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藍(lán)牙技術(shù)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的概念提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線鏈接，使人們能隨時(shí)隨地地進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交換與傳輸。隨著各種藍(lán)牙終端設(shè)備的普及，如何增加藍(lán)牙設(shè)備的互操作性，如何把藍(lán)牙設(shè)備接入因特網(wǎng)，以及對(duì)藍(lán)牙設(shè)備本身的數(shù)據(jù)分布存儲(chǔ)和主控中心集中存儲(chǔ)提出了很多新的挑戰(zhàn)。
本文介紹了一種采用藍(lán)牙技術(shù)的嵌入式工業(yè)診斷系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)采集終端獲取的監(jiān)控信息（溫度，電壓等）回傳到總控中心，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程報(bào)警，和數(shù)據(jù)采集 功能。對(duì)于藍(lán)牙技術(shù)在工業(yè)環(huán)境里的實(shí)時(shí)性，穩(wěn)定性作了基本的分析。同時(shí)試圖探索一種平臺(tái)獨(dú)立的控制系統(tǒng)，增加系統(tǒng)的獨(dú)立性和跨平臺(tái)操作。文章最后探討了藍(lán) 牙技術(shù)和TCP/IP協(xié)議棧的結(jié)合，嵌入式分布數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)和管理。
該工業(yè)診斷系統(tǒng)具有藍(lán)牙無(wú) 線通信功能，能夠多路采集,實(shí)時(shí)顯示二十四小時(shí)工業(yè)環(huán)境信息存儲(chǔ)，采集參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析與診斷，監(jiān)督報(bào)警的功能。管理員可以在總控中心，對(duì)各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn) 行管理，此外，還可以遠(yuǎn)程控制設(shè)備的報(bào)警參數(shù)，報(bào)警時(shí)間，探測(cè)頻率等進(jìn)行更改設(shè)置。系統(tǒng)采用16/32位RISC ARM7DMI為內(nèi)核的LPC2106芯片和Connectblue公司的Cb-OEMSPA13i藍(lán)牙模塊作為主控制處理器模塊和藍(lán)牙通信模塊。
1藍(lán)牙技術(shù)
藍(lán)牙技 術(shù)是由愛(ài)立信、IBM、Intel、諾基亞、東芝等5家公司于1998年5月聯(lián)合制定的近距離無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)開(kāi)放的全球工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是 為固定設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的無(wú)線電空中接口(Radio Air Interface)，將通信技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)一步結(jié)合起來(lái)，提供一種低價(jià)位、低功耗、可替代電纜的無(wú)線數(shù)據(jù)和語(yǔ)音鏈路，使設(shè)備能在近距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)相 互通信或操作。該技術(shù)采用跳頻機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，能極大地提高數(shù)據(jù)傳送的抗干擾性能，工作在全球公眾通用的2.4GHz ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué))頻段，傳輸速率為1Mbps，傳輸距離為10m-100m，可構(gòu)成最多由8臺(tái)設(shè)備構(gòu)成的微微網(wǎng)（Piconet），亦可再由多 個(gè)獨(dú)立、非同步的微微網(wǎng)（Piconet）拓?fù)湫纬煞植际骄W(wǎng)絡(luò)（Scatternet）。同時(shí)信道可采用采用0位、40位、60位密鑰加密。目前已由 Bluetooth SIG組織制定藍(lán)牙1.2系統(tǒng)國(guó)際規(guī)范。本系統(tǒng)藍(lán)牙協(xié)議棧如圖1所示。藍(lán)牙技術(shù)在PAN(personal area network)的應(yīng)用十分廣泛，比較熟悉的主要有無(wú)線音頻的應(yīng)用，隨處可見(jiàn)的藍(lán)牙耳塞大家一定不陌生。但是，藍(lán)牙技術(shù)在工業(yè)監(jiān)控方面的應(yīng)用，目前正全面 鋪開(kāi)。在這個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用，應(yīng)該說(shuō)是一個(gè)前期探索和研究，但又充滿前景的方向。歐洲許多大公司正陸續(xù)推出他們的相關(guān)解決方案。
