傳感器藍牙接口手機信息匯聚設計與實現(xiàn)

章新川，白 鵬，李驥陽，李 波

(1.陜西省水利廳，陜西 西安 710004；2.空軍工程大學，陜西 西安 710051；3.西安交通大學，陜西 西安 710049)

0 引 言

科學技術的發(fā)展及信息時代的到來，對信息的感知、傳輸及信息匯聚提出了更高的要求，高時效性和高可靠性是傳感網絡短距離通信亟待解決的需求。傳感網絡[1-3](wireless sensor network，WSN)主要由在空間上分布使用的傳感器組成，配以網絡控制系統(tǒng)，完成壓力、溫度、聲音、振動、運動等物理量的感知、信息的采集和傳輸，應用于環(huán)境與生態(tài)監(jiān)測、健康監(jiān)護、家庭自動化，以及交通控制等領域，實現(xiàn)信息的快速布控、信息的實時獲取、傳輸及信息匯聚，提高行業(yè)或應用領域的信息感知能力，滿足對信息獲取和傳輸?shù)男枨骩4-6]，在監(jiān)控、目標定位、設備狀態(tài)、效果評估等應用方面發(fā)揮了巨大的作用。

傳感器是傳感網絡的基本組成部件，傳感器獲取后的信息傳輸至傳感網絡[7-8]，完成信息的傳輸功能。目前常用的傳輸方式為數(shù)傳電臺、GPRS、衛(wèi)星、ZigBee、Wi-Fi及藍牙等技術。如何將傳感器獲取的信息快速、方便地匯聚到傳感網絡節(jié)點是目前的熱點研究問題。

藍牙技術1994年由愛立信公司推出，可實現(xiàn)固定設備、移動設備和個人局域網之間短距離的數(shù)據(jù)交換[9-10]。藍牙使用2.4 GHz頻段，傳輸有效范圍為10 cm～10 m，如果增強信號發(fā)射功率，則傳輸范圍可達100 m。藍牙是較為成熟的短距離無線通信技術，可在傳感器與傳感網絡節(jié)點之間通信，使信息傳輸更為有效[11-12]，是比較成熟的短距離通信技術[13-14]，研究內容偏重于領域應用[15-17]。

壓力式水位計基于所測水位靜壓與其高度成比例的原理，采用擴散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感元件，將靜壓轉換為電信號，再經過溫度補償和線性修正，轉化成4～20 mA或0～5 V的標準電信號。實際應用中，壓力式水位計與傳感網絡節(jié)點間為有線電纜連接，由于復雜的安裝環(huán)境，無法進行信息的短距離、快速采集與傳輸，需要新的技術適應實際需求。

文中基于藍牙技術，利用智能手機作為傳感網絡節(jié)點，以壓力型水位計為例，進行信息的實時采集、傳輸及匯聚，實際應用效果良好，解決了短距離傳感器信息藍牙匯聚問題。

1 傳感器藍牙接口手機信息匯聚總體框架

藍牙技術支持傳感器與手機間的短距離通信，傳感器的信息能方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗地進行數(shù)據(jù)通信，能夠有效簡化傳感器與手機終端之間的通信，從而使數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為短距離通信的無線替代有線通信探索新的路徑。

1.1 基本原理

傳感器藍牙接口手機信息匯聚的思路是將具有藍牙接口傳感器的信息，通過藍牙技術，短距離傳輸?shù)街悄苁謾C，手機可作為傳感網絡傳感信息的匯聚節(jié)點，完成信息的實時采集與傳輸，手機也可發(fā)送控制指令，對具有藍牙接口的傳感器進行控制，實現(xiàn)雙向信息傳輸。

完整的系統(tǒng)由具有藍牙接口的傳感器、智能手機及網絡組成，手機作為網絡的一個節(jié)點。智能手機中運行的軟件包含2部分內容，分別是傳感器藍牙數(shù)據(jù)接口部分及數(shù)據(jù)接收、顯示系統(tǒng)，是所研究的重點內容。系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。

圖1 基本原理示意

藍牙傳感器：完成壓力、溫度、聲音、振動、運動等物理量的感知、采集，將數(shù)據(jù)轉換為藍牙傳輸協(xié)議的格式，為傳輸做好準備。

智能手機：將手機作為傳感網絡節(jié)點，通過傳感器藍牙數(shù)據(jù)接口部分，手機接收數(shù)據(jù)或信息完成數(shù)據(jù)接收、顯示功能，同時也可轉發(fā)到網絡或專業(yè)人士處。

