM和NCAP中嵌入了藍(lán)牙模塊，構(gòu)成的無(wú)線(xiàn)NCAP和無(wú)線(xiàn)STIM，以點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)在藍(lán)牙匹克網(wǎng)以主從方式實(shí)現(xiàn)相互通信。
與典型的有線(xiàn)方式相比，上述無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模型增加了兩個(gè)藍(lán)牙模塊。對(duì)于藍(lán)牙模塊部分標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙對(duì)外接口電路一般使用RS232或USB接口，而TII是一個(gè)控制鏈接到它的STIM的串行接口。因此，必須設(shè)計(jì)一個(gè)類(lèi)似于TII接口的藍(lán)牙電路，構(gòu)造一個(gè)專(zhuān)門(mén)的處理器來(lái)完成控制STIM和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到藍(lán)牙主控制接口HCI（Host Control Interface）的功能。
3 藍(lán)虎無(wú)線(xiàn)抄表傳感器的設(shè)計(jì)
基于上述無(wú)線(xiàn)傳感器結(jié)構(gòu)模型給出的無(wú)線(xiàn)抄表傳感器的結(jié)構(gòu)原理，如圖2所示。整個(gè)傳感器核心部件是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的前端STIM部分和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接口的NCAP部分。STIM完成數(shù)據(jù)的采集和處理（濾波、校準(zhǔn)等），NCAP完成傳感器的網(wǎng)絡(luò)接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)PSTN電話(huà)互網(wǎng)連。STIM和NCAP之間用藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)接口連接。STIM選用8位處理器實(shí)現(xiàn)，而NCAP的網(wǎng)絡(luò)接口通過(guò)8位的處理器和內(nèi)嵌Modem的形式實(shí)現(xiàn)。
（1）NCAP部分硬件設(shè)計(jì)
抄表傳感器NCAP硬件部分選用的處理器、藍(lán)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(lán)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(lán)牙模塊接口采用的是RS232串口，同時(shí)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(lán)牙模塊遵從藍(lán)牙1.1規(guī)范，是一個(gè)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信模塊。該模塊可以同時(shí)和在其范圍內(nèi)被連接的7個(gè)藍(lán)牙從設(shè)備實(shí)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(guò)設(shè)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(shí)，DTMF信號(hào)從IN 和IN-輸入，一旦信息被寫(xiě)入到接收寄存器中，MT8888C將置位狀態(tài)豁口中接收寄存器滿(mǎn)標(biāo)志位和IRQ/CP端電平來(lái)通知控制器準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)；MT8888C作為DTMF發(fā)送器時(shí)，數(shù)據(jù)被寫(xiě)入發(fā)送寄存器，經(jīng)內(nèi)部轉(zhuǎn)換合成DTMF信號(hào)從TONE端輸出。本處采用中斷方式檢測(cè)DTMF振鈴信號(hào)。圖3為藍(lán)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(shè)計(jì)
抄表傳感器NCAP部分的軟件設(shè)計(jì)，主要是在單片機(jī)上完成兩部分功能的程序編制：一是初始化藍(lán)牙模塊，使抄表傳感器NCAP部分上主設(shè)備模塊和所有范圍內(nèi)的從設(shè)備模塊建立連接；二是驅(qū)動(dòng)MSM7512B和MT8888C工作，實(shí)現(xiàn)與PSTN的連接。
①藍(lán)牙模塊初始化。參照008藍(lán)牙模塊的工作方式，即通過(guò)單片機(jī)向藍(lán)牙模塊發(fā)送HCI（Host Contr
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