蓝牙技术在传感器无线网络化中的应用方案.docx
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蓝牙技术在传感器无线网络化中的应用方案
蓝牙技术在传感器无线网络化中的应用方案
引言
通常在测控系统中,传感器是信息采集的重要装置,数据的采集全靠传感器,被誉为“神经触角”的它如何实现其网络化,也是当前的热点研究问题。
当前大多数测控系统中,传感器多是采用有线方式,但是在一些特殊情况下,有线线缆连接显然会造成很多不便,不能够满足现实需要。
随着新兴无线技术(如蓝牙技术)的发展以及其芯片价格的降低,无线方式在很多场合都得到应用以取代原有的有线接口方式。
无线网络化传感器势必成为传感器发展的一个重要方向。
在介绍IEEE1451.2和蓝牙技术的基础上,本文提出了一种基于蓝牙协议的无线网络化传感器结构模型,并着重讨论基于该模型开发的模拟实验装置的实现及其在病人远程监护中的应用。
1 基于IEEE1451.2和蓝牙协议的无线网络化传感器
1.1 IEEE1451.2标准
IEEE1451.2作为智能传感器接口模块标准,它提供了将传感器和变送器实现网络化的接口标准,采用通用的A/D或D/A转换装置作为传感器的I/O接口,将各种传感器模拟量转换成标准规定格式的数据,连同一个小存储器———传感器电子数据表(TEDS,transducerelectronicdatasheet)与标准规定的处理器目标模型———网络适配器(NCAP,networkcapableap2plicationprocess)连接,如此,数据可以按网络规定的协议连接入网络。
该标准的结构模型提供了一个连接智能变送器接口模型(STIM,smarttransducerinterfacemodule)和NCAP的10线标准接口———变送独立接口(TII,transducerindependenceinterface)。
其工作流程是敏感元件输出的模拟信号经A/D转换及相应数据处理(滤波、校准)后,由网络处理装置根据程序设定和网络协议(TCP/IP)将其封装成数据帧,通过网络接口传到网络上。
1.2 蓝牙技术
蓝牙技术作为一种新的短距离无线通信协议,提供了一种无线数据与语音通信的开放标准,它具有许多特有的优势:
很强的移植性,可应用于多种通信场合;硬件集成电路应用简单,成本低廉,实现容易,且易于推广;蓝牙功耗低,对人体危害小;蓝牙采用扩频跳频技术,抗干扰能力强,增加了信息传输的安全性。
蓝牙技术正以其特有的优势引起许多专家学者的广泛关注。
1.3 传感器结构模型
基于IEEE1451.2的有线网络化传感器结构模型包含STIM、TII和NCAP三部分。
而本设计的基于IEEE1451.2和蓝牙协议的无线网络化传感器,采用蓝牙模块替代TII实现无线连接,类似于实现了一个无线的STIM和无线NCAP接收终端的模式,它们以点对多点方式在蓝牙匹克网以主从方式实现相互通信。
STIM通过无线的NCAP接入以太网(Ethernet)或In2ternet,同时NCAP通过分配的IP地址与网络相连,如图1所示。
与典型的有线方式相比,上述无线网络模型增加了两个蓝牙模块,对于蓝牙模块部分,标准的蓝牙对外接口电路一般使用RS232或USB接口,而TII是一个控制链接到它的STIM的串行接口,因此必须设计一个类似于TII接口的蓝牙电路,构造一个专门的处理器来完成控制STIM和转换数据到蓝牙主控制接口(HCI,hostcontrolinterface)的功能。
硬件实现上可以采用接口模块,软件实现上可以采用标准的STIM软件模块:
STIM模块、STIM传感器接口模块、TII模块、TEDS模块以及地址和函数模块。
2 模拟实验装置的实现
下面以实验室开发的模拟装置为例来说明该传感器的实现。
该装置的结构框图如图2所示,利用前端无线STIM中的MCU定时采集温度传感器中的温度值,经蓝牙无线网络将数据传送至NCAP。
