基于藍牙4.2的傳感器通用接口研究與探索

胡志健，張中煒,2

(1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620;2.東華大學(xué) 數(shù)字化紡織測控研究室，上海 201620)

?

基于藍牙4.2的傳感器通用接口研究與探索

胡志健1，張中煒1,2

(1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620;2.東華大學(xué) 數(shù)字化紡織測控研究室，上海 201620)

針對物聯(lián)網(wǎng)中傳感器種類繁多、接口不一致的現(xiàn)狀，設(shè)計了一種新型的無線傳感器通用接口。該接口由信號處理電路、藍牙芯片、電源和無線射頻電路組成，具有體積小、即插即用、功耗低等特點。接口所采樣的信號通過藍牙傳輸給數(shù)據(jù)采集器或云服務(wù)器，并實時在界面上顯示。該通用接口可在工業(yè)現(xiàn)場、智能家居、樓宇監(jiān)控等場合下用于電流、電壓、開關(guān)量與串口形式傳感器信號的處理。并給出了通用接口的設(shè)計方案。測試結(jié)果表明，該接口可以有效處理傳感器信號，達到了預(yù)期目標(biāo)。

物聯(lián)網(wǎng)；通用接口；傳感器；藍牙4.2

引用格式：胡志健，張中煒. 基于藍牙4.2的傳感器通用接口研究與探索[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(17)：97-100.

0　引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)[1]概念的興起和發(fā)展，通用傳感器接口[2]成為了傳感網(wǎng)絡(luò)中一個重要的研究領(lǐng)域。新的感測技術(shù)層出不窮，在信號處理、數(shù)字通信及本地智能擴展方面對類型多樣的傳感器信號提出了越來越高的處理要求[3]。微電子技術(shù)、半導(dǎo)體工藝與無線通信等技術(shù)日益成熟，出現(xiàn)了向傳感器內(nèi)部實現(xiàn)信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線傳輸一體化發(fā)展的趨勢。我國物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢[4]，然而在傳感器接口方面卻存在連接口復(fù)雜多樣、維護或更換困難、傳感器接口兼容性差等問題。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用日益普及的大背景下，為了縮短開發(fā)時間，降低風(fēng)險，迫切需要研發(fā)低成本、高性能的通用傳感器接口[5]。

在無線傳輸領(lǐng)域，相比于ZigBee[6]、WiFi[7]這些活躍的新興技術(shù)，藍牙在個人電腦及移動終端具備很大的基礎(chǔ)積累。最新的藍牙4.2協(xié)議提供了政府級隱私權(quán)限與信息安全保障，2.5倍傳輸速率提升，支持IPv6的互聯(lián)網(wǎng)連接[8]，適合在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域尤其是智能家居行業(yè)中應(yīng)用[9]。

1　接口組成與應(yīng)用框架

基于藍牙4.2協(xié)議設(shè)計無線傳感器通用接口屬于無線通信與電工電子領(lǐng)域，其應(yīng)用場景如圖1所示，主要由節(jié)點、數(shù)據(jù)采集器、藍牙4.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(BLE 4.2 Wireless Sensor Network, BLE 4.2 WSN)、路由器和云端組成。每個節(jié)點含有傳感器、信號接口電路、藍牙芯片、電源與無線射頻，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　接口應(yīng)用場景

圖2　節(jié)點內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

將信號接口電路、電源、藍牙芯片和無線射頻電路共同組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)稱為無線傳感器接口。信號接口電路可處理多種類型傳感器信號。每個節(jié)點通過路由器、支持6LoWPAN[10]或藍牙4.2的接入點，周期性地向BLE 4.2 WSN傳輸所采樣的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器可以接入BLE 4.2 WSN或云端，對接口進行參數(shù)設(shè)置。

與藍牙4.0/4.1不同，藍牙4.2協(xié)議直接支持IPv6地址分配，接入BLE 4.2 WSN網(wǎng)絡(luò)中的每個傳感器節(jié)點都會分配到唯一的IPv6地址。

