藍(lán)牙技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)化傳感器中設(shè)計及其應(yīng)用

1、藍(lán)牙技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)化傳感器中設(shè)計及其應(yīng)用          以傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE1451. 2為基礎(chǔ),介紹了無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器實現(xiàn)的一些具體技術(shù)要點,提出了一種基于藍(lán)牙協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器結(jié)構(gòu)模型,并給出了基于該模型開發(fā)的一個實驗室遠(yuǎn)程測溫裝置的具體軟、硬件實現(xiàn),最后探討了該裝置在病人遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中的應(yīng)用。         在測控系統(tǒng)中,傳感器作為信息采集必不可少的裝置,實現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)前的熱點研究問題。當(dāng)前大多數(shù)測控系

2、統(tǒng)中,傳感器多是采用有線方式,但是在一些特殊情況下,有線線纜連接顯然會造成很多不便,不能夠滿足現(xiàn)實需要。隨著新興無線技術(shù)(如藍(lán)牙技術(shù))的發(fā)展以及其芯片價格的降低,無線方式在很多場合都得到應(yīng)用以取代原有的有線接口方式。無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器勢必成為傳感器發(fā)展的一個重要方向。筆者在介紹IEEE1451. 2和藍(lán)牙技術(shù)的基礎(chǔ)上,提出了一種基于藍(lán)牙協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器結(jié)構(gòu)模型,并著重討論基于該模型開發(fā)的模擬實驗裝置的實現(xiàn)及其在病人遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)中的應(yīng)用。          1基于IEEE1451. 2和藍(lán)牙協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)化

3、傳感器          1. 1IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn)          IEEE1451. 2作為智能傳感器接口模塊標(biāo)準(zhǔn),它提供了將傳感器和變送器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化的接口標(biāo)準(zhǔn),采用通用的A /D 或D /A 轉(zhuǎn)換裝置作為傳感器的I/O 接口,將各種傳感器模擬量轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定格式的數(shù)據(jù),連同一個小存儲器傳感器電子數(shù)據(jù)表( TEDS,transducer electronic data sheet)與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的處理器目標(biāo)

4、模型網(wǎng)絡(luò)適配器(NCAP, network capable ap2p lication p rocess)連接,如此,數(shù)據(jù)可以按網(wǎng)絡(luò)規(guī)定的協(xié)議連接入網(wǎng)絡(luò)。該標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)模型提供了一個連接智能變送器接口模型( STIM, smart transducer interfacemodule)和NCAP的10線標(biāo)準(zhǔn)接口變送獨立接口(TII, transducer independence interface) 。其工作流程是敏感元件輸出的模擬信號經(jīng)A /D轉(zhuǎn)換及相應(yīng)數(shù)據(jù)處理(濾波、校準(zhǔn))后,由網(wǎng)絡(luò)處理裝置根據(jù)程序設(shè)定和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(TCP / IP)將其封裝成數(shù)據(jù)幀,通過網(wǎng)絡(luò)接口傳到網(wǎng)絡(luò)上。 &#

5、160;        1. 2藍(lán)牙技術(shù)          藍(lán)牙技術(shù)作為一種新的短距離無線通信協(xié)議,提供了一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放標(biāo)準(zhǔn),它具有許多特有的優(yōu)勢:很強的移植性,可應(yīng)用于多種通信場合;硬件集成電路應(yīng)用簡單,成本低廉,實現(xiàn)容易,且易于推廣;藍(lán)牙功耗低,對人體危害小;藍(lán)牙采用擴頻跳頻技術(shù),抗干擾能力強,增加了信息傳輸?shù)陌踩?。藍(lán)牙技術(shù)正以其特有的優(yōu)勢引起許多專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。      

6、;    1. 3傳感器結(jié)構(gòu)模型          基于IEEE1451. 2的有線網(wǎng)絡(luò)化傳感器結(jié)構(gòu)模型包含STIM、TII和NCAP 三部分。而本設(shè)計的基于IEEE1451. 2和藍(lán)牙協(xié)議的無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器,采用藍(lán)牙模塊替代TII實現(xiàn)無線連接,類似于實現(xiàn)了一個無線的STIM和無線NCAP接收終端的模式,它們以點對多點方式在藍(lán)牙匹克網(wǎng)以主從方式實現(xiàn)相互通信。          STIM通過無線的NCAP接入

