基于藍(lán)牙的可充電外掛轉(zhuǎn)換模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

董文潤(rùn)，易會(huì)磊，黃書成

（天信儀表集團(tuán)有限公司，浙江 溫州 325800）

0 引言

目前能源緊張與環(huán)境污染問(wèn)題日趨嚴(yán)重，全球正在推進(jìn)高效、清潔、多元化能源轉(zhuǎn)型，天然氣作為一種清潔、廉價(jià)的能源成為首選，未來(lái)將成為全球第一大消費(fèi)能源。天然氣和水、電能源一樣，在貿(mào)易計(jì)量結(jié)算時(shí)，傳統(tǒng)抄表方式往往采用外勤人員上門巡檢、抄表，人工抄表頻次低、效率低、管理成本較高，且對(duì)儀表本身來(lái)說(shuō)，儀表狀態(tài)、故障反饋的實(shí)時(shí)監(jiān)控度差等產(chǎn)生的供銷差問(wèn)題一直存在。而在非貿(mào)易的工業(yè)計(jì)量、過(guò)程監(jiān)控領(lǐng)域，傳統(tǒng)多采用有線的通信方式，例如RS485總線、4mA～20mA、HART等。有線方式存在架設(shè)成本較高、傳輸距離有限、易受外部干擾、可靠性較低等缺點(diǎn)。

隨著互聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為又一次信息產(chǎn)業(yè)的革命，于是基于新一代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能燃?xì)獗響?yīng)運(yùn)而生。應(yīng)用于智能儀表的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的無(wú)線通信技術(shù)按距離可分為兩類，一種為廣域低功耗的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以LoRa、Sigfox、GPRSCDMA、NB-IoT、LTE Cat-m等為代表，一種為短程無(wú)線技術(shù)以Zigbee、Bluetooth、Wi-Fi、RF射頻等為代表。綜合考慮應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)特點(diǎn)認(rèn)為作為新物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的NB-IoT和BLE低功耗藍(lán)牙更符合無(wú)線通信修正儀的應(yīng)用要求?；诖嗽O(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙的可充電外掛轉(zhuǎn)換模塊[3-5]。

圖1 藍(lán)牙模塊原理框圖Fig.1 Bluetooth module schematic

圖2 指示燈原理圖Fig.2 LED schematic

1 系統(tǒng)硬件電路結(jié)構(gòu)原理框圖

2 系統(tǒng)硬件與軟件方面的設(shè)計(jì)

2.1 MCU選型

由于藍(lán)牙轉(zhuǎn)換模塊要求體積小，所以微處理器需為小封裝，再?gòu)男詢r(jià)比穩(wěn)定性方面考慮，PIC24FV32KA301可為不錯(cuò)的選擇。PIC24FV32KA301是Microchip公司生產(chǎn)的一款具有XLP技術(shù)的20腳SSOP封裝通用16位閃存單片機(jī)，具備雙串口，F(xiàn)LASH空間32K，SRAM空間2K，并且具有以下一些特點(diǎn)：

1）超低功耗

PIC24FV32K301工作在8MHz時(shí)鐘條件下時(shí)，休眠模式(CPU、閃存以及外設(shè)不工作，SRAM工作)電流為8uA，工作電壓為2.0V～5.5V。

2）模擬特性

最多16路通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，100ksps轉(zhuǎn)換速率，休眠和空閑期間可進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可選擇片內(nèi)參考電壓。

3）其他特殊性能

用于休眠/深度休眠的超低功耗喚醒（ULPWU）功能；標(biāo)準(zhǔn)看門狗定時(shí)器（WDT），帶片上低功耗RC振蕩器以便可靠工作；通過(guò)兩個(gè)引腳進(jìn)行在線編程（ICSP）和在線調(diào)試（ICD）。

藍(lán)牙轉(zhuǎn)換模塊的串口二通過(guò)UART接口與藍(lán)牙模組相連，串口一通過(guò)RS485芯片實(shí)現(xiàn)與流量計(jì)相連[2]。

