胡志健1，張中煒1,2

　　（1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620;2.東華大學(xué) 數(shù)字化紡織測(cè)控研究室，上海 201620）

       摘要：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)中傳感器種類繁多、接口不一致的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種新型的無(wú)線傳感器通用接口。該接口由信號(hào)處理電路、藍(lán)牙芯片、電源和無(wú)線射頻電路組成，具有體積小、即插即用、功耗低等特點(diǎn)。接口所采樣的信號(hào)通過(guò)藍(lán)牙傳輸給數(shù)據(jù)采集器或云服務(wù)器，并實(shí)時(shí)在界面上顯示。該通用接口可在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、智能家居、樓宇監(jiān)控等場(chǎng)合下用于電流、電壓、開(kāi)關(guān)量與串口形式傳感器信號(hào)的處理。并給出了通用接口的設(shè)計(jì)方案。測(cè)試結(jié)果表明，該接口可以有效處理傳感器信號(hào)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；通用接口；傳感器；藍(lán)牙4.2

0引言

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)［1］概念的興起和發(fā)展，通用傳感器接口［2］成為了傳感網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。新的感測(cè)技術(shù)層出不窮，在信號(hào)處理、數(shù)字通信及本地智能擴(kuò)展方面對(duì)類型多樣的傳感器信號(hào)提出了越來(lái)越高的處理要求［3］。微電子技術(shù)、半導(dǎo)體工藝與無(wú)線通信等技術(shù)日益成熟，出現(xiàn)了向傳感器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)信息采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線傳輸一體化發(fā)展的趨勢(shì)。我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)［4］，然而在傳感器接口方面卻存在連接口復(fù)雜多樣、維護(hù)或更換困難、傳感器接口兼容性差等問(wèn)題。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用日益普及的大背景下，為了縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，降低風(fēng)險(xiǎn)，迫切需要研發(fā)低成本、高性能的通用傳感器接口［5］。

　　在無(wú)線傳輸領(lǐng)域，相比于ZigBee［6］、WiFi［7］這些活躍的新興技術(shù)，藍(lán)牙在個(gè)人電腦及移動(dòng)終端具備很大的基礎(chǔ)積累。最新的藍(lán)牙4.2協(xié)議提供了政府級(jí)隱私權(quán)限與信息安全保障，2.5倍傳輸速率提升，支持IPv6的互聯(lián)網(wǎng)連接［8］，適合在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域尤其是智能家居行業(yè)中應(yīng)用［9］。

1接口組成與應(yīng)用框架

　　基于藍(lán)牙4.2協(xié)議設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器通用接口屬于無(wú)線通信與電工電子領(lǐng)域，其應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示，主要由節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集器、藍(lán)牙4.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（BLE 4.2 Wireless Sensor Network, BLE 4.2 WSN）、路由器和云端組成。每個(gè)節(jié)點(diǎn)含有傳感器、信號(hào)接口電路、藍(lán)牙芯片、電源與無(wú)線射頻，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　將信號(hào)接口電路、電源、藍(lán)牙芯片和無(wú)線射頻電路共同組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)稱為無(wú)線傳感器接口。信號(hào)接口電路可處理多種類型傳感器信號(hào)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)路由器、支持6LoWPAN［10］或藍(lán)牙4.2的接入點(diǎn)，周期性地向BLE 4.2 WSN傳輸所采樣的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器可以接入BLE 4.2 WSN或云端，對(duì)接口進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

　　與藍(lán)牙4.0/4.1不同，藍(lán)牙4.2協(xié)議直接支持IPv6地址分配，接入BLE 4.2 WSN網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都會(huì)分配到唯一的IPv6地址。

2信號(hào)接口電路與供電

　　傳感器的信號(hào)處理是無(wú)線傳感器通用接口設(shè)計(jì)中的一個(gè)核心組成部分。需要考慮應(yīng)用的實(shí)際需求，也應(yīng)考慮成本、可行性等因素。查閱相關(guān)文獻(xiàn)，為接口設(shè)計(jì)了電流、電壓、開(kāi)關(guān)量與串口通信電路。