7、以太網(wǎng)( Ethernet)或In2ternet,同時NCAP通過分配的IP地址與網(wǎng)絡(luò)相連,如圖1所示。與典型的有線方式相比,上述無線網(wǎng)絡(luò)模型增加了兩個藍(lán)牙模塊,對于藍(lán)牙模塊部分,標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙對外接口電路一般使用RS232或USB 接口,而TII是一個控制鏈接到它的STIM的串行接口,因此必須設(shè)計一個類似于TII接口的藍(lán)牙電路,構(gòu)造一個專門的處理器來完成控制STIM和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)到藍(lán)牙主控制接口(HCI, host control interface)的功能。硬件實現(xiàn)上可以采用接口模塊,軟件實現(xiàn)上可以采用標(biāo)準(zhǔn)的STIM軟件模塊: STIM 模塊、STIM 傳感器接口模塊、TII模塊、TEDS模塊以及

8、地址和函數(shù)模塊。               2模擬實驗裝置的實現(xiàn)          下面以實驗室開發(fā)的模擬裝置為例來說明該傳感器的實現(xiàn)。該裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,利用前端無線STIM中的MCU 定時采集溫度傳感器中的溫度值,經(jīng)藍(lán)牙無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至NCAP。NCAP將存放于特定的位置,當(dāng)有瀏覽器要查看該數(shù)值時,將該數(shù)值嵌入到相應(yīng)的網(wǎng)頁程序中,并對整段程序進(jìn)行TC

9、P /IP封裝處理,傳送到客戶端的瀏覽器上。              2. 1STIM的實現(xiàn)          STIM中MCU 采用的是AD 公司的微轉(zhuǎn)換芯片ADC812。該芯片內(nèi)有一個8052兼容的微處理器,遵從IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn),利用芯片ADC812內(nèi)部的640 B的數(shù)據(jù)存儲器作為可重復(fù)寫的TEDS存儲,利用內(nèi)部的一個通道12位的ADC實現(xiàn)A /D轉(zhuǎn)換以及通過芯

10、片內(nèi)的UART串行口實現(xiàn)與藍(lán)牙模塊的通信。藍(lán)牙模塊選用的是支持點對多點的愛立信ROK 101 008 系列,同時該模塊自帶射頻微帶天線。ROK 101 008 藍(lán)牙模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)遵從藍(lán)牙規(guī)范1. 1,其內(nèi)部基帶控制器同樣提供了UART接口。藍(lán)牙模塊內(nèi)部提供了主機控制器接口(HCI)來實現(xiàn)對藍(lán)牙硬件訪問的統(tǒng)一接口,結(jié)合RS232串口就可以實現(xiàn)主控制器和主機之間在傳輸層上的數(shù)據(jù)通信,基帶和射頻則提供了上層的鏈接和服務(wù)。同時,ADC812還應(yīng)完成對溫度傳感器的初始化、數(shù)據(jù)采集和處理。          (1)溫度

11、傳感器DS18B20接口和驅(qū)動。          溫度傳感器選用的是DS18B20, 該溫度芯片是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器,主要由4部分組成: 64位ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。ROM中的64位序列號是該DS18B20 的地址序列碼, ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同,這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20 的目的。主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟:初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令。其工作流程是: 初始

12、化ROM操作指令存儲器操作指令數(shù)據(jù)傳輸,工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。操作時必須先啟動DS18B20開始轉(zhuǎn)換,再讀出溫度轉(zhuǎn)換值。其硬件接口如圖3所示。              (2)藍(lán)牙模塊ROK 101 008初始化。          藍(lán)牙模塊上電即讓其完成初始化工作,使其能與信號范圍內(nèi)藍(lán)牙建立連接通道。這一過程主要通過單片機MCU對藍(lán)牙模塊發(fā)送HC I指令完成

13、。HCI指令包括指令分組,數(shù)據(jù)分組和事件分組,具體的格式為: 操作碼+參數(shù)總長+參數(shù)0 +.參數(shù)N 。          2. 2NCAP的實現(xiàn)          NCAP的功能為實現(xiàn)藍(lán)牙模塊對以太網(wǎng)( Ether2net)的接入,同樣選用ROK 101 008系列藍(lán)牙模塊,如此可以實現(xiàn)多個STIM對同一NCAP的連接。采用8位微處理器W77E58 和TCP / IP協(xié)議棧芯片W3100A一起實現(xiàn)對以太網(wǎng)(

14、 Ethernet)的接入的網(wǎng)絡(luò)化接口。          (1)協(xié)議棧芯片W3100A初始化。          W3100A是一TCP / IP協(xié)議棧芯片,包含的各協(xié)議層有: TCP、IP、UDP、ICMP和以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)鏈路DLC和MAC 協(xié)議, 其工作方式類似于Windows的Soket AP I,為便于實現(xiàn)對傳感器的訪問,可以將傳感器設(shè)計為具有Web服務(wù)器功能。W3100A 支持全雙工模式,內(nèi)部帶有雙口的SRAM數(shù)

