蓝牙无线抄表传感器的设计
关键词：IEEE1451标准蓝牙协议 无线传感器 无线抄表
引言
IEEE1451.2是智能传感器接口模块标准。它提供了将传感器和变送器连接到网络的接口标准，主要用于实现传感器的网络化。IEEE1451.2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（Transducer Electronic Data Sheet），与标准规定的处理器目标模型―网络适配器NCAP（Network Capable Application Process）连接。如此，数据可以按网络规定的协议接入网络。该标准结构模型提供了一个连接智能变送器的接口模型STIM（Smart Transducer Interface Module）NCAP的10线标准接口―变送独立接口TII（Transducer Independence Interface）。
图1
采用上述IEEE1451标准实现传感器网络化的同时，无线通信技术被引入原有传感器以实现无线化也是传感器当前的研究热点，是今后传感器发展的一个重要方向。尤其随着蓝牙技术应用的失言以及其芯片价格的进一步下调，将蓝牙技术引入传感器以实现传感器的无线化已成为可能。目前绝大多数抄表系统中的数据检测和传输，主要是有线方式进行。本文将给出基于IEEE1451.2和蓝牙协议的无线抄表传感器的具体实现，以实现抄表系统的无线化。
1 蓝牙技术
蓝牙技术为蓝牙特别兴趣小组（SIG，Special Interest Group）在1998年提出。它是一种新的短距离无线通信协议，是一种无线数据与语音通信的开放标准，目的是以无线的方式取代现有的有线接口。其优势在于：具有很强的移植性，可应用于多种通信场合；硬件集成应用简单，成本低廉，实现容易，而且易于推广；蓝牙功耗低，对人体危害小；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。蓝牙系统支持点对点和一点对多点的通信。在一点对多眯的连接方式中，多个蓝牙单元共享一条信道，采用同一跳频序列。各个蓝牙设备构成的网络称为匹克网（Piconet）。匹克网中蓝牙设备以主从方式实现通信。由于蓝牙设备的物理寻址地址为3位，因此在同一时刻，匹克网最多只能激活8位设备（1主7从）；但不同时刻，多个匹克网可以构成一个可重叠的散射网络结构。蓝牙通信的有效半径和其输出的功率有关：当输出功率是2类（2.5mW/4dB）时，通信范围为15m；如果增加其功率到1类（4mW/20dB）时，就能使通信范围达到100m。
2 基本标准和协议的传感器结构模型
基于IEEE1451.5和蓝牙协议的无线网络化传感器由STIM、蓝牙模块和NCAP三部分组成，其体系结构如图1所示。此方案的实现，相当于在IEEE1451.2的结构模型上取代了原有的TII接口。采用无线的蓝牙协议实现连接，类似于实现了一个无线的STIM和无线NCAP接收终端的模式。通过在原有的STIM和NCAP中嵌入了蓝牙模块，构成的无线NCAP和无线STIM，以点对多点在蓝牙匹克网以主从方式实现相互通信。
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（Host Control Interface）的功能。
3 蓝虎无线抄表传感器的设计
基于上述无线传感器结构模型给出的无线抄表传感器的结构原理，如图2所示。整个传感器核心部件是实现数据采集的前端STIM部分和实现网络接口的NCAP部分。STIM完成数据的采集和处理（滤波、校准等），NCAP完成传感器的网络接口，实现对PSTN电话互网连。STIM和NCAP之间用蓝牙无线接口连接。STIM选用8位处理器实现，而NCAP的网络接口通过8位的处理器和内嵌Modem的形式实现。
（1）NCAP部分硬件设计
抄表传感器NCAP硬件部分选用的处理器、蓝牙模块和内置Modem分别是Winbond公司的W78E58处理器、Erricsson公司ROM 101 008系列蓝牙模块以及OKI公司的调制解调芯片MSM7512B。
图3
（2）抄表传感器NCAP部分软件设计
