基于藍(lán)牙模塊的儀表組態(tài)調(diào)試方案

徐德宏 郭佛保 黃 興

（浙江中控自動化儀表有限公司）

隨著人們對移動通信需求的日益增長，通信模式從有線技術(shù)發(fā)展到無線技術(shù)，從固定模式走向移動模式。 在這種背景下，藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用越來越普及和重要，它融合了電子、計(jì)算機(jī)及通信等高新技術(shù)。 在工業(yè)現(xiàn)場，隨著信號類型和儀器儀表數(shù)量的增多，工廠通用場景中對儀器儀表的狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)調(diào)試及變更組態(tài)等工作需要投入巨大的人力、設(shè)備和時間資源。 針對需要通過通信線進(jìn)行組態(tài)程序下發(fā)的儀器儀表，筆者設(shè)計(jì)了一種基于藍(lán)牙模塊的儀表組態(tài)調(diào)試方案。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

以安全柵為例，通過專用的藍(lán)牙模塊連接至安全柵頂部特定的電氣接口（MicroUSB），完成與藍(lán)牙模塊的通信并給藍(lán)牙模塊供電（圖1），用戶在APP 端通過校驗(yàn)藍(lán)牙模塊的匹配碼 （PIN 碼）和物理地址MAC 確保連接安全。 鏈路建立后，就可以實(shí)現(xiàn)無線下發(fā)組態(tài)程序、 模塊狀態(tài)讀取、信息采集和功能調(diào)試等功能。

圖1 藍(lán)牙模塊與安全柵通信

鑒權(quán)是藍(lán)牙系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，基于“請求-響應(yīng)”運(yùn)算法則，它允許用戶為個人藍(lán)牙設(shè)備建立一個信任域，例如只允許自己的筆記本電腦通過自己的移動電話通信。 加密被用來保護(hù)通信中的個人信息，密鑰由程序的高層管理，通過網(wǎng)絡(luò)傳送協(xié)議和應(yīng)用程序可以為用戶提供一個較強(qiáng)的安全機(jī)制。

APP 端內(nèi)置關(guān)聯(lián)藍(lán)牙的特定PIN 碼和物理MAC 地址，能夠?qū)崿F(xiàn)雙層安全保護(hù)：第1 層安全保護(hù)是若特定PIN 碼不符合就不能進(jìn)行配對，即保證只有配對碼配對成功的藍(lán)牙設(shè)備才能連接，而其他無線設(shè)備無法連接；第2 層安全保護(hù)是藍(lán)牙地址的匹配，APP 端可以通過設(shè)置鎖定藍(lán)牙模塊匹配連接的藍(lán)牙地址的方法， 實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)對多點(diǎn)，即一個APP 端對應(yīng)多個藍(lán)牙模塊，若連接后發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙模塊的地址與APP 端所設(shè)定的地址范圍無法匹配，系統(tǒng)自動斷開連接，如圖2 所示。

圖2 APP 與藍(lán)牙設(shè)備配對流程

APP 端內(nèi)置關(guān)聯(lián)的所有安全柵的ID 表單，表單預(yù)先內(nèi)置關(guān)聯(lián)的所有安全柵ID 號。 當(dāng)APP通過外置藍(lán)牙模塊與安全柵握手通信鏈路建立后，會校驗(yàn)安全柵ID 號是否為內(nèi)置表單上的，如果是， 則能成功組態(tài)、 狀態(tài)監(jiān)控和功能調(diào)試；否則，顯示非法，拒絕進(jìn)一步操作，并記錄此時的安全柵ID 號，如圖3 所示。

2 實(shí)施方案

2.1 接口

安全柵特定的MicroUSB 接口信號定義為：+3.3V、RX、TX、NC、GND。

藍(lán)牙模塊的接口引腳定義與之對應(yīng)。

圖3 APP 與安全柵配對流程

從安全柵傳輸過來的+3.3V 給藍(lán)牙模塊RFBM-S02I 供電，RX、TX 用作安全柵MCU 與藍(lán)牙模塊通信。

2.2 藍(lán)牙模塊

RF-BM-S02I 藍(lán)牙模塊是基于CC2540 芯片研發(fā)的低功耗藍(lán)牙射頻模塊，可廣泛應(yīng)用于短距離無線通信領(lǐng)域。 本設(shè)計(jì)利用藍(lán)牙模塊體積小和操作便捷的特點(diǎn)代替了體積笨重的PC 機(jī)； 通過藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)無線連接代替了通信線纜； 通過APP端、藍(lán)牙模塊和安全柵自上而下的認(rèn)證關(guān)系大幅提高了系統(tǒng)的整體安全性， 避免PC 系統(tǒng)碎片化帶來的容錯問題。