15、據(jù)緩沖區(qū),其封裝是64腳的LQFP,提供了并口和串口兩種方式實現(xiàn)與MCU的通信。MCU和W3100A的硬件接口如圖4所示。其中, RTL8201 芯片為以太網(wǎng)物理層選用設(shè)備。          W3100A提供M II接口與RTL8201 相連, 其中引腳RX_CLK, RXDV, RXD 03 以及COL用于數(shù)據(jù)的接收,而TX_CLK, TXE, TXD 0 3 用于數(shù)據(jù)的發(fā)送。          MCU中提供模擬

16、的I2 C接口與W3100A 通信。              芯片W3100A正常工作必須對其完成相應(yīng)的初始化。初始化主要是對必要的寄存器進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置,這些寄存器包括: 網(wǎng)關(guān)地址寄存器GAR、子網(wǎng)掩碼寄存器SMR、硬件地址寄存器SHAR以及IP地址寄存器SIPR等。上述寄存器被設(shè)置后通過執(zhí)行控制寄存器CR的0位Sys_init激活芯片。          (2)WEB服務(wù)功

17、能實現(xiàn)。          協(xié)議棧芯片W3100A從硬件上實現(xiàn)了TCP / IP協(xié)議,因此將該裝置集成Web服務(wù)功能顯然比較容易,即在無線NCAP上應(yīng)實現(xiàn)相應(yīng)的HTTP協(xié)議,NCAP在網(wǎng)絡(luò)功能上相當(dāng)于“網(wǎng)關(guān)”。要實現(xiàn)遠(yuǎn)程瀏覽器與傳感器交互, 可以利用傳感器NCAP 中增加了的E2 PROM ( FM24C04 ) 來存儲相應(yīng)的網(wǎng)頁文件。交互時, HTTP通過統(tǒng)一資源定位器URL ( uniform resourcelocator)來確定傳感器應(yīng)該為瀏覽器提供哪些資源。   &

18、#160;      網(wǎng)頁文件存放在傳感器中的FM24C04里。當(dāng)監(jiān)測中心的瀏覽器發(fā)出頁面請求時, NCAP 上的處理器在TCP打包的時候,把來自STIM端的監(jiān)測值嵌入到相應(yīng)的網(wǎng)頁文件中的特殊標(biāo)志處,再為該網(wǎng)頁文件添加相應(yīng)的HTTP頭,返回給請求的用戶,如此用戶可以在瀏覽器上看到實際的監(jiān)測值。因此要實現(xiàn)Web功能,軟件上要在NCAP上完成HTTP協(xié)議,硬件上增加了一塊E2 PROM ( FM24C04) 。           3模擬裝置在病人監(jiān)護(hù)系統(tǒng)中的

19、應(yīng)用          將上述網(wǎng)絡(luò)化傳感器(實驗裝置)用于病人監(jiān)護(hù)中,病人就可以在異地(如家里)通過其身上攜帶的傳感器來采集和檢測某一信號,同時該傳感器將信號通過Ethernet或Internet傳送到監(jiān)測中心。病人遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。              利用模擬裝置中的WEB 功能,本方案采用B /S(瀏覽器/服務(wù)器)方式實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測中心PC機對傳感器的

20、訪問。如此可以最大程度地降低監(jiān)測中心PC機的要求,也免去客戶端軟件的設(shè)計。監(jiān)測PC只要通過其瀏覽器(如IE)即可方便實現(xiàn)對傳感器的信息進(jìn)行查詢和監(jiān)測。下面為存儲在溫度傳感器中的一個簡單的動態(tài)網(wǎng)頁程序,其中的“”用來在網(wǎng)頁中插入溫度的標(biāo)志,網(wǎng)頁文件存放在傳感器中的E2 PROM里。當(dāng)監(jiān)測中心的瀏覽器發(fā)出頁面請求時, NCAP上的處理器在TCP打包的時候,把來自STIM端的監(jiān)測值嵌入到相應(yīng)的網(wǎng)頁文件中的“”處,再為該網(wǎng)頁文件添加相應(yīng)的HTTP頭,返回給請求的用戶,如此用戶可以在瀏覽器上看到實際的監(jiān)測值。          <HTML >          <HEAD >          < TITLE >實時溫度監(jiān)視< /TITLE >  &