NCAP将存放于特定的位置,当有浏览器要查看该数值时,将该数值嵌入到相应的网页程序中,并对整段程序进行TCP/IP封装处理,传送到客户端的浏览器上。
2.1 STIM的实现
STIM中MCU采用的是AD公司的微转换芯片ADμC812。
该芯片内有一个8052兼容的微处理器,遵从IEEE1451.2标准,利用芯片ADμC812内部的640B的数据存储器作为可重复写的TEDS存储,利用内部的一个通道12位的ADC实现A/D转换以及通过芯片内的UART串行口实现与蓝牙模块的通信。
蓝牙模块选用的是支持点对多点的爱立信ROK101008系列,同时该模块自带射频微带天线。
ROK101008蓝牙模块内部结构遵从蓝牙规范1.1,其内部基带控制器同样提供了UART接口。
蓝牙模块内部提供了主机控制器接口(HCI)来实现对蓝牙硬件访问的统一接口,结合RS232串口就可以实现主控制器和主机之间在传输层上的数据通信,基带和射频则提供了上层的链接和服务。
同时,ADμC812还应完成对温度传感器的初始化、数据采集和处理。
(1)温度传感器DS18B20接口和驱动。
温度传感器选用的是DS18B20,该温度芯片是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,主要由4部分组成:
64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
ROM中的64位序列号是该DS18B20的地址序列码,ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤:
初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。
其工作流程是:
初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输,工作时序包括初始化时序、写时序和读时序。
操作时必须先启动DS18B20开始转换,再读出温度转换值。
其硬件接口如图3所示。
(2)蓝牙模块ROK101008初始化。
蓝牙模块上电即让其完成初始化工作,使其能与信号范围内蓝牙建立连接通道。
这一过程主要通过单片机MCU对蓝牙模块发送HCI指令完成。
HCI指令包括指令分组,数据分组和事件分组,具体的格式为:
操作码+参数总长+参数0+参数N。
下面给出主从设备间实现ACL数据连接的HCI指令(字符对应指令的操作码,由前10位和后6位两部分组成,括弧内为该指令的参数):
从设备上电后实现查询使能进行复位Write_scan_enable(0x03)。
主设备发送查为0x00000000000,则建立ACL连接的HCI指令为Creat_Connection(0x000000000000,0x18,0,0,0,0),从设备接收连接请求指令为Accept_connection_request(0x111111111111,0),假定主设备地址为0x111111111111。
这样主从设备之间就建立了ACL数据连接。
如Inquiry对应操作码为x0001,0x01。
具体的HCI指令参见蓝牙规范。
2.2 NCAP的实现
NCAP的功能为实现蓝牙模块对以太网(Ether2net)的接入,同样选用ROK101008系列蓝牙模块,如此可以实现多个STIM对同一NCAP的连接。
采用8位微处理器W77E58和TCP/IP协议栈芯片W3100A一起实现对以太网(Ethernet)的接入的网络化接口。
(1)协议栈芯片W3100A初始化。
W3100A是一TCP/IP协议栈芯片,包含的各协议层有:
TCP、IP、UDP、ICMP和以太网协议的数据链路DLC和MAC协议,其工作方式类似于Windows的SoketAPI,为便于实现对传感器的访问,可以将传感器设计为具有Web服务器功能。