2　信號接口電路與供電

傳感器的信號處理是無線傳感器通用接口設(shè)計中的一個核心組成部分。需要考慮應(yīng)用的實際需求，也應(yīng)考慮成本、可行性等因素。查閱相關(guān)文獻，為接口設(shè)計了電流、電壓、開關(guān)量與串口通信電路。

2.1電流型接口電路

在工業(yè)應(yīng)用中，一般傳感器將物理量轉(zhuǎn)化為電流輸出。鑒于儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)輸出為4～20 mA電流[11]，設(shè)計如圖3所示電流轉(zhuǎn)電壓接口，將電流轉(zhuǎn)為電壓。其中，傳感器通過圖3中端口Cn1與Cn2接入，選用INA214芯片，其內(nèi)部放大器增益為100。改變電阻R1阻值便可改變輸出電壓Vout范圍，通過藍牙芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換即可測量輸入電流大小。其中Power_Supply為傳感器供電電源，Vcc_IO為接口電源。

圖3　電流型接口電路

2.2開關(guān)量接口電路

在日常生活、工業(yè)現(xiàn)場或樓宇等場景下，常會遇到如繼電器、接近開關(guān)，為了檢測開關(guān)量狀態(tài)，采用如圖4所示電路。

圖4中，S2代表傳感器輸出，單刀雙擲開關(guān)S1通過觸點1或3即可靈活選擇電源。選用光耦如4N25實現(xiàn)電氣隔離，MCU I/O代表微控制器引腳輸入。開關(guān)S2斷開時，MCU I/O輸出為邏輯高電平；當(dāng)S2為閉合狀態(tài)時，MCU I/O輸出為邏輯低電平。微控制器只需讀取I/O引腳狀態(tài)便可判斷開關(guān)量S2的邏輯狀態(tài)。

圖4　開關(guān)量接口

2.3接口供電

為了便于在物聯(lián)網(wǎng)中使用，設(shè)計了內(nèi)部6 V電池和外接電源兩種方式供電。為保證微處理器及外設(shè)正常工作，需要穩(wěn)定的電壓。設(shè)計電源如圖5、圖6所示。

圖5　5 V供電電路

圖6　3 V供電電路

其中DC為外部7～40 V供電接入口，經(jīng)LM2576S-5降壓后輸出5 V電壓作為Vcc_IO，用于信號接口電路，D2、D4為二極管，用于內(nèi)部電池與外部供電切換；AP7333-33SAG-7芯片為低功耗穩(wěn)壓電路，降壓輸出3.3 V作為藍牙芯片電壓Vcc_nRF；BT1代表電池。

2.4電壓型接口電路

圖7　電壓接口電路

藍牙芯片nRF51822片內(nèi)集成A/D轉(zhuǎn)換器，工作電壓范圍為0～3.6 V。傳感器輸出的1～5 V電壓SVin經(jīng)單片機A/D輸入通道AINx即可測量電壓大小，如圖7所示。其中D1為5 V穩(wěn)壓二極管，作為過壓保護；電阻R1、R2、R3用于將5 V降壓為3.6 V。

2.5串口通信電路

藍牙芯片nRF51822片內(nèi)集成UART控制器，與串口驅(qū)動模塊連接如圖8所示。

圖8　串口通信驅(qū)動電路

其中RXD為串口輸入端，TXD為串口發(fā)送端。CTS為清除發(fā)送；RTS為請求發(fā)送。MAX232ACPE為RS-232驅(qū)動芯片，Vcc_IO為接口電壓，J1為DB-9接口。

3　藍牙4.2傳感器網(wǎng)絡(luò)

