糧情測控中藍牙技術的應用探索

2019-11-03 09:15:06

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供稿：網友

劉帆，樓巍，周維民

上海大學機電工程與自動化學院

　　［摘　要］　隨著無線通訊技術的高速發展，藍牙技術作為其中最具代表性的一種，具有靈活、快速、抗干擾能力強等特點。該文在介紹藍牙技術概況的同時，將藍牙技術的探索應用于糧情測控之中。

［關鍵詞］　藍牙；糧情測控；ATMEL藍牙模塊

1　引言

　　隨著計算機技術的不斷發展，利用計算機技術來進行糧情檢測和智能化管理，正在我國蓬勃展開。但是目前我國普遍采用的糧庫糧情檢測儀器大多為“集中式”巡檢儀，雖在功能上基本能達到要求，但是它必須對被控糧庫進行改造，按糧垛實施采集點的布線，由于種種原因難以大面積推廣應用。由于藍牙無線通訊技術本身獨有的優點，將其試用于糧情檢測中。

2　藍牙技術的概況

　　藍牙技術的概念是愛立信公司于1995年提出的，這一概念一經提出便被業界普遍接受。1998年5月，由愛立信、諾基亞、東芝、IBM、INTEL這5家公司成立的藍牙特別興趣組（Bluetooth Spe－cialInterest Group）得到了全球業界的鼎立支持和大力協助，許多通訊、電子和家電廠商都紛紛加入了這個組織并參與其中的工作，使藍牙技術成為發展最迅速的無線通訊標準，并有望成為未來通訊網的主要業務之一。

2．1　藍牙的基本技術

　　藍牙技術是一種無線數據與語言通訊的開放性全球規范，是一種用微波技術去取代傳統網絡中錯綜復雜的連接電纜來實現固定設備及可移動設備的互聯而建立的一個特殊的短程無線通訊。藍牙系統一般由4個功能單元組成，其系統結構框圖如圖2—1。

　　無線射頻單元主要擔負射頻處理和基頻調制；鏈路控制單元是實現基帶協議和其它底層連接規程的基帶部分，包括建立網絡連接、差錯控制和安全控制3方面的內容；鏈路管理單元主要擔負基帶連接的設定及管理、基帶數據的分段及重組、多路復用和QOS（quality ofservice）等；軟件結構單元主要為各種應用提供應用軟件所需的通訊協議與應用程序接口。

2．2　藍牙的抗干擾技術

了很多的方便，但也正是因為這一點，在這個頻段工作的有某些家電、無線電話、微波爐等等，互相干擾嚴重，所以藍牙采取了特別設計的跳頻方案即跳頻擴譜技術（Frequency Hopping SPRead Spectrum）以確保鏈路穩定。在以2．402 GHz為起始頻率到2．480GHz為終止頻率的頻帶上，藍牙劃分了79個帶寬為1 MHz的信道（也可劃分成23個信道）。最大的跳頻速率為1660次／s。在一次連接中，無線電收發器按一定的碼序列（即偽隨機碼）不斷地從一個信道“跳”到另一個信道，外界的干擾信號不能對它進行長時間的影響。跳頻的瞬時帶寬是很窄的，但通過擴展頻譜技術使這個窄帶成百倍的擴展成寬頻帶，使干擾可能造成的影響變得很小。

　　此外，藍牙的基帶控制器采用了3種檢糾錯方式：1／3前向糾錯編碼（FEC）和2／3前向糾錯編碼以及自動請求重傳（ARQ）以確保傳輸的正確性。

2．3　藍牙拓撲結構

（1）Piconet（微微網）

　　Piconet是由一些共享同一個通道的單元設備組成的網絡。它把設備分為主設備和從設備，首先提出通訊要求的為主設備，被動進行通訊的設備稱為從設備。一個主設備最多可同時和7個從設備進行通訊，并和多個從設備（最多可超過200個）保持同步但不通訊。一個Piconet最少由主設備單元和從設備單元兩個連接設備單元構成，運行時其所有設備本身都是平等的，無主從之分，以同樣的工作方式在這個Piconet存在期間一直維持這一狀態。其拓撲結構如圖2—2所示。

（2）Scatternet（分散網）

　　由兩個或兩個以上的Piconet構成的網絡，彼此間可以同步或不同步的進行通訊就構成了藍牙的Scatternet。任一藍牙設備在Piconet和Scatternet中，既可作主設備又可作從設備，還可以同時既是主設備又是從設備。因此，藍牙中沒有基站的概念，所有的設備都是可移動的，通過跳頻信道的統計復用和對信道的再用，在Scatternet中單個用戶和所有用戶的總通訊量都要比大家使用同一個Piconet中的1MHz信道時大得多。其拓撲結構如圖2—3所示。