　　2.1電流型接口電路

　　在工業(yè)應(yīng)用中，一般傳感器將物理量轉(zhuǎn)化為電流輸出。鑒于儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)輸出為4~20 mA電流［11］，設(shè)計(jì)如圖3所示電流轉(zhuǎn)電壓接口，將電流轉(zhuǎn)為電壓。其中，傳感器通過(guò)圖3中端口Cn1與Cn2接入，選用INA214芯片，其內(nèi)部放大器增益為100。改變電阻R1阻值便可改變輸出電壓Vout范圍，通過(guò)藍(lán)牙芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換即可測(cè)量輸入電流大小。其中Power_Supply為傳感器供電電源，Vcc_IO為接口電源。

　　2.2開(kāi)關(guān)量接口電路

　　在日常生活、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)或樓宇等場(chǎng)景下，常會(huì)遇到如繼電器、接近開(kāi)關(guān)，為了檢測(cè)開(kāi)關(guān)量狀態(tài)，采用如圖4所示電路。

　　圖4中，S2代表傳感器輸出，單刀雙擲開(kāi)關(guān)S1通過(guò)觸點(diǎn)1或3即可靈活選擇電源。選用光耦如4N25實(shí)現(xiàn)電氣隔離，MCU I/O代表微控制器引腳輸入。開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)時(shí)，MCU I/O輸出為邏輯高電平；當(dāng)S2為閉合狀態(tài)時(shí)，MCU I/O輸出為邏輯低電平。微控制器只需讀取I/O引腳狀態(tài)便可判斷開(kāi)關(guān)量S2的邏輯狀態(tài)。

　　2.3接口供電

　　為了便于在物聯(lián)網(wǎng)中使用，設(shè)計(jì)了內(nèi)部6 V電池和外接電源兩種方式供電。為保證微處理器及外設(shè)正常工作，需要穩(wěn)定的電壓。設(shè)計(jì)電源如圖5、圖6所示。

　　其中DC為外部7~40 V供電接入口，經(jīng)LM2576S5降壓后輸出5 V電壓作為Vcc_IO，用于信號(hào)接口電路，D2、D4為二極管，用于內(nèi)部電池與外部供電切換；AP733333SAG7芯片為低功耗穩(wěn)壓電路，降壓輸出3.3 V作為藍(lán)牙芯片電壓Vcc_nRF；BT1代表電池。

　　2.4電壓型接口電路

　　藍(lán)牙芯片nRF51822片內(nèi)集成A/D轉(zhuǎn)換器，工作電壓范圍為0~3.6 V。傳感器輸出的1~5 V電壓SVin經(jīng)單片機(jī)A/D輸入通道AINx即可測(cè)量電壓大小，如圖7所示。其中D1為5 V穩(wěn)壓二極管，作為過(guò)壓保護(hù)；電阻R1、R2、R3圖7電壓接口電路用于將5 V降壓為3.6 V。

　　2.5串口通信電路

　　藍(lán)牙芯片nRF51822片內(nèi)集成UART控制器，與串口驅(qū)動(dòng)模塊連接如圖8所示。

　　其中RXD為串口輸入端，TXD為串口發(fā)送端。CTS為清除發(fā)送；RTS為請(qǐng)求發(fā)送。MAX232ACPE為RS232驅(qū)動(dòng)芯片，Vcc_IO為接口電壓，J1為DB9接口。

3藍(lán)牙4.2傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　通過(guò)上文提及的接口電路可完成傳感器信號(hào)的采集，而數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸則借助藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)。

　　3.1藍(lán)牙4.2協(xié)議

　　低功耗藍(lán)牙支持星型拓?fù)洌?2］，主要分為應(yīng)用層、主機(jī)與控制器。主機(jī)與控制器通過(guò)主機(jī)控制器接口交換信息?？刂破髫?fù)責(zé)物理層射頻信號(hào)收發(fā)；主機(jī)側(cè)重于邏輯控制、安全以及屬性配置，并為應(yīng)用層提供底層服務(wù)接口。搭載藍(lán)牙4.2協(xié)議的傳感節(jié)點(diǎn)，需要配置GATT以便于讀寫(xiě)傳感器數(shù)據(jù)。應(yīng)用層提供API為上層用戶程序調(diào)用，用于控制底層藍(lán)牙設(shè)備，包括設(shè)備名稱、廣播時(shí)間、屬性與特征配置等。

　　3.2軟件設(shè)計(jì)