2.2 藍(lán)牙模組選型

選用綠鯨科技有限公司的E66A標(biāo)準(zhǔn)透?jìng)髂＝M，小尺寸（21mm×12.6mm），板載天線，模塊功耗低，支持BLE4.0/4.2通信協(xié)議。經(jīng)過(guò)前期的反復(fù)測(cè)試，最后將模組參數(shù)配置確定為2s間隔廣播、100ms間隔連接、19200串口波特率、-12dBm發(fā)射功率、TANCY+6個(gè)字節(jié)設(shè)備名稱，模組2s間隔廣播時(shí)（一直有信號(hào)）功耗為10uA，處于100ms連接狀態(tài)時(shí)功耗為60uA，該參數(shù)模式下藍(lán)牙信號(hào)覆蓋范圍約為2m。

該藍(lán)牙模組具有以下特點(diǎn)：

跳頻：使用所有藍(lán)牙規(guī)范版本通用的自適應(yīng)跳頻，最大程度地減少和其他2.4GHz ISM頻段無(wú)線技術(shù)的串?dāng)_。

主控制：更加智能，可以休眠更長(zhǎng)時(shí)間，只在需要執(zhí)行動(dòng)作的時(shí)候才喚醒。延遲：最短可在3ms內(nèi)完成連接設(shè)置并開始傳輸數(shù)據(jù)。健壯性：所有數(shù)據(jù)包都使用24-bitCRC校驗(yàn)，確保最大程度抵御干擾。

安全：使用AES-128 CCM加密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)包加密和認(rèn)證[4,5]。

2.3 升壓和充電電路

藍(lán)牙轉(zhuǎn)換模組在與流量修正儀進(jìn)行通訊的同時(shí)，還需要為流量修正儀提供24V外電源，采用AIC1896升壓芯片將3.7V鋰電池電壓升壓成24V，升壓芯片不使能時(shí)輸出電壓等于輸入的鋰電池電壓，鋰電池電壓通過(guò)LT1521-3.3穩(wěn)壓芯片給藍(lán)牙芯片和MCU提供電源。TP4056是一款完整的單節(jié)鋰電池線性穩(wěn)壓器，可以通過(guò)USB Type-C數(shù)據(jù)線和電源適配器對(duì)電池進(jìn)行充電。當(dāng)電池電壓小于3.4V時(shí)，就需要用USB Type-C數(shù)據(jù)線給藍(lán)牙模塊充電，2～3個(gè)小時(shí)即可充滿，充滿電時(shí)電池電壓為4.1V[1]。

2.4 模組狀態(tài)指示燈

藍(lán)牙轉(zhuǎn)換模組上面一共有3個(gè)模組狀態(tài)LED指示燈，D12燈亮起時(shí)表示模塊成功連上手機(jī)，熄滅時(shí)表示與手機(jī)斷開；D14燈亮起時(shí)表示藍(lán)牙模組有數(shù)據(jù)發(fā)給MCU；D13燈亮起時(shí)，表示藍(lán)牙模組處于喚醒狀態(tài)，此時(shí)MCU正有數(shù)據(jù)傳輸給藍(lán)牙模組，熄滅時(shí)藍(lán)牙模組處于休眠模式[5]。

2.5 MCU軟件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙轉(zhuǎn)換模組采用低功耗方式進(jìn)行通信處理，利用串口中斷喚醒MCU。當(dāng)藍(lán)牙轉(zhuǎn)換模組與手機(jī)APP沒(méi)有數(shù)據(jù)通訊時(shí)，MCU處于休眠模式，此時(shí)藍(lán)牙轉(zhuǎn)換模組有兩種狀態(tài)：一種是處于廣播狀態(tài)，但未與手機(jī)APP連接，整個(gè)電路板功耗為100uA；一種是處于廣播狀態(tài)，并與手機(jī)APP連接，整個(gè)電路板功耗為150uA。在沒(méi)有與手機(jī)APP進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊狀態(tài)下電池可以運(yùn)行2年。

