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藍牙無(wú)線(xiàn)抄表傳感器的設計
摘要：基于IEEE1451標準和藍牙協(xié)議提出藍牙無(wú)線(xiàn)傳感器結構模型，并就具體的抄表系統完成藍牙傳感器的設計。該傳感器不僅實(shí)現了數據檢測和傳輸的無(wú)線(xiàn)化，同時(shí)也提供了數據傳輸的抗干擾性能。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(luò )的接口標準，主要用于實(shí)現傳感器的網(wǎng)絡(luò )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定格式的數據，連同一個(gè)小存儲器—傳感器電子數據表TEDS（Transducer Electronic Data Sheet），與標準規定的處理器目標模型—網(wǎng)絡(luò )適配器NCAP（Network Capable Application Process）連接。如此，數據可以按網(wǎng)絡(luò )規定的協(xié)議接入網(wǎng)絡(luò )。該標準結構模型提供了一個(gè)連接智能變送器的接口模型STIM（Smart Transducer Interface Module）NCAP的10線(xiàn)標準接口—變送獨立接口TII（Transducer Independence Interface）。
圖1
采用上述IEEE1451標準實(shí)現傳感器網(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)現無(wú)線(xiàn)化也是傳感器當前的研究熱點(diǎn)，是今后傳感器發(fā)展的一個(gè)重要方向。尤其隨著(zhù)藍牙技術(shù)應用的失言以及其芯片價(jià)格的進(jìn)一步下調，將藍牙技術(shù)引入傳感器以實(shí)現傳感器的無(wú)線(xiàn)化已成為可能。目前絕大多數抄表系統中的數據檢測和傳輸，主要是有線(xiàn)方式進(jìn)行。本文將給出基于IEEE1451.2和藍牙協(xié)議的無(wú)線(xiàn)抄表傳感器的具體實(shí)現，以實(shí)現抄表系統的無(wú)線(xiàn)化。
1 藍牙技術(shù)
藍牙技術(shù)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(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，是一種無(wú)線(xiàn)數據與語(yǔ)音通信的開(kāi)放標準，目的是以無(wú)線(xiàn)的方式取代現有的有線(xiàn)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(chǎng)合；硬件集成應用簡(jiǎn)單，成本低廉，實(shí)現容易，而且易于推廣；藍牙功耗低，對人體危害��；采用擴頻跳頻技術(shù)，抗干擾能力強，增加了信息傳輸的安全性。藍牙系統支持點(diǎn)對點(diǎn)和一點(diǎn)對多點(diǎn)的通信。在一點(diǎn)對多瞇的連接方式中，多個(gè)藍牙單元共享一條信道，采用同一跳頻序列。各個(gè)藍牙設備構成的網(wǎng)絡(luò )稱(chēng)為匹克網(wǎng)（Piconet）。匹克網(wǎng)中藍牙設備以主從方式實(shí)現通信。由于藍牙設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位設備（1主7從）；但不同時(shí)刻，多個(gè)匹克網(wǎng)可以構成一個(gè)可重疊的散射網(wǎng)絡(luò )結構。藍牙通信的有效半徑和其輸出的功率有關(guān)：當輸出功率是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(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )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(shí)現，相當于在IEEE1451.2的結構模型上取代了原有的TII接口。采用無(wú)線(xiàn)的藍牙協(xié)議實(shí)現連接，類(lèi)似于實(shí)現了一個(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中嵌入了藍牙模塊，構成的無(wú)線(xiàn)NCAP和無(wú)線(xiàn)STIM，以點(diǎn)對多點(diǎn)在藍牙匹克網(wǎng)以主從方式實(shí)現相互通信。
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(gè)控制鏈接到它的STIM的串行接口。因此，必須設計一個(gè)類(lèi)似于TII接口的藍牙電路，構造一個(gè)專(zhuān)門(mén)的處理器來(lái)完成控制STIM和轉換數據到藍牙主控制接口HCI（Host Control Interface）的功能。
3 藍虎無(wú)線(xiàn)抄表傳感器的設計
基于上述無(wú)線(xiàn)傳感器結構模型給出的無(wú)線(xiàn)抄表傳感器的結構原理，如圖2所示。整個(gè)傳感器核心部件是實(shí)現數據采集的前端STIM部分和實(shí)現網(wǎng)絡(luò )接口的NCAP部分。STIM完成數據的采集和處理（濾波、校準等），NCAP完成傳感器的網(wǎng)絡(luò )接口，實(shí)現對PSTN電話(huà)互網(wǎng)連。STIM和NCAP之間用藍牙無(wú)線(xiàn)接口連接。STIM選用8位處理器實(shí)現，而NCAP的網(wǎng)絡(luò )接口通過(guò)8位的處理器和內嵌Modem的形式實(shí)現。
（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公司的調制解調芯片MSM7512B。
圖3
由于系統中藍牙模塊接口采用的是RS232串口，同時(shí)處理器和內置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規范，是一個(gè)點(diǎn)對多點(diǎn)的通信模塊。該模塊可以同時(shí)和在其范圍內被連接的7個(gè)藍牙從設備實(shí)現數據傳輸。MSM7512B為OKI公司推出的FSK模式調制解調器芯片，通過(guò)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(shí)，DTMF信號從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)標志位和IRQ/CP端電平來(lái)通知控制器準備接收數據；MT8888C作為DTMF發(fā)送器時(shí)，數據被寫(xiě)入發(fā)送寄存器，經(jīng)內部轉換合成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的從設備模塊建立連接；二是驅動(dòng)MSM7512B和MT8888C工作，實(shí)現與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(guò)單片機向藍牙模塊發(fā)送HCI（Host Contr
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