　　針對(duì)接口功能需求，設(shè)計(jì)接口底層嵌入式軟件以及數(shù)據(jù)采集器應(yīng)用。其中接口底層程序用于處理傳感器信號(hào)并發(fā)送給采集器；采集器的應(yīng)用則與用戶交互，控制接口底層的工作。

　　3.2.1接口底層軟件

基于Nordic的S110［13］ 協(xié)議棧編寫(xiě)接口底層軟件，工作流程如圖9所示。通用接口與數(shù)據(jù)采集器之間通信流程：先對(duì)藍(lán)牙模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，初始化完成后，藍(lán)牙模塊發(fā)出廣播信號(hào)等待數(shù)據(jù)采集器連接，如果在廣播期間內(nèi)接收到數(shù)據(jù)采集器的連接請(qǐng)求，則與之配對(duì)。若配對(duì)成功，則接口停止廣播，數(shù)據(jù)采集器通過(guò)藍(lán)牙設(shè)置接口參數(shù)，設(shè)置完畢后，傳感器接口開(kāi)始數(shù)據(jù)采集工作，經(jīng)信號(hào)接口模塊處理后，傳給藍(lán)牙模塊進(jìn)一步處理，而后無(wú)線發(fā)送給數(shù)據(jù)采集器，發(fā)送成功之后繼續(xù)采集數(shù)據(jù)。周而復(fù)始不斷采集、發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　使用嵌入式C語(yǔ)言編寫(xiě)接口底層程序，管理nRF51822資源，完成外圍硬件的初始化設(shè)置、協(xié)議棧初始化、設(shè)備配對(duì)以及傳感器數(shù)據(jù)的收發(fā)與解析等；數(shù)據(jù)采集器發(fā)送的命令經(jīng)藍(lán)牙傳輸給下位機(jī)，下位機(jī)解析命令后執(zhí)行；命令包括接口功能選擇、參數(shù)設(shè)定如A/D采樣速率、串口波特率等。

　　3.2.2數(shù)據(jù)采集器應(yīng)用

　　數(shù)據(jù)采集器采用基于Android平臺(tái)系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備，如智能手機(jī)。Android系統(tǒng)功能豐富，開(kāi)發(fā)者調(diào)用Android API庫(kù)構(gòu)建程序組件即可實(shí)現(xiàn)各種功能［14］。本文使用Java語(yǔ)言開(kāi)發(fā)應(yīng)用，調(diào)用藍(lán)牙API完成設(shè)備掃描、連接與通信。

4通用接口設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

　　由于目前藍(lán)牙4.2協(xié)議還未普及，采用已經(jīng)成熟的4.0協(xié)議做探索性試驗(yàn)，驗(yàn)證通用接口方案的可行性與可靠性。

　　4.1接口電氣兼容性

　　在實(shí)際接口設(shè)計(jì)與使用時(shí)，遵循的電氣規(guī)范包括A/D量程范圍（0~3.6 V）、微控制器引腳輸出驅(qū)動(dòng)能力（最大驅(qū)動(dòng)電流15 mA）、串口RS232引腳規(guī)范等。

　　4.2藍(lán)牙通信模塊

　　選用Nordic藍(lán)牙核心模塊，該模塊含有CortexM0內(nèi)核的nRF51822芯片，含有包括ADC、UART、SPI等豐富資源，適合應(yīng)用于設(shè)計(jì)無(wú)線傳感器通用接口。

　　4.3實(shí)測(cè)結(jié)果

　　使用C語(yǔ)言編寫(xiě)的代碼經(jīng)Keil編譯鏈接后下載到nRF51822上；Java編寫(xiě)的應(yīng)用安裝到手機(jī)上。測(cè)試信號(hào)包括高低電平、模擬電流與電壓，以及串口數(shù)據(jù)。終端的部分工作界面如圖10所示。

5結(jié)論

　　通過(guò)對(duì)各種類型傳感器信號(hào)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試可知，本文設(shè)計(jì)的通用接口結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)置與使用方便，連接常用的傳感器即可實(shí)時(shí)檢測(cè)分布松散的物理變量而無(wú)需布線；對(duì)于環(huán)境監(jiān)測(cè)與海量信息采集，可利用數(shù)據(jù)采集器傳入云服務(wù)器分析。通用接口的研究與應(yīng)用，有利于促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

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