通過上文提及的接口電路可完成傳感器信號的采集，而數(shù)據(jù)的無線傳輸則借助藍牙實現(xiàn)。

3.1藍牙4.2協(xié)議

低功耗藍牙支持星型拓撲[12]，主要分為應(yīng)用層、主機與控制器。主機與控制器通過主機控制器接口交換信息?？刂破髫撠?zé)物理層射頻信號收發(fā)；主機側(cè)重于邏輯控制、安全以及屬性配置，并為應(yīng)用層提供底層服務(wù)接口。搭載藍牙4.2協(xié)議的傳感節(jié)點，需要配置GATT以便于讀寫傳感器數(shù)據(jù)。應(yīng)用層提供API為上層用戶程序調(diào)用，用于控制底層藍牙設(shè)備，包括設(shè)備名稱、廣播時間、屬性與特征配置等。

3.2軟件設(shè)計

針對接口功能需求，設(shè)計接口底層嵌入式軟件以及數(shù)據(jù)采集器應(yīng)用。其中接口底層程序用于處理傳感器信號并發(fā)送給采集器；采集器的應(yīng)用則與用戶交互，控制接口底層的工作。

3.2.1接口底層軟件

圖9　底層接口軟件框圖

基于Nordic的S110[13]協(xié)議棧編寫接口底層軟件，工作流程如圖9所示。通用接口與數(shù)據(jù)采集器之間通信流程：先對藍牙模塊進行初始化設(shè)置，初始化完成后，藍牙模塊發(fā)出廣播信號等待數(shù)據(jù)采集器連接，如果在廣播期間內(nèi)接收到數(shù)據(jù)采集器的連接請求，則與之配對。若配對成功，則接口停止廣播，數(shù)據(jù)采集器通過藍牙設(shè)置接口參數(shù)，設(shè)置完畢后，傳感器接口開始數(shù)據(jù)采集工作，經(jīng)信號接口模塊處理后，傳給藍牙模塊進一步處理，而后無線發(fā)送給數(shù)據(jù)采集器，發(fā)送成功之后繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。周而復(fù)始不斷采集、發(fā)送數(shù)據(jù)。

使用嵌入式C語言編寫接口底層程序，管理nRF51822資源，完成外圍硬件的初始化設(shè)置、協(xié)議棧初始化、設(shè)備配對以及傳感器數(shù)據(jù)的收發(fā)與解析等；數(shù)據(jù)采集器發(fā)送的命令經(jīng)藍牙傳輸給下位機，下位機解析命令后執(zhí)行；命令包括接口功能選擇、參數(shù)設(shè)定如A/D采樣速率、串口波特率等。

3.2.2數(shù)據(jù)采集器應(yīng)用

數(shù)據(jù)采集器采用基于Android平臺系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備，如智能手機。Android系統(tǒng)功能豐富，開發(fā)者調(diào)用Android API庫構(gòu)建程序組件即可實現(xiàn)各種功能[14]。本文使用Java語言開發(fā)應(yīng)用，調(diào)用藍牙API完成設(shè)備掃描、連接與通信。

4　通用接口設(shè)計與驗證

由于目前藍牙4.2協(xié)議還未普及，采用已經(jīng)成熟的4.0協(xié)議做探索性試驗，驗證通用接口方案的可行性與可靠性。

4.1接口電氣兼容性

在實際接口設(shè)計與使用時，遵循的電氣規(guī)范包括A/D量程范圍(0～3.6 V)、微控制器引腳輸出驅(qū)動能力(最大驅(qū)動電流15 mA)、串口RS232引腳規(guī)范等。

4.2藍牙通信模塊

選用Nordic藍牙核心模塊，該模塊含有Cortex-M0內(nèi)核的nRF51822芯片，含有包括ADC、UART、SPI等豐富資源，適合應(yīng)用于設(shè)計無線傳感器通用接口。

4.3實測結(jié)果

使用C語言編寫的代碼經(jīng)Keil編譯鏈接后下載到nRF51822上；Java編寫的應(yīng)用安裝到手機上。測試信號包括高低電平、模擬電流與電壓，以及串口數(shù)據(jù)。終端的部分工作界面如圖10所示。

圖10　終端應(yīng)用部分界面

5　結(jié)論

通過對各種類型傳感器信號的實驗測試可知，本文設(shè)計的通用接口結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)置與使用方便，連接常用的傳感器即可實時檢測分布松散的物理變量而無需布線；對于環(huán)境監(jiān)測與海量信息采集，可利用數(shù)據(jù)采集器傳入云服務(wù)器分析。通用接口的研究與應(yīng)用，有利于促進物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

[1] YOUNAS M, AWAN I, PESCAPE A. Internet of Things and Cloud services[J]. Future Generation Computer Systems, 2016, 56: 605-606.