2芯片概述
2.1主控制處理器LPC2106
LPC2106是飛利浦帶有一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的 ARM7DMI-S 微處理器，嵌入 128KB高速 Flash存儲(chǔ)器。 采用3級(jí)流水線技術(shù)，取指、譯碼和執(zhí)行同時(shí)進(jìn)行，能夠并行處理指令，提高CPU運(yùn)行速度。由于具有非常小的尺寸和極低的功耗，非常適用于那些將小型化作為 主要要求的應(yīng)用。多個(gè)32位定時(shí)器、PWM 輸出和32個(gè)GPIC使它特別適用于工業(yè)控制和小型機(jī)器人系統(tǒng)。ARM內(nèi)核在嵌入式應(yīng) 用領(lǐng)域的絕對(duì)占有率無(wú)疑讓他成為很多工業(yè)系統(tǒng)的首選方案。PHILIPS推出的這個(gè)低成本的ARM7芯片，同時(shí)卻包含了比51單片機(jī)豐富許多的片上資源。 在很多不需要音視頻處理的工業(yè)控制領(lǐng)域，正逐步替代51單片機(jī)，成為未來(lái)的趨勢(shì)。集成網(wǎng)絡(luò)功能和LCD顯示驅(qū)動(dòng)模塊的型號(hào)（LPC28xx），和針對(duì)低成 本的LPC210X，成為我們實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的最佳選擇。
2.2藍(lán)牙模塊Cb-OEMSPA13i
藍(lán)牙模塊Cb-OEMSPA13i是ConnectBlue公司集成的有射頻收發(fā)，基帶控制和管理，符合RS232接口協(xié)議的藍(lán)牙串口適配器。 核心工作電壓3-6V。芯片內(nèi)硬件和固件符合藍(lán)牙規(guī) 范V1.1。射頻發(fā)射功率支持CLASS2。輸出頻率2.402 –2.480 GHz，最大接收頻率+14dBm。支持多點(diǎn)傳輸。基于ConnectBlue強(qiáng)大的工業(yè)應(yīng)用背景，該模塊已經(jīng)在惡劣的工業(yè)環(huán)境下被大量的應(yīng)用，針對(duì)工業(yè) 環(huán)境做了很多的從硬件到軟件的改良和增強(qiáng)，這也是我們選擇這個(gè)模塊的原因。
3系統(tǒng)工作原理和總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，它的工作原理是：系統(tǒng)由①處采集信號(hào)，其中包括兩路模擬信號(hào)，兩路數(shù)字信號(hào)和兩路由溫度傳感器（PT100）檢測(cè)出 的環(huán)境溫度信號(hào)，這些信號(hào)分別送到各自的信號(hào)采集和調(diào)整模塊，針對(duì)各種信號(hào)的特點(diǎn)和要求進(jìn)行放大，濾波等處理，并將信號(hào)放大調(diào)整到一定的幅度，其中信號(hào)采 集調(diào)整過(guò)程如圖3。信號(hào)再經(jīng)主控制處理器內(nèi)含的十位A/D轉(zhuǎn)換器把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；主控制處理器模塊運(yùn)行嵌入式操 作系統(tǒng)和片上信號(hào)分析應(yīng)用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和閾值比較及報(bào)警，同時(shí)在用戶界面上顯示各參數(shù)測(cè)量分析結(jié)果和報(bào)警信息，由FLASH ROM模塊完成對(duì)數(shù)據(jù)的壓縮存儲(chǔ)，將重要的數(shù)據(jù)存入E2PROM（數(shù)據(jù)庫(kù)②中存儲(chǔ)的是在用戶界面上設(shè)置的各個(gè)參數(shù)的閥值信息、報(bào)警信息和顯示的實(shí)時(shí)數(shù) 據(jù)。）。PPP協(xié)議采用兩個(gè)循環(huán)隊(duì)列的方式，通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸模塊功能，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到服務(wù)器，得出更為詳細(xì)的檢測(cè)報(bào)告，以便提供給技術(shù)人員作為現(xiàn)場(chǎng)信 息的參考評(píng)價(jià)。此外，管理員可以在服務(wù)器端，通過(guò)web對(duì)各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并且遠(yuǎn)程控制設(shè)備的報(bào)警參數(shù)，報(bào)警時(shí)間，探測(cè)頻率等進(jìn)行設(shè)置更改。
4 硬件電路
硬件電路部分包括信號(hào)采集調(diào)整模塊，ARM7DMI為內(nèi)核的LPC2106主控制處理器模塊,以Connectblue公司的Cb-OEMSPA13i藍(lán)牙模塊作為藍(lán)牙無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊，電源管理和重置模塊和其他保護(hù)、調(diào)整電路。各模塊具體實(shí)現(xiàn)以下功能：