抄表传感器NCAP部分的软件设计，主要是在单片机上完成两部分功能的程序编制：一是初始化蓝牙模块，使抄表传感器NCAP部分上主设备模块和所有范围内的从设备模块建立连接；二是驱动MSM7512B和MT8888C工作，实现与PSTN的连接。
①蓝牙模块初始化。参照008蓝牙模块的工作方式，即通过单片机向蓝牙模块发送HCI（Host Controler Interface）分组。HCI指令包括指令分组、数据分组和事件分组。具体格式为：操作码+参数总长+参数0+……+参数N。
如下给出主、从设备间实现ACL数据连接的HCI指令（字符对应相应指令的操作码，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(0x3)。主设备发送查询HCI指令Inquiry(0x9c8b33,8,0)，假定从设备的地址为0x000000000000,则建立ACI连接的HCI指令为Creat_Connection (0x000000000000,0xcc18,0,0,0,0)。从设备接收连接请求指令为Accept_connection_request(0x111111111111,0)，假定主设备的地址为0x111111111111。这样主从设备之间即建立了ACL数据连接。其中Inquiry对应的操作码为：0x0001,0x01。具体指令参见蓝牙规范。②初始化MSM7512B和MT8888C。首先使能MSM7512B，选择模式1。值得注意的是，复位MT8888C时，必须将上电后延时100ms。具体复位方式参见MT8888C数据手册。
/*初始化程序*/
TCON=0x40H; //Timer1使能
TMOD=0x20H; //Timer1为定时器，8位自动重装TH1到TL1
CKCON=0x30H;//Timer1和Timer2时钟为1/12 CLOCK
SCON=0x50H//串口0模式1，波特率由Timer2决定
IE=0xD1H;//使能中断（串口1和串口2以及INT0）
SCON1=0x50H;//串口1模式1，波特率由Timer1决定
T2CON=0x34H;//Timer2自动重装RCAP2L到TL2，RCAP2H到T2H
WDCON=0x02H//Watchdog复位使能
TL1=0xFDH;TH1=0xFDH;TL2=0xFDH;TH2=0x00H;
RCAP2L=0xFAH;RCAP2H=0x00H;
/*初始值设置，设置串口1和串口2的波特率为9600bps*/
Init_008(); //初始化蓝牙模块
Reset_mt8888c();//复位MT8888C
P1^0=1;P0=0x00H;//使能MSM7512，选择模式1
/*外部中断0的服务程序*/
void service_int0()interrupt0
{SendRecord ();//传送监测记录……}
（3）STIM的设计
大多数传大吃一惊器的STIM部分设计相对简单，因为电表数据采集的功能比较单一。图4为STIM数据采集部分的原理框图。
硬件设计时，电表数据采集部分和传统的有线方式一样，只是硬件上增加了蓝牙模块作为和上层蓝牙传感器NCAP的无线接口。数据采集部分经光电转换后的数字脉冲接到单片机的计数器口，实现计数，然后将必要的电表数据量送至蓝牙模块。单片机迁移家长普通的8031即可，模块选用的是ROK 101 008系列。软件上除了要注单片机上完成数据采集的部分程序外，上电时还应该初妈哗蓝牙模块，使模块能够在其有效范围被搜索连接。数据采集部分程序主要是实现对计数器的计数，同时转换成电表参量，然后径蓝牙模块送到NCAP。
4 基于蓝牙抄表传感器的抄表系统
整个抄表系统结构示意如图5所示。一个抄表传感器STIM部分对应一个电表，多个STIM完成和一传感器的NCAP无线连接。蓝牙抄表传感器NCAP部分的安放位置应根据具体住宅的情况进行选择要使其能采集到范围内所有抄表传感器STIM部分的电表数据。抄表传感器STIM部分和安置于每一处的电表相接，同时须注意的是远程抄表中心PC还应完成客户端软件开发，实现数据接收。
本系统主要是针对电力系统进行设计，但稍加发行后，即可广泛应用到煤气表、水表等其它家用数据的无线抄收。
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