網絡傳輸：網絡為常用的手機網絡，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)滿足手機網絡傳輸要求。

專業(yè)人士：可在現(xiàn)場或后臺對數(shù)據(jù)進行判斷或數(shù)據(jù)應用。

1.2 總體框架

基于MVC(model view controller)架構模式的思想，對總體框架進行設計，便于簡化開發(fā)。所設計的總體框架包括傳感器藍牙數(shù)據(jù)接口、圖形菜單界面、算法封裝模塊、消息響應模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架

圖中的傳感器藍牙數(shù)據(jù)接口完成傳感器數(shù)據(jù)的藍牙傳輸接入，為文中重點討論的問題；圖形菜單界面完成手機運行軟件界面的功能；算法封裝模塊將常用的畫點、線、曲線算法進行封裝；消息響應模塊完成操作及時間控制。

對應于上述的總體框架，主要的類說明如表1所示。

2 傳感器藍牙接口手機信息匯聚實現(xiàn)

設計手機藍牙接口程序與軟件開放式構架并編程實現(xiàn)，對手機接收的數(shù)據(jù)進行測試和分析。該部分同時也可將其他具有藍牙接口的水位傳感器所涉及的通信協(xié)議，統(tǒng)一轉換為通用的藍牙通信協(xié)議，完成基于藍牙協(xié)議不同數(shù)據(jù)格式的轉換。

表1 總體框架的類說明

2.1 傳感器藍牙數(shù)據(jù)接口

所涉及的傳感器為具有藍牙接口協(xié)議的某型號壓力型水位計，應用藍牙技術，自動檢測連接并傳輸傳感器的數(shù)據(jù)；手機接收數(shù)據(jù)，通過圖形菜單界面顯示。

(1)傳感器藍牙接口與手機的藍牙通信程序流程。

表2 傳感器藍牙接口參數(shù)設置

傳感器藍牙接口與手機藍牙通信程序流程如圖3所示。

圖3 傳感器藍牙接口與手機的藍牙通信程序流程

首先進行系統(tǒng)初始化，主要包括接口參數(shù)設置、藍牙命令、事件緩沖區(qū)初始化等。藍牙設備在第一次通信前需要進行初始化操作，主要包括復位、讀取并記錄本地藍牙地址、設置查詢響應時間參數(shù)等。

初始化完成后，手機發(fā)出查詢廣播包，在通信距離內的藍牙傳感器對查詢廣播包進行應答，手機獲得傳感器的藍牙地址等信息；手機根據(jù)傳感器藍牙地址發(fā)出建立連接請求，傳感器藍牙接口同意后建立藍牙通信連接，獲得連接句柄，根據(jù)建立的連接句柄進行數(shù)據(jù)傳輸。

(2)相關指令設置(以具有藍牙接口的某型號壓力水位計為例)。

開始命令。用程序發(fā)送命令(16進制)：55 AA 03 F9 03 FF。

停止命令。用程序發(fā)送命令(16進制)：55 AA 03 F9 04 00。

通過建立的連接，進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式如表3所示。

表3 藍牙數(shù)據(jù)傳輸格式(默認9 600波特率)

表3中，數(shù)據(jù)1至數(shù)據(jù)5的解析描述如表4所示。

隨著國網供電公司對于智能化電網工作的不斷推進以及新型電力營銷方法的普及，對電網智能化和精細化管理要求越來越高。為滿足國網供電公司營配業(yè)務的高效運行，滿足配電網維修、搶修效率的要求，實現(xiàn)以“標準規(guī)范先行、數(shù)據(jù)治理和應用融合并重、應用建設促功能實用化”的工作思路，重點推進營配業(yè)務數(shù)據(jù)的整理、錄入、核實以及信息化采集系統(tǒng)適用性改造等工作，清理原始數(shù)據(jù)，規(guī)范新增數(shù)據(jù)；同時也為提高居民低壓集抄系統(tǒng)建設小區(qū)的臺區(qū)線損率計算準確性，研發(fā)和推廣適應新形勢下電網建設和電網精細化管理的新一代全數(shù)字化、多功能、智能化臺區(qū)識別儀，可以滿足電網建設和管理需要，為實現(xiàn)臺區(qū)精細化管理提供真實準確的基礎數(shù)據(jù)[2]。

