基于藍(lán)牙技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化傳感器設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[圖]

摘要：以傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE1451. 2為基礎(chǔ),介紹了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化傳感器實(shí)現(xiàn)的一些具體技術(shù)要點(diǎn),提出了一種基于藍(lán)牙協(xié)議的無(wú)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(kāi)發(fā)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室遠(yuǎn)程測(cè)溫裝置的具體軟、硬件實(shí)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(cè)控系統(tǒng)中,傳感器作為信息采集必不可少的裝置,實(shí)現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)化是當(dāng)前的熱點(diǎn)研究問(wèn)題。當(dāng)前大多數(shù)測(cè)控系統(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(huì)造成很多不便,不能夠滿足現(xiàn)實(shí)需要。隨著新興無(wú)線技術(shù)(如藍(lán)牙技術(shù))的發(fā)展以及其芯片價(jià)格的降低,無(wú)線方式在很多場(chǎng)合都得到應(yīng)用以取代原有的有線接口方式。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化傳感器勢(shì)必成為傳感器發(fā)展的一個(gè)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(wú)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(kāi)發(fā)的模擬實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)化傳感器

1. 1　IEEE1451. 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(shí)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(gè)小存儲(chǔ)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)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(gè)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(dú)立接口(TII, transducer independence interface) 。其工作流程是敏感元件輸出的模擬信號(hào)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(guò)網(wǎng)絡(luò)接口傳到網(wǎng)絡(luò)上。

1. 2　藍(lán)牙技術(shù)

藍(lán)牙技術(shù)作為一種新的短距離無(wú)線通信協(xié)議,提供了一種無(wú)線數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn),它具有許多特有的優(yōu)勢(shì):很強(qiáng)的移植性,可應(yīng)用于多種通信場(chǎng)合;硬件集成電路應(yīng)用簡(jiǎn)單,成本低廉,實(shí)現(xiàn)容易,且易于推廣;藍(lán)牙功耗低,對(duì)人體危害小;藍(lán)牙采用擴(kuò)頻跳頻技術(shù),抗干擾能力強(qiáng),增加了信息傳輸?shù)陌踩�性。藍(lán)牙技術(shù)正以其特有的優(yōu)勢(shì)引起許多專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。

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(jì)的基于IEEE1451. 2和藍(lán)牙協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化傳感器,采用藍(lán)牙模塊替代TII實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接,類似于實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無(wú)線的STIM和無(wú)線NCAP接收終端的模式,它們以點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)方式在藍(lán)牙匹克網(wǎng)以主從方式實(shí)現(xiàn)相互通信。

STIM通過(guò)無(wú)線的NCAP接入以太網(wǎng)( Ethernet)或In2ternet,同時(shí)NCAP通過(guò)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)模型增加了兩個(gè)藍(lán)牙模塊,對(duì)于藍(lán)牙模塊部分,標(biāo)準(zhǔn)的藍(lán)牙對(duì)外接口電路一般使用RS232或USB 接口,而TII是一個(gè)控制鏈接到它的STIM的串行接口,因此必須設(shè)計(jì)一個(gè)類似于TII接口的藍(lán)牙電路,構(gòu)造一個(gè)專門的處理器來(lái)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(shí)現(xiàn)上可以采用接口模塊,軟件實(shí)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模塊以及地址和函數(shù)模塊。

2　模擬實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)現(xiàn)

下面以實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的模擬裝置為例來(lái)說(shuō)明該傳感器的實(shí)現(xiàn)。該裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示,利用前端無(wú)線STIM中的MCU 定時(shí)采集溫度傳感器中的溫度值,經(jīng)藍(lán)牙無(wú)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(shí),將該數(shù)值嵌入到相應(yīng)的網(wǎng)頁(yè)程序中,并對(duì)整段程序進(jìn)行TCP /IP封裝處理,傳送到客戶端的瀏覽器上。

2. 1　STIM的實(shí)現(xiàn)

STIM中MCU 采用的是AD 公司的微轉(zhuǎn)換芯片ADμC812。該芯片內(nèi)有一個(gè)8052兼容的微處理器,遵從IEEE1451. 2標(biāo)準(zhǔn),利用芯片ADμC812內(nèi)部的640 B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器作為可重復(fù)寫(xiě)的TEDS存儲(chǔ),利用內(nèi)部的一個(gè)通道12位的ADC實(shí)現(xiàn)A /D轉(zhuǎn)換以及通過(guò)芯片內(nèi)的UART串行口實(shí)現(xiàn)與藍(lán)牙模塊的通信。藍(lán)牙模塊選用的是支持點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的愛(ài)立信ROK 101 008 系列,同時(shí)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(jī)控制器接口(HCI)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)牙硬件訪問(wèn)的統(tǒng)一接口,結(jié)合RS232串口就可以實(shí)現(xiàn)主控制器和主機(jī)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(shí),ADμC812還應(yīng)完成對(duì)溫度傳感器的初始化、數(shù)據(jù)采集和處理。

(1)溫度傳感器DS18B20接口和驅(qū)動(dòng)。

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(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。ROM中的64位序列號(hào)是該DS18B20 的地址序列碼, ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同,這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20 的目的。主機(jī)控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)3個(gè)步驟:初始化、ROM操作指令、存儲(chǔ)器操作指令。其工作流程是: 初始化→ROM操作指令→存儲(chǔ)器操作指令→數(shù)據(jù)傳輸,工作時(shí)序包括初始化時(shí)序、寫(xiě)時(shí)序和讀時(shí)序。操作時(shí)必須先啟動(dòng)DS18B20開(kāi)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(hào)范圍內(nèi)藍(lán)牙建立連接通道。這一過(guò)程主要通過(guò)單片機(jī)MCU對(duì)藍(lán)牙模塊發(fā)送HC I指令完成。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(zhǎng)+參數(shù)0 +...參數(shù)N 。