1) 信號(hào)采集調(diào)整模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)多信號(hào)的拾取，對(duì)低頻、高頻、工頻等干擾信號(hào)進(jìn)行濾波和抑制，對(duì)模擬量進(jìn)行放大、零點(diǎn)調(diào)整和滿量程調(diào)整。
(2) 主控制處理器模塊結(jié)合商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)和片上采樣分析軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換和控制，數(shù)字濾波和小波分析，數(shù)據(jù)計(jì)算分析，同時(shí)控制和管理硬件部分的每個(gè)模塊。
(3) 存儲(chǔ)模塊實(shí)現(xiàn)各種信號(hào)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，可同時(shí)存儲(chǔ)實(shí)時(shí)產(chǎn)生的警報(bào)。E2PROM具有可擦除，可寫入功能，即使系統(tǒng)電源關(guān)閉，其上的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。
(4) 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸和藍(lán)牙無(wú)線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，與PC或其他設(shè)備上的藍(lán)牙無(wú)線端口連接實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙技術(shù)中的微微網(wǎng)（Piconet），同時(shí)允許多臺(tái)藍(lán)牙接口的設(shè)備構(gòu)成的對(duì)等的藍(lán)牙無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。
(5) 電源管理和重置模塊主要負(fù)責(zé)給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓和檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，保證系統(tǒng)的無(wú)故障運(yùn)行。
(6) 大量的濾波元器件和電路的使用，同時(shí)采用了四層板的設(shè)計(jì)，盡可能減少外界的干擾和系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素。
(7) 由于藍(lán)牙模塊涉及到高頻，在硬件電路中單獨(dú)為它設(shè)計(jì)了一個(gè)浮高的連接插件，使它能夠不受其他模塊的干擾，同時(shí)為藍(lán)牙模塊預(yù)留了外置天線的接口和調(diào)試重置的接口，以增加系統(tǒng)的可調(diào)試性和擴(kuò)展性。
5軟件設(shè)計(jì)
5.1軟件層次
5.2軟件程序的實(shí)現(xiàn)
5.2.1 操作系統(tǒng)
本系統(tǒng)采用的是瑞典Embedded Artists公司開(kāi)發(fā)的商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)Infrabed。 Infrabed是一個(gè)高度可配置型操作系統(tǒng)。它可以根據(jù)用戶的需要，將嵌入式系統(tǒng)低層框架組件進(jìn)行刪選，以便達(dá)到系統(tǒng)最優(yōu)，最集約化配置。在本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 過(guò)程中，我們采用了其中的搶占式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，PPP、TCP/IP通信協(xié)議，文件系統(tǒng)，Web server五個(gè)模塊。
5.2.2 通訊協(xié)議
藍(lán)牙的核心部分是協(xié)議棧，藍(lán)牙協(xié)議棧允許多個(gè)設(shè)備進(jìn)行相互的定位、連接和交換數(shù)據(jù)，并能實(shí)現(xiàn)互操作和交互式的應(yīng)用。協(xié)議棧分別運(yùn)行在藍(lán)牙模塊及微處理器上面，是管理系統(tǒng)資源、控制硬件、通過(guò)HCI對(duì)來(lái)自主機(jī)的命令進(jìn)行處理、完成藍(lán)牙功能的嵌入式軟件。
該藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)籃牙的協(xié)議子集LAN Access Point（LAP），這種應(yīng)用模式在藍(lán)牙連 接上使用IETF的點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議（PPP）。PPP是一種廣泛使用的Internet標(biāo)準(zhǔn)，為IP通訊提供了主機(jī)配置和準(zhǔn)備，PPP是為在同等單元之間傳輸 數(shù)據(jù)包這樣的簡(jiǎn)單的鏈路而設(shè)計(jì)的。這種鏈路提供全雙工操作，并按照順序傳遞數(shù)據(jù)包。PPP為基于各種主機(jī)、網(wǎng)橋和路由器的簡(jiǎn)單連接提供一種共通的解決方 案。