2.3 APP 界面

APP 界面涵蓋了安全柵所有可組態(tài)的信號類型，界面分為4 個部分：

a. 組態(tài)。 主要分為輸入和輸出兩大區(qū)塊，輸入部分包含了熱電阻、熱電偶、電壓和電阻4 個信號類型，每個信號類型中可以通過下拉選項(xiàng)選擇具體型號和信號量程范圍，輸出部分可以設(shè)置4～20mA 對應(yīng)輸入信號的具體量程， 可以通過藍(lán)牙模塊讀取或下發(fā)安全柵的組態(tài)信息。

b. 實(shí)時。 在組態(tài)界面選擇好相應(yīng)的型號，切換到實(shí)時界面，無需任何操作，會實(shí)時顯示溫度、電流和冷端值，或者頻率和電流值，更新周期為2s。

c. 工具。 在該界面，可以進(jìn)行熱電偶/熱電阻的正向和逆向分度表查詢。 當(dāng)類型欄里選擇熱電偶時，轉(zhuǎn)換類型如果是電動勢，在冷端補(bǔ)償和溫度欄中輸入數(shù)值會轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電動勢值；轉(zhuǎn)換類型如果是溫度，在電動勢中輸入數(shù)值就會轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度值。 當(dāng)類型欄里選擇熱電阻時，轉(zhuǎn)換類型如果是轉(zhuǎn)電阻值， 在溫度欄中輸入數(shù)值，就會轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻值；轉(zhuǎn)換類型如果是轉(zhuǎn)溫度，在電阻值欄中輸入數(shù)值，就會轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的溫度值，如圖4、5 所示。

d. 我的。 在我的界面可以打開操作手冊，修改藍(lán)牙名稱、設(shè)置語言、檢測版本更新并查看公司信息等。

圖4 工具界面1

圖5 工具界面2

3 新方案的優(yōu)點(diǎn)

筆者提出的基于藍(lán)牙模塊的儀表組態(tài)調(diào)試方案，運(yùn)用了無線藍(lán)牙技術(shù)，有3 個較為突出的優(yōu)點(diǎn)：

a. 因?yàn)樗{(lán)牙技術(shù)中應(yīng)用了跳頻技術(shù)，所以藍(lán)牙通信的安全性和抗干擾性能力強(qiáng)，而且藍(lán)牙通信可連接多個設(shè)備， 克服了數(shù)據(jù)同步的難題，可以同時進(jìn)行批量儀器儀表的組態(tài)。

b. 提高了系統(tǒng)的可靠性。通常在系統(tǒng)調(diào)試階段會頻繁地對儀器儀表進(jìn)行組態(tài)，需要將已經(jīng)安裝好的儀器儀表拆卸下來進(jìn)行組態(tài)后再重新安裝，由于現(xiàn)場情況較為復(fù)雜，調(diào)試人員很容易因?yàn)橐恍┱`操作導(dǎo)致儀器儀表失效甚至整個系統(tǒng)故障。 而使用藍(lán)牙模塊進(jìn)行組態(tài)，不需要將儀器儀表拆卸下來， 簡化了整個系統(tǒng)調(diào)試的復(fù)雜程度，減小了儀器儀表的失效率。

c. 組態(tài)快速便捷。 現(xiàn)有的組態(tài)方式需要PC機(jī)、組態(tài)線及供電模塊等設(shè)備，所需設(shè)備多且笨重，每個儀器儀表安裝的位置不可能都滿足這些條件， 因此只是簡單的組態(tài)也會帶來很大的不便。 本設(shè)計(jì)中組態(tài)所使用的方案只需要一個藍(lán)牙模塊，攜帶輕便，通過藍(lán)牙無線通信，由儀表特定的接口供電即可工作，然后在手機(jī)安裝好的客戶端APP 上操作就可以進(jìn)行組態(tài)。

4 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的基于藍(lán)牙模塊的儀表組態(tài)調(diào)試方案，通過專用藍(lán)牙模塊與加密適配的APP 端來提高儀器儀表組態(tài)配置的安全性；不用頻繁拆卸儀表即可組態(tài)，提高了系統(tǒng)的可靠性；淘汰了以前需要PC 機(jī)、 組態(tài)線及供電電源等笨重?zé)龑懺O(shè)備的組態(tài)方式， 使用了輕便可攜帶的藍(lán)牙模塊，可隨時隨地進(jìn)行組態(tài)。 因此，本方案能夠較好地應(yīng)用于工廠中需要用通信線纜進(jìn)行組態(tài)信息下發(fā)的儀器儀表，有效地解決了工業(yè)現(xiàn)場儀器儀表組態(tài)配置耗費(fèi)人力、設(shè)備和時間的問題，大幅提高了組態(tài)的便捷程度、組態(tài)效率和安全性。