W3100A支持全双工模式,内部带有双口的SRAM数据缓冲区,其封装是64脚的LQFP,提供了并口和串口两种方式实现与MCU的通信。
MCU和W3100A的硬件接口如图4所示。
其中,RTL8201芯片为以太网物理层选用设备。
W3100A提供MII接口与RTL8201相连,其中引脚RX_CLK,RXDV,RXD[0∶3]以及COL用于数据的接收,而TX_CLK,TXE,TXD[0∶3]用于数据的发送。
MCU中提供模拟的I2C接口与W3100A通信。
芯片W3100A正常工作必须对其完成相应的初始化。
初始化主要是对必要的寄存器进行相应的设置,这些寄存器包括:
网关地址寄存器GAR、子网掩码寄存器SMR、硬件地址寄存器SHAR以及IP地址寄存器SIPR等。
上述寄存器被设置后通过执行控制寄存器CR的0位Sys_init激活芯片。
(2)WEB服务功能实现。
协议栈芯片W3100A从硬件上实现了TCP/IP协议,因此将该装置集成Web服务功能显然比较容易,即在无线NCAP上应实现相应的HTTP协议,NCAP在网络功能上相当于“网关”。
要实现远程浏览器与传感器交互,可以利用传感器NCAP中增加了的E2PROM(FM24C04)来存储相应的网页文件。
交互时,HTTP通过统一资源定位器URL(uniformresourcelocator)来确定传感器应该为浏览器提供哪些资源。
网页文件存放在传感器中的FM24C04里。
当监测中心的浏览器发出页面请求时,NCAP上的处理器在TCP打包的时候,把来自STIM端的监测值嵌入到相应的网页文件中的特殊标志处,再为该网页文件添加相应的HTTP头,返回给请求的用户,如此用户可以在浏览器上看到实际的监测值。
因此要实现Web功能,软件上要在NCAP上完成HTTP协议,硬件上增加了一块E2PROM(FM24C04)。
3 模拟装置在病人监护系统中的应用
将上述网络化传感器(实验装置)用于病人监护中,病人就可以在异地(如家里)通过其身上携带的传感器来采集和检测某一信号,同时该传感器将信号通过Ethernet或Internet传送到监测中心。
病人远程监护系统结构示意图如图5所示。
利用模拟装置中的WEB功能,本方案采用B/S(浏览器/服务器)方式实现远程监测中心PC机对传感器的访问。
如此可以最大程度地降低监测中心PC机的要求,也免去客户端软件的设计。
监测PC只要通过其浏览器(如IE)即可方便实现对传感器的信息进行查询和监测。
下面为存储在温度传感器中的一个简单的动态网页程序,其中的“@”用来在网页中插入温度的标志,网页文件存放在传感器中的E2PROM里。
当监测中心的浏览器发出页面请求时,NCAP上的处理器在TCP打包的时候,把来自STIM端的监测值嵌入到相应的网页文件中的“@”处,再为该网页文件添加相应的HTTP头,返回给请求的用户,如此用户可以在浏览器上看到实际的监测值。
4 结语
本文提出的基于蓝牙协议的无线网络化传感器设计,信息传输安全可靠,可行性强。
其无线的特殊优势,能够满足某些特殊情况的需要,具有广阔的应用前景和良好的市场价值。
开发的模拟实验装置如再进一步通过临床验证与完善,即可用于病人远程监护系统实现人体体温的实时检测、监护、记录和储存。
如在此基础上增加血压、心率等传感器之后,即可实现对人体的血压、心率等实施监护与记录处理。
蓝牙在无线温度传感中的应用
引言
在各种生产现场都需要温度传感器实现温度的检测中,温度是一种最常用的控制参数。
但在一些危险的场合或物体移动的情况下,有线的温度传感器不仅布线复杂而且容易造成线缆脱落影响数据的可靠性。
近年来,蓝牙技术作为一种较成熟的短距离无线通信技术,将它和单片机技术相融合设计无线温度传感器,可以方便、实时、可靠地将采集到的温度数据传输给控制终端,保证了生产的顺利进行。
而且,经过功能扩展建立的无线传感器网络,能够适应更加复杂的测量现场。