在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，我們把TCP/IP協(xié)議移植到藍(lán)牙鏈路上，使應(yīng)用層能夠透明地操作十分通用的套接字接口，為將來(lái)應(yīng)用程序的擴(kuò)展和移植提供了方便。
除了底層的通訊協(xié)議，我們還自己設(shè)計(jì)了一個(gè)協(xié)議專門用來(lái)傳輸報(bào)警、取樣信息以及數(shù)據(jù)庫(kù)的同步。有了這一層協(xié)議，為以后新的藍(lán)牙設(shè)備的互聯(lián)提供的統(tǒng)一的格式�！�5.2.3 分布和集中的數(shù)據(jù)庫(kù)
系統(tǒng)通過(guò)FLASH實(shí)現(xiàn)的本地分布數(shù)據(jù)庫(kù)，由于系統(tǒng)的FLASH空間有限，只能作為數(shù)據(jù)暫存的地方。上位機(jī)的集中數(shù)據(jù)庫(kù)才是系統(tǒng)總數(shù)據(jù)中心。
在數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)方面，系統(tǒng)增加了針對(duì)報(bào)警信息，采樣信息的加入，查詢，刪除等專用操作的接口函數(shù)，以提高數(shù)據(jù)庫(kù)的易用性和操作效率。同時(shí)為了各部分?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)的同步，修改了協(xié)議和數(shù)據(jù)的內(nèi)容格式，增加了時(shí)間戳，同步時(shí)間等字段，保證兩邊的數(shù)據(jù)同步。
為了防止系統(tǒng)的崩潰，掉電等極端的狀況，系統(tǒng)對(duì)最新的數(shù)據(jù)實(shí)行本地的FLASH備份。這樣最新的數(shù)據(jù)有兩處備份，增加了數(shù)據(jù)的安全性。用戶的配置信息等，系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了雙備份和兩邊同步，以用來(lái)系統(tǒng)恢復(fù)。
5.2.4 用戶界面
用戶界面的設(shè)計(jì)過(guò)程考慮到兩種需求，一是對(duì)平臺(tái)獨(dú)立的需求，希望該總控界面能運(yùn)行在不同的設(shè)備上。 二是對(duì)實(shí)時(shí)性的需求，因?yàn)楣I(yè)應(yīng)用的特殊要求，實(shí)時(shí)性無(wú)疑是我們必須考慮的問(wèn)題。
最后，系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)我們采用了兩種技術(shù),增加客戶的選擇空間：
1、嵌入式CGI+ WebServer。這樣系統(tǒng)有很好的平臺(tái)獨(dú)立性，只要能運(yùn)行IE瀏覽器的設(shè)備上都可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視和控制。
2、采用了Sun的Java applet技術(shù)書(shū)寫用戶界面。applet技術(shù)因?yàn)槠淞己玫钠脚_(tái)獨(dú)立性被廣泛應(yīng)用，同時(shí)他還有很好的實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn)，是方案1不能做到的。但唯一的要求就是設(shè)備除了支持IE瀏覽器外，還需要支持Java的解釋器。
有了這兩種技術(shù)，系統(tǒng)在不用安裝任何軟件的情況下，可以運(yùn)行在所有的PC，大部分的PDA和手機(jī)上，為操控人員提供很大的方便。
6結(jié)語(yǔ)
為了克服傳統(tǒng)工業(yè)控制機(jī)器附件多、有線檢測(cè)傳輸方式、組網(wǎng)不方便、檢測(cè)參數(shù)單一、擴(kuò)展交互能力差的不足，本系統(tǒng)提供一種具有藍(lán)牙無(wú)線通信的嵌入 式工業(yè)診斷系統(tǒng)。該工業(yè)診斷系統(tǒng)具有藍(lán)牙無(wú)線通信功能，能夠多路采集,實(shí)時(shí)顯示工業(yè)環(huán)境信息存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)分析與診斷，監(jiān)督報(bào)警的功能。同時(shí)，還可以 遠(yuǎn)程控制設(shè)備的報(bào)警參數(shù)，報(bào)警時(shí)間，探測(cè)頻率等進(jìn)行設(shè)置更改。內(nèi)含嵌入式操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析診斷應(yīng)用軟件，為設(shè)備的功能擴(kuò)展提供了方便。
參考文獻(xiàn)：
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66821730(技術(shù)支持)