表4 對應的數(shù)據(jù)解析描述

其中，水溫用來進行壓力的溫度補償；電壓值用來表征設備供電情況；平安報是例行的數(shù)據(jù)傳輸；同步位是用來校驗數(shù)據(jù)的有效性。例如，連續(xù)檢測到5個字節(jié)的最高位為10 000，說明是有效數(shù)據(jù)，壓力數(shù)據(jù)的最高位在數(shù)據(jù)3的bit6位；如果數(shù)據(jù)有丟包，檢測到的連續(xù)5個字節(jié)最高位不是10 000，此數(shù)據(jù)忽略，再搜索有效數(shù)據(jù)并進行解析。

2.2 軟件開放式構架實現(xiàn)

由于Java語言本身具有可移植的特點，文中的軟件是基于Java語言進行開發(fā)，使得軟件具有可移植性，適合于異構網絡環(huán)境和軟件的移植，軟件可安裝在智能手機的操作系統(tǒng)上。

傳感器型號不同，相應的藍牙接口解析方法也不同。因此，為自由、多樣化的數(shù)據(jù)傳輸，在軟件中專門設置數(shù)據(jù)接口協(xié)議轉換部分，完成傳感器藍牙接口數(shù)據(jù)協(xié)議、接入方式、數(shù)據(jù)連接等功能。同時，軟件部分還具有數(shù)據(jù)接口協(xié)議判斷識別、病態(tài)數(shù)據(jù)識別、數(shù)據(jù)預處理、顯示、轉發(fā)等功能。

通過上述內容的具體研究、設計與實現(xiàn)，將具體的傳感器藍牙特性和參數(shù)等實例化，研究軟件開放式構架的設計與實現(xiàn)，提出軟件開放式構架的構建方法、構建流程、軟硬件之間的數(shù)據(jù)協(xié)議等內容。

軟件開放式構架實現(xiàn)時，所設計的主要功能如表5所示。

表5 軟件開放式構架主要功能描述

3 應用實驗

以具有藍牙接口的某型號壓力水位計為例，對所研究內容進行驗證。手機為安卓8.0操作系統(tǒng)的普通國產手機；使用Java語言，輔助以XML語言，開發(fā)Android應用；完成接口功能選擇、參數(shù)設定、傳感器數(shù)據(jù)獲取與顯示功能。

3.1 手機圖形菜單界面

編寫、調試程序，經測試并完善后的手機圖形菜單界面截圖及連接壓力水位計后的實際運行界面截圖如圖4所示。

圖4 手機圖形菜單及實際運行界面截圖

3.2 測試結果分析

壓力型水位傳感器輸出的值為標準的電壓(0～5 VDC)或電流(0～20 mA)，經過轉換和溫度補償后變成水位測量數(shù)據(jù)，再經過編碼及AD轉換等環(huán)節(jié)，通過藍牙接口進行輸出，手機端對藍牙數(shù)據(jù)進行接收。

將手機端軟件接收的電壓數(shù)值與傳感器輸出的電壓值進行比較，對相對誤差進行分析，如表6所示。

表6 手機端軟件誤差

測試結果表明，手機端軟件的顯示值，在一定的誤差范圍內，符合預期設定值。

4 結束語

藍牙技術作為短距離通信的新手段，已經廣泛應用到傳感器、自動控制、通信等領域。文中將藍牙技術與手機相結合，將手機作為傳感網絡節(jié)點，完成信息匯聚功能，對傳感器藍牙數(shù)據(jù)接口、軟件開放式構架實現(xiàn)方法進行了研究。實驗結果表明，基于藍牙技術的手機信息匯聚方法較好地滿足傳感器信息快速、方便匯聚到傳感網絡節(jié)點的短距通信需求，可推廣到河道、水庫及地下水水位監(jiān)測等與水利相關的其他領域，具有潛在的應用價值和推廣性。實際應用中，如何根據(jù)不同的實際應用對象，構建不同的基于藍牙技術的手機信息匯聚框架，將是今后重點考慮的問題。