基于藍牙技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化傳感器及其應(yīng)用

標簽：NCAP IEEE1451.2標準

引言

通常在測控系統(tǒng)中，傳感器是信息采集的重要裝置，數(shù)據(jù)的采集全靠傳感器，被譽為“神經(jīng)觸角”的它如何實現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)化，也是當(dāng)前的熱點研究問題。當(dāng)前大多數(shù)測控系統(tǒng)中，傳感器多是采用有線方式，但是在一些特殊情況下，有線線纜連接顯然會造成很多不便，不能夠滿足現(xiàn)實需要。隨著新興無線技術(shù)(如藍牙技術(shù))的發(fā)展以及其芯片價格的降低，無線方式在很多場合都得到應(yīng)用以取代原有的有線接口方式。無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器勢必成為傳感器發(fā)展的一個重要方向。在介紹IEEE1451.2和藍牙技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文提出了一種基于藍牙協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器結(jié)構(gòu)模型，并著重討論基于該模型開發(fā)的模擬實驗裝置的實現(xiàn)及其在病人遠程監(jiān)護中的應(yīng)用。

1　基于IEEE1451.2和藍牙協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器

1.1　IEEE1451.2標準

IEEE1451.2作為智能傳感器接口模塊標準，它提供了將傳感器和變送器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的接口標準，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,transducerelectronicdatasheet)與標準規(guī)定的處理器目標模型———網(wǎng)絡(luò)適配器(NCAP,networkcapableap2plicationprocess)連接，如此，數(shù)據(jù)可以按網(wǎng)絡(luò)規(guī)定的協(xié)議連接入網(wǎng)絡(luò)。該標準的結(jié)構(gòu)模型提供了一個連接智能變送器接口模型(STIM,smarttransducerinteRFacemodule)和NCAP的10線標準接口———變送獨立接口(TII,transducerindependenceinterface)。其工作流程是敏感元件輸出的模擬信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換及相應(yīng)數(shù)據(jù)處理(濾波、校準)后，由網(wǎng)絡(luò)處理裝置根據(jù)程序設(shè)定和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(TCP/IP)將其封裝成數(shù)據(jù)幀，通過網(wǎng)絡(luò)接口傳到網(wǎng)絡(luò)上。

1.2　藍牙技術(shù)

藍牙技術(shù)作為一種新的短距離無線通信協(xié)議，提供了一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放標準，它具有許多特有的優(yōu)勢：很強的移植性，可應(yīng)用于多種通信場合;硬件集成電路應(yīng)用簡單，成本低廉，實現(xiàn)容易，且易于推廣;藍牙功耗低，對人體危害小;藍牙采用擴頻跳頻技術(shù)，抗干擾能力強，增加了信息傳輸?shù)陌踩?。藍牙技術(shù)正以其特有的優(yōu)勢引起許多專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。

1.3　傳感器結(jié)構(gòu)模型

基于IEEE1451.2的有線網(wǎng)絡(luò)化傳感器結(jié)構(gòu)模型包含STIM、TII和NCAP三部分。而本設(shè)計的基于IEEE1451.2和藍牙協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器，采用藍牙模塊替代TII實現(xiàn)無線連接，類似于實現(xiàn)了一個無線的STIM和無線NCAP接收終端的模式，它們以點對多點方式在藍牙匹克網(wǎng)以主從方式實現(xiàn)相互通信。

STIM通過無線的NCAP接入以太網(wǎng)(Ethernet)或In2ternet,同時NCAP通過分配的IP地址與網(wǎng)絡(luò)相連，如圖1所示。與典型的有線方式相比，上述無線網(wǎng)絡(luò)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(shè)計一個類似于TII接口的藍牙電路，構(gòu)造一個專門的處理器來完成控制STIM和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到藍牙主控制接口(HCI,hostcontrolinterface)的功能。硬件實現(xiàn)上可以采用接口模塊，軟件實現(xiàn)上可以采用標準的STIM軟件模塊：STIM模塊、STIM傳感器接口模塊、TII模塊、TEDS模塊以及地址和函數(shù)模塊。

2　模擬實驗裝置的實現(xiàn)

下面以實驗室開發(fā)的模擬裝置為例來說明該傳感器的實現(xiàn)。該裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，利用前端無線STIM中的MCU定時采集溫度傳感器中的溫度值，經(jīng)藍牙無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至NCAP。NCAP將存放于特定的位置，當(dāng)有瀏覽器要查看該數(shù)值時，將該數(shù)值嵌入到相應(yīng)的網(wǎng)頁程序中，并對整段程序進行TCP/IP封裝處理，傳送到客戶端的瀏覽器上。

2.1　STIM的實現(xiàn)

STIM中MCU采用的是AD公司的微轉(zhuǎn)換芯片ADμC812。該芯片內(nèi)有一個8052兼容的微處理器，遵從IEEE1451.2標準，利用芯片ADμC812內(nèi)部的640B的數(shù)據(jù)存儲器作為可重復(fù)寫的TEDS存儲，利用內(nèi)部的一個通道12位的ADC實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換以及通過芯片內(nèi)的UART串行口實現(xiàn)與藍牙模塊的通信。藍牙模塊選用的是支持點對多點的愛立信ROK101008系列，同時該模塊自帶射頻微帶天線。ROK101008藍牙模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)遵從藍牙規(guī)范1.1,其內(nèi)部基帶控制器同樣提供了UART接口。藍牙模塊內(nèi)部提供了主機控制器接口(HCI)來實現(xiàn)對藍牙硬件訪問的統(tǒng)一接口，結(jié)合RS232串口就可以實現(xiàn)主控制器和主機之間在傳輸層上的數(shù)據(jù)通信，基帶和射頻則提供了上層的鏈接和服務(wù)。同時，ADμC812還應(yīng)完成對溫度傳感器的初始化、數(shù)據(jù)采集和處理。

(1)溫度傳感器DS18B20接口和驅(qū)動。

溫度傳感器選用的是DS18B20,該溫度芯片是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。ROM中的64位序列號是該DS18B20的地址序列碼，ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟：初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令。其工作流程是：初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸，工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。操作時必須先啟動DS18B20開始轉(zhuǎn)換，再讀出溫度轉(zhuǎn)換值。其硬件接口如圖3所示。

(2)藍牙模塊ROK101008初始化。