下面給出主從設(shè)備間實(shí)現(xiàn)ACL數(shù)據(jù)連接的HCI指令(字符對(duì)應(yīng)指令的操作碼,由前10位和后6位兩部分組成,括弧內(nèi)為該指令的參數(shù)) : 從設(shè)備上電后實(shí)現(xiàn)查詢使能進(jìn)行復(fù)位Write_ scan_enable ( 0x03 ) 。主設(shè)備發(fā)送查詢HC I指令I(lǐng)nquiry(0x9c8b33, 8, 0) ,假定從設(shè)備地址為0x00000000000,則建立ACL 連接的HC I指令為Creat_Connection (0x000000000000, 0x18, 0, 0, 0, 0) ,從設(shè)備接收連接請(qǐng)求指令為Accep t_connection _ request( 0x111111111111, 0 ) , 假定主設(shè)備地址為0x111111111111。這樣主從設(shè)備之間就建立了ACL數(shù)據(jù)連接。如Inquiry對(duì)應(yīng)操作碼為x0001, 0x01。具體的HCI指令參見(jiàn)藍(lán)牙規(guī)范。

2. 2　NCAP的實(shí)現(xiàn)

NCAP的功能為實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙模塊對(duì)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(shí)現(xiàn)多個(gè)STIM對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)以太網(wǎng)( 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(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的訪問(wèn),可以將傳感器設(shè)計(jì)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)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(shí)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 [ 0∶3 ]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中提供模擬的I2 C接口與W3100A 通信。

芯片W3100A正常工作必須對(duì)其完成相應(yīng)的初始化。初始化主要是對(duì)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(guò)執(zhí)行控制寄存器CR的0位Sys_init激活芯片。

(2)WEB服務(wù)功能實(shí)現(xiàn)。

協(xié)議棧芯片W3100A從硬件上實(shí)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(wú)線NCAP上應(yīng)實(shí)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(shí)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(lái)存儲(chǔ)相應(yīng)的網(wǎng)頁(yè)文件。交互時(shí), HTTP通過(guò)統(tǒng)一資源定位器URL ( uniform resourcelocator)來(lái)確定傳感器應(yīng)該為瀏覽器提供哪些資源。

網(wǎng)頁(yè)文件存放在傳感器中的FM24C04里。當(dāng)監(jiān)測(cè)中心的瀏覽器發(fā)出頁(yè)面請(qǐng)求時(shí), NCAP 上的處理器在TCP打包的時(shí)候,把來(lái)自STIM端的監(jiān)測(cè)值嵌入到相應(yīng)的網(wǎng)頁(yè)文件中的特殊標(biāo)志處,再為該網(wǎng)頁(yè)文件添加相應(yīng)的HTTP頭,返回給請(qǐng)求的用戶,如此用戶可以在瀏覽器上看到實(shí)際的監(jiān)測(cè)值。因此要實(shí)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)中的應(yīng)用

將上述網(wǎng)絡(luò)化傳感器(實(shí)驗(yàn)裝置)用于病人監(jiān)護(hù)中,病人就可以在異地(如家里)通過(guò)其身上攜帶的傳感器來(lái)采集和檢測(cè)某一信號(hào),同時(shí)該傳感器將信號(hào)通過(guò)Ethernet或Internet傳送到監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心PC機(jī)對(duì)傳感器的訪問(wèn)。如此可以最大程度地降低監(jiān)測(cè)中心PC機(jī)的要求,也免去客戶端軟件的設(shè)計(jì)。監(jiān)測(cè)PC只要通過(guò)其瀏覽器(如IE)即可方便實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的信息進(jìn)行查詢和監(jiān)測(cè)。下面為存儲(chǔ)在溫度傳感器中的一個(gè)簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)程序,其中的“@”用來(lái)在網(wǎng)頁(yè)中插入溫度的標(biāo)志,網(wǎng)頁(yè)文件存放在傳感器中的E2 PROM里。當(dāng)監(jiān)測(cè)中心的瀏覽器發(fā)出頁(yè)面請(qǐng)求時(shí), NCAP上的處理器在TCP打包的時(shí)候,把來(lái)自STIM端的監(jiān)測(cè)值嵌入到相應(yīng)的網(wǎng)頁(yè)文件中的“@”處,再為該網(wǎng)頁(yè)文件添加相應(yīng)的HTTP頭,返回給請(qǐng)求的用戶,如此用戶可以在瀏覽器上看到實(shí)際的監(jiān)測(cè)值。

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4　結(jié)束語(yǔ)

筆者提出的基于藍(lán)牙協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)化傳感器設(shè)計(jì),信息傳輸安全可靠,可行性強(qiáng)。其無(wú)線的特殊優(yōu)勢(shì),能夠滿足某些特殊情況的需要,具有廣闊的應(yīng)用前景和良好的市場(chǎng)價(jià)值。開(kāi)發(fā)的模擬實(shí)驗(yàn)裝置如再進(jìn)一步通過(guò)臨床驗(yàn)證與完善,即可用于病人遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人體體溫的實(shí)時(shí)檢測(cè)、監(jiān)護(hù)、記錄和儲(chǔ)存。如在此基礎(chǔ)上增加血壓、心率等傳感器之后,即可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體的血壓、心率等實(shí)施監(jiān)護(hù)與記錄處理。

作者：徐定成 王琪輝 盧偉國(guó) 來(lái)源：《測(cè)控技術(shù)》

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