1蓝牙技术简介
蓝牙技术是一种无线的数据与语音通信的开放性标准,工作在2.4GHz的ISM频段上,采用跳频扩谱技术。
蓝牙设备的最大发射功率可分为3级:
100mw(20dB/m)、2.smw(4dB/m)、lmw(0dB/m)。
当蓝牙设备功率为lmw时,其传输距离一般为0.1~10m。
当发射源接近或是远离而使蓝牙设备接收到的电波强度改变时,蓝牙设备会自动地调整发射功率。
当发射功率提高到10mw时,其传输距离可以扩大到10om。
蓝牙支持点对点和点对多点的通信方式,在非对称连接时,主设备到从设备的传输速率为721kbps,从设备到主设备的传输速率为57.6kbPs;对称连接时,主从设备之间的传输速率各为432.6kbps。
蓝牙标准中规定了在连接状态下有保持模式(HoldM0de)、呼吸模式(SniffMode)和休眠模式(ParkMode)3种电源节能模式,再加上正常的活动模式(ActiveMode),一个使用电源管理的蓝牙设备可以处于这4种状态并进行切换,按照电能损耗由高到低的排列顺序为:
活动模式、呼吸模式、保持模式、休眠模式,其中,休眠模式节能效率最高。
蓝牙技术的出现,为各种移动设备和外围设备之间的低功耗、低成本、短距离的无线连接提供了有效途径。
2系统硬件结构
无线温度传感器主要由单片机控制单元、蓝牙模块、温度检测单元、接口电路及其它辅助电路组成,系统结构如图1所示。
控制单元凌阳单片机为整个系统的核心,对检测到的温度数据进行转换、显示、传输,外扩4MBFLAsH用于存储程序和温度数据。
蓝牙模块包括蓝牙芯片、放大器、非平衡变压器(Balun)等,负责与蓝牙控制终端进行无线连接和数据传输,按键完成系统设置、复位等信息输人,测量的温度数据在传输到控制终端的同时在LED上显示,并通过扬声器定时语音播报当前温度数据和超限报警。
2.1单片机控制单元
控制单元采用SPCE061A单片机,工作电压为2.6~3.6V,工作频率为0.32一49.152MHz,较高的处理速度使其能够非常容易、快速地处理复杂的数字信号。
该芯片内包括ADC、DAC、定时器/计数器、RAM、FLASH、ROM等器件,具有一套高效率的指令系统和集成开发环境,并且支持标准C语言,可以实现C语言与凌阳汇编语言的相互调用,为硬件设计和软件开发提供了便利条件。
另外,芯片内置的2路10位精度的DAC,再配合丰富的语音函数库,可方便地完成语音的播放,非常适合于语音应用的开发。
2.2温度检浏单元
温度检测单元采用D1S8B02型传感器,是美国DALLAS公司推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出被测温度,并且可根据实际要求通过编程实现9~12位的数字值读数方式。
DS18BZo与SPCEo61A单片机的接口电路如图2所示,由于DS18B20传感器支持“一线总线”接口,因此只需将DS18B20信号线接到单片机的1位1/0线上即可,而且在1根1/0线上可以挂接多个传感器实现多点温度测量。
为了提高抗干扰性能,采用外加电源方式对传感器供电。
2.3无线传愉控制单元
随着蓝牙芯片单芯片的集成度越来越高和集成了芯片、Balun、晶振等各种蓝牙模块的面世,将蓝牙嵌人到其它数字化设备中也越来越容易实现。
本系统无线传输由蓝牙模块BCM02实现,BCM02核心采用CSR(CambridgesiliconRadio)公司的BlueCoreZ一External蓝牙芯片,外围扩展T晶振、FLASH、Balun、带通滤波器(BPF)、1.SV稳压电路,可以根据不同的应用场合快速开发,模块符合蓝牙Vl.1标准,最大发射功率设计为2.smw(4dB/m),是一个二级蓝牙芯片,工作电压为3士0.3V。
BCMoZ通过UART口与单片机相连,为简化设计,将所需的蓝牙协议栈和无线传输应用程序直接固化在蓝牙模块中,利用蓝牙提供一个透明的无线数据传输,而单片机只要设置好波特率等参数即可进行通信,传输控制由单片机完成。