當(dāng)MCU檢測(cè)到手機(jī)APP有報(bào)文數(shù)據(jù)下傳，串口二在接收數(shù)據(jù)時(shí)，MCU同時(shí)使能升壓電路輸出24V給修正儀供電，并退出休眠模式，打開內(nèi)部定時(shí)器，喚醒藍(lán)牙模組，定時(shí)1.5s后通過(guò)串口一轉(zhuǎn)發(fā)串口二接收的命令報(bào)文數(shù)據(jù)(例如讀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)命令、讀歷史數(shù)據(jù)命令等)，當(dāng)流量計(jì)接收到命令后，回傳數(shù)據(jù)包給串口一。串口一接收的數(shù)據(jù)如果超過(guò)200個(gè)字節(jié)，則需要分包發(fā)送(藍(lán)牙模組單次最多只能發(fā)送200個(gè)字節(jié)，而后需要延時(shí)至少5ms，否則會(huì)導(dǎo)致藍(lán)牙模組擁塞造成數(shù)據(jù)不能成功發(fā)送)，即串口一每接收200個(gè)字節(jié)，串口二就用查詢方式轉(zhuǎn)發(fā)這200個(gè)字節(jié)，同時(shí)串口一持續(xù)在接收新的數(shù)據(jù)，等最后接收到的不大于200個(gè)字節(jié)的一幀數(shù)據(jù)接收發(fā)送完，則MCU將一些標(biāo)志字節(jié)恢復(fù)為初始狀態(tài)并執(zhí)行不使能升壓電路、休眠藍(lán)牙模組、定時(shí)器關(guān)閉、進(jìn)入Sleep模式等操作以保證低功耗，如果超過(guò)3s串口一沒(méi)有收到回傳數(shù)據(jù)，則認(rèn)為數(shù)據(jù)掉線，MCU執(zhí)行以上同樣的操作。軟件使用芯片內(nèi)部看門狗，2.5s溢出，在主函數(shù)中執(zhí)行喂狗指令，有數(shù)據(jù)通訊時(shí)打開內(nèi)部看門狗，無(wú)數(shù)據(jù)通訊時(shí)MCU處于休眠模式時(shí)，關(guān)閉內(nèi)部看門狗[1,2]。

圖3 MCU軟件流程圖Fig.3 MCU Software flowchart

2.6 手機(jī)端APP軟件

圖4 手機(jī)APP界面Fig.4 Mobile APP interface

手機(jī)APP是基于安卓系統(tǒng)開發(fā)的智能手機(jī)應(yīng)用程序，打開軟件后要先搜索藍(lán)牙信號(hào)，當(dāng)搜到藍(lán)牙模塊的ID“TANCY +6個(gè)字節(jié)”時(shí)，點(diǎn)擊連接，一個(gè)藍(lán)牙模塊只能同時(shí)被一個(gè)手機(jī)APP連接，即點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)APP是主機(jī)，藍(lán)牙模塊是從機(jī)。前期經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，當(dāng)修正儀上傳的數(shù)據(jù)量比較大時(shí)，例如上傳小時(shí)記錄往往有幾十K或者幾百K個(gè)字節(jié)，這時(shí)將藍(lán)牙模組的連接間隔設(shè)置為100ms就可以完整地將這么多數(shù)據(jù)發(fā)送給手機(jī)。連接間隔100ms的意思就是E66藍(lán)牙模組每隔100ms將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，還有一個(gè)MTU參數(shù)(Maximum Transmission Unit,最大傳輸單元)以設(shè)置為100為最佳，這個(gè)參數(shù)需要主機(jī)手機(jī)APP設(shè)定。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了響應(yīng)國(guó)內(nèi)燃?xì)庥?jì)量和儀表智能化、物聯(lián)網(wǎng)化的號(hào)召，本文設(shè)計(jì)了一款基于藍(lán)牙的可充電外掛轉(zhuǎn)換模塊。該模塊采用藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)，具有低發(fā)射功率、低成本和短距離通信以及PIC單片機(jī)穩(wěn)定低功耗的特點(diǎn)，可方便快捷地對(duì)氣體流量計(jì)修正儀進(jìn)行參數(shù)配置和數(shù)據(jù)讀取。相信隨著藍(lán)牙無(wú)線通信和移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)的普及，該模塊會(huì)得到廣泛的應(yīng)用[2,3,5]。