[2] LI X, MEIJER G C M, DE BOER R, et al. A high-performance universal sensor interface[C]. Sensors for Industry, 2001. Proceedings of the First ISA/IEEE Conference. IEEE, 2001: 19-22.

[3] WILSON P D, HOPKINS S P, SPRAGGS R S, et al. Applications of a universal sensor interface chip (USIC) for intelligent sensor applications[C].Advances in Sensors, IEEE Colloquium on. IET, 1995: 3/1-3/6.

[4] 工信部. 物聯(lián)網(wǎng) “十二五” 發(fā)展規(guī)劃[EB/OL].(2014-02-19)[2016-04-30].http://www.als.gov.cn/jw/zdgz/1_52290/default.shtml.

[5] 于海斌, 梁煒, 曾鵬. 智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2013.

[6] 劉子京, 裴文江. 基于ZigBee 協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展, 2009, 19(5): 192-194.

[7] PATEL N, DESAI N. Wi-Fi module and wireless sensor network based automated irrigation system[J]. SYSTEM, 2015, 2(4): 70-76.

[8] 于博. 藍牙技術(shù)聯(lián)盟發(fā)布 Bluetooth 4.2 核心版本[J]. 中國電子商情: 基礎(chǔ)電子, 2015 (3): 15-16.

[9] 王偉.藍牙4.2: 物聯(lián)網(wǎng)首選無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2015, 41(2): 7.

[10] MA X, LUO W. The analysis of 6LoWPAN technology[C]. 2008 IEEE Pacific-Asia Workshop on Computational Intelligence and Industrial Application. IEEE, 2008: 963-966.

[11] 林勇.工業(yè)控制用4～20mA電流變送器[J].電子元器件應(yīng)用,2006, 8(7): 28.

[12] 楊寧,田耀,張平,等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)研究[J].無線電工程,2006, 36(2): 11-13.

[13] 周堂興.基于FPGA的脈搏與血氧飽和度監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].上海：東華大學(xué),2015.

[14] 曾健平,邵艷潔.Android系統(tǒng)架構(gòu)及應(yīng)用程序開發(fā)研究[J].微計算機信息,2011, 27(9): 1-3.

Research and exploration of a universal sensor interface based on Bluetooth 4.2

Hu Zhijian1, Zhang Zhongwei1，2

(1.School of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China; 2.Digital Textile Measurement and Control Laboratory, Donghua University, Shanghai 201620, China)

To cover the wide range kinds of sensors and inconsistency interfaces, this paper presents a new universal wireless sensor interface. The interface with small size, plug and play, low power consumption, consists of a signal processing circuit, Bluetooth chip, power supply and radio frequency circuit. Signal sampled by this interface will be sent to the data collector or the cloud server through Bluetooth technology, and real-time displayed on the screen. The interface can be used in the industrial field, intelligent home, building control and other occasions for handling current, voltage, switch and serial sensor signals. The reference design is also given. Tests show that the interface can effectively deal with the sensor signal and achieve the expected target.

Internet of Things; universal interface; sensor; Bluetooth 4.2

TP393

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.17.029

2016-05-07)

胡志健(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)與集成技術(shù)。

張中煒(1957-)，男，學(xué)士，高級工程師，主要研究方向：工業(yè)過程控制自動化領(lǐng)域的研究和工程實施，檢測與控制儀器儀表的產(chǎn)品研發(fā)。