3　糧情測控中藍牙技術應用方案

　　鑒于藍牙技術的特點及其存在的優勢，筆者嘗試將其應用于糧情測控中，形成一種全新模式的“零布線糧倉，糧情計算機巡檢系統”。該系統的結構如圖3—1所示。

　　現場傳感器主要用于收集糧情的數據，主要是溫度和濕度，可選用熱敏電阻（斷線可自檢）進行測量，也可選用其它傳感器（糧食儲藏參數測定儀器）。數據轉換器將傳感器信號轉換為計算機可讀信號，每個糧垛可配一個，亦可多個糧垛合配一個，測量精度±1℃。轉換后的數據通過藍牙收發裝置無線發送，數據發送距離≥3 m，當超過10 m時適當的增加發送的功率或增加前置電路以增加傳送距離。數據轉換器采用電池供電，更換周期3～6個月。由現場傳感器和數據轉換器構成現場測控單元，現場測控單元采用模塊化設計，以便于現場的拆裝與維護。一般一個現場測控單元可采集20個現場傳感器的信號，采用內部可編程，可擦寫，提供2K字節程序存儲器的單元機，如AT89C2051對采集進行控制。20路的采集信號可通過3片CC4051進行選通，并通過AD7896芯片進行A／D轉換。此外，考慮到每一個現場測控單元有地址、命令、重要參數的存儲，采用一片E2PROM芯片93LC46作為保存數據的存儲空間，方便系統的管理。現場測控單元的結構框圖如圖3—2。

　　在現場測控單元與數據采集器間通過藍牙技術進行數據的傳輸，每個現場測控單元配一個藍牙收發模塊，可采用ATMEL公司的藍牙解決方案，即采用該公司的藍牙RF收發器T2901，單片藍牙處理器AT76C55X和一個大小為1 M的用于存儲固化軟件和數據的低壓Flash組成的藍牙收發模塊。其中AT76C55X單片藍牙處理器執行鏈路管理及控制基帶協議，其集成了ARM7TDMI內核以及專用的藍牙基帶處理模塊，客戶可以選擇語音CODEC的編碼方式LOGPCM，或是CVSD；以及需要的何種接口模式：USB，PCMCIA，UART；此外該器件還包括SPI接口GPIO。如果要想增大傳送的距離，可以在此藍牙收發模塊上加一前置電路芯片T7024，這樣可以使傳送的距離超過100 m。整個藍牙模塊硬件的驅動可以直接使用ATMEL公司提供的驅動程序，此外還可以通過HCI層，PCMCIA，USB，UART接口在主機上進行自主應用開發。藍牙收發模塊的結構框圖如圖3—3。

　　數據收集器用于收集各個數據轉換器的采集信號，每個數據收集器也配一個藍牙收發系統，一般情況下每7個現場測控單元配一個數據收集器，共同組成Piconet。系統的數據處理機用于將數據采集器所收集的數據進行加工處理，然后可實現采集的數據與信息網絡共享。一般情況下，每個糧食倉庫只需配置一臺。該系統具有以下的特點：

　　1）系統無須對倉房進行改造，同樣能實現快速、準確的計算機糧情數據采集，實現數據庫記錄保存和分析處理，提供保糧決策依據。

　　2）系統將實現現場無電源線的計算機數據采集，安全性、靈活性大為提高。

　　3）系統采用最新的IC器件，儀器可靠性增加，集成度高，安置靈活，可拆卸，降低系統維護費用。

　　4）采用無線的數據采集和處理，降低了系統費用，減少了工人，提高了勞動生產率。

　　該系統如果采用傳統的布線方式，即將現場所采集的數據通過電纜傳輸給數據處理機的話，那么將要耗費很多的電纜。另外由于糧食存儲工作的特點，糧垛并不是長期固定在一個位置，會經常的搬動，這也給電纜的走線帶來了巨大的困難，從而也會給糧食存儲工作帶來很多的不便。而選用藍牙技術利用其自身的許多優勢，卻可以很好的解決這些問題，再加上現今藍牙技術方興未艾，且隨著IC制造技術的發展，工業藍牙產品的不斷推出，如Connect Blue公司的Adapter，朗訊公司的W7020和W7400，CRS公司的BlueCore等，相信選擇藍牙是一種比較合適的選擇。

4　結束語

　　該系統作為藍牙技術在實際應用中的一個探索，它的應用成功將給糧情測控帶來極大的方便，也將給糧食系統帶來巨大的經濟效益。同時，經過一定的修改和完善，該系統還可以應用于別的產業之中，如倉儲公司、集裝箱公司、溫室大棚等，具有極大的推廣價值。此外，為了使該系統的成本更加低廉，性能更加可靠，筆者將在藍牙收發系統的選擇及藍牙系統外圍電路的設計上作進一步的改進和研究。

［參考文獻］

［1］　劉　康．藍牙技術簡介［J］．江蘇通訊技術，2001（4）．

［2］　李　蒙，熊明全．Bluetooth（藍牙）技術簡介［J］通訊世界，2000（1）．

［3］　ATMELBluetooth Solution Backgrounder［EB］．http：／／www．atmel．com／bluetooth／brochure／2．html．

摘自　北極星電技術網

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