3软件设计及流程
3.1单片机软件设计
单片机软件部分主要包括主程序、中断子程序、测温子程序、转换显示及存储子程序、UART通信子程序、语音播放子程序等,为了降低功耗,使用中断来唤醒单片机进行测温等工作,因此主程序部分比较简单,主要负责系统各部分初始化和中断的调用,在系统初始化完成后就直接进人睡眠模式,当中断到来时单片机退出睡眠模式,调用中断子程序实现测温、转换显示、温度数据的传输以及语音的播报和报警等功能。
3.2蓝牙应用程序设计
本系统是基于蓝牙的串口应用模型SPP(SerialPortProfile)实现无线数据的透明传输,在核心协议栈之上编写自己的上层应用程序。
CSR的蓝牙核心协议栈包括HCI、LZCAP、SDP、RFCOMM等,以固件的形式提供给开发人员,用户编写的应用程序和协议栈一起运行在CSR嵌人式环境中。
在CSR程序中,不同任务之间可以异步地发送消息,每一个任务在创建的时候可以让其中一个拥有消息队列,其它的就把发给任务的消息提交给该消息队列,由任务调度程序自动运行获得任务的消息。
蓝牙模块上层应用程序流程如图3所示。
4低功耗设计
作为无线传感器,低功耗运行可以最大限度地延长设备的有效使用时间,为了获得最佳性能,设计时在电源损耗和可用性方面必须根据情况权衡使用,除了选用低功耗器件外,笔者从以下几个方面设计了电源管理程序以尽量减少无线温度传感器的功耗。
(1)由于无线温度传感器负责向控制终端传输数据,因此何时进行数据采集、何时进行数据传输可以由控制终端决定,非常适合使用休眠模式和呼吸模式,通过减少蓝牙设备在微微网中的活动达到节电的目的,并且控制终端一般接有持久的电源,所以电源管理的开销由终端来负责比较合适。
把控制终端作为主设备,将电源管理程序设计在终端的应用控制层中,并由控制终端完成设备的查询、配对、建链等工作,当无线传感器与控制终端配对成功并建立RFCOMM连接后进人休眠模式,此时主从设备仍然保持着RFCOMM信道,只是不能发送和接收数据,休眠模式下信标间隔可设为15,电流大概在lmA左右。
当需要进行数据传输时,退出休眠模式进人呼吸模式,通过呼吸时隙发送数据,呼吸间隔可设为20~40ms,间隔过大会带来明显延迟,当数据传输结束后再次进人休眠模式,从而尽可能地降低能耗。
(2)CSR的BlueCore芯片提供T独特的硬件节能方法—深度睡眠(Depslep)模式,进人和退出深度睡眠模式至少需要10ms,通过按钮或事件进人深度睡眠模式很大程度上降低了损耗。
当用户确定将有较长时间不使用无线温度传感器时,可通过控制终端发送事件消息进人深度睡眠模式,需要使用时再通过消息快速退出。
在深度睡眠模式下电流一般可控制在50拼A左右。
(3)凌阳单片机SPCE06lA也可以应用CPU的睡眠模式,且A口具有键唤醒功能,将BCM02的PIOS与单片机的IOA7相连接,当蓝牙模块退出休眠模式,发送指令进行数据采集时,PIOS输出高电平,通过IOA7电平的变化产生中断来唤醒CPU进人工作状态。
基于蓝牙的无线接入点设计
发布:
2011-6-4|作者:
——|来源:
zhouyaobang|查看:
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摘要:
实现了一种全集成可变带宽中频宽带低通滤波器,讨论分析了跨导放大器-电容(OTA—C)连续时间型滤波器的结构、设计和具体实现,使用外部可编程电路对所设计滤波器带宽进行控制,并利用ADS软件进行电路设计和仿真验证。
仿真结果表明,该滤波器带宽的可调范围为1~26MHz,阻带抑制率大于35dB,带内波纹小于0.5dB,采用1.8V电源,TSMC0.18μmCMOS工艺库仿真,功耗小于21mW,频响曲线接近理想状态。
关键词:
Butte
摘 要:
以51单片机P89V51RD2为主控制器、ROK101008为蓝牙模块、W3100A为TCP/IP硬件协议栈、以太网网卡芯片RTL8201为网络接口,介绍了一种基于蓝牙的无线接入点的硬件结构和软件流程。
该设计支持TCP/IP协议和蓝牙协议,具备蓝牙设备的无线上网功能,通过Internet实现数据的远程传输。
关键词:
蓝牙技术;无线接入技术;以太网;互联网
无线接入技术是实现无线网接入有线网的网络通信技术,其典型应用就是无线接入点。
无线接入点是一个用于将无线网与有线网连接到一起,使无线客户端和有线网络之间能够相互发送和接收数据的装置,是无线移动终端设备接入到Internet的网络接口。
无线移动终端可通过无线接入点访问Internet资源[1]。
基于蓝牙的无线接入点就是实现蓝牙无线移动终端接入Internet的网络接口,其主要功能是通过蓝牙无线传输技术,使蓝牙设备接入Internet网,实现一个或数个蓝牙设备的无线上网功能。
1蓝牙接入点的组成
蓝牙接入点的结构框图如图1所示。
它由前端和后端两部分组成,前端部分由蓝牙模块和单片机组成,构成蓝牙收/发模块,主要功能是通过蓝牙协议,与其他蓝牙设备建立无线链接,实现蓝牙设备间的无线通信;后端则由单片机和TCP/IP协议栈芯片、以太网网卡芯片组成,构成单片机网络接口模块,主要功能是通过TCP/IP协议栈芯片、网卡芯片,再经RJ45接入Internet,根据TCP/IP协议,与Internet上的服务器进行通信,实现数据的远程传输。
这样,通过蓝牙接入点就可实现从蓝牙网接入到Internet网,完成蓝牙协议与TCP/IP协议的转换。
蓝牙接入点为其他蓝牙设备提供了无线上网途径。
2蓝牙接入点的设计
由图1可知,蓝牙接入点的设计包括蓝牙收/发模块的设计和单片机网络接口模块的设计,每个模块又包括硬件设计和软体设计两部分。
2.1蓝牙收/发模块设计
2.1.1硬件设计
蓝牙收/发模块主要由单片机通过异步串行通信接口与蓝牙模块连接而成。
由于单片机与蓝牙模块的工作电压不一定相同,不仅需要考虑电源变换问题,还需要考虑逻辑电平的转换问题。
若所选单片机与蓝牙模块都是+3.3V供电,则可把单片机的UART串口与蓝牙模块的UART串口直接相连接。
在本设计中,所选用的单片机P89V51RD2是+5V供电,ROK101008是+3.3V供电,需要进行电源变换。
电源变换电路比较简单,采用电源变换芯片AMS1117-3.3即可。
至于逻辑电平转换,可在P89V51RD2与ROK101008之间接入IDT公司的电平转换芯片IDT74FCT164245T,其连接示意图如图2所示。
2.1.2软体设计
蓝牙收/发模块的软体设计包括蓝牙链接和数据的收/发两部分。
蓝牙设备间的通信主要是通过单片机向蓝牙模块发送HCI指令、接收HCI事件的形式实现[2-3]。
当两个蓝牙模块链接成功后,就可以按照蓝牙规范规定的ACL数据包格式收/发数据。
本系统设计的是蓝牙终端点对点的链接,其通信流程如图3所示。
由图可知,蓝牙通信过程主要有蓝牙模块的初始化、查询、链接、数据通信和链接断开等几个过程。
实现时,可以将蓝牙指令以函数的形式封装成一个HCI指令接口函数库。
编写HCI驱动程序时,可直接从函数库中调用HCI指令函数,对蓝牙设备进行基本操作,如对蓝牙设备进行复位、读取蓝牙设备的地址、初始化、查询、建立链接、收发数据和断开链接等[4]。
2.2单片机网络接口模块设计
2.2.1硬件设计
单片机网络接口模块主要由单片机P89V51RD2、TCP/IP硬件协议栈芯片W3100A及物理收发芯片RTL8201BL组成,完成单片机与Internet间的通信。
W3100A芯片提供了直接总线模式(DirectBusI/F)、间接总线模式(IndirectBusI/F)和I2C总线模式(I2CBus
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