糧情測控中藍牙技術(shù)的應(yīng)用探索

劉 帆，樓 巍，周維民


上海大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院




　�。壅�　要］　隨著無線通訊技術(shù)的高速發(fā)展，藍牙技術(shù)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(shù)概況的同時，將藍牙技術(shù)的探索應(yīng)用于糧情測控之中。


［關(guān)鍵詞］　藍牙；糧情測控；ATMEL藍牙模塊


1　引 言


　　隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，利用計算機技術(shù)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(yīng)用。由于藍牙無線通訊技術(shù)本身獨有的優(yōu)點，將其試用于糧情檢測中。


2　藍牙技術(shù)的概況


　　藍牙技術(shù)的概念是愛立信公司于1995年提出的，這一概念一經(jīng)提出便被業(yè)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(yè)界的鼎立支持和大力協(xié)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(shù)成為發(fā)展最迅速的無線通訊標準，并有望成為未來通訊網(wǎng)的主要業(yè)務(wù)之一。


2．1　藍牙的基本技術(shù)


　　藍牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與語言通訊的開放性全球規(guī)范，是一種用微波技術(shù)去取代傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中錯綜復(fù)雜的連接電纜來實現(xiàn)固定設(shè)備及可移動設(shè)備的互聯(lián)而建立的一個特殊的短程無線通訊。藍牙系統(tǒng)一般由4個功能單元組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2—1。






　　無線射頻單元主要擔(dān)負射頻處理和基頻調(diào)制；鏈路控制單元是實現(xiàn)基帶協(xié)議和其它底層連接規(guī)程的基帶部分，包括建立網(wǎng)絡(luò)連接、差錯控制和安全控制3方面的內(nèi)容；鏈路管理單元主要擔(dān)負基帶連接的設(shè)定及管理、基帶數(shù)據(jù)的分段及重組、多路復(fù)用和QOS（quality ofservice）等；軟件結(jié)構(gòu)單元主要為各種應(yīng)用提供應(yīng)用軟件所需的通訊協(xié)議與應(yīng)用程序接口。


2．2　藍牙的抗干擾技術(shù)


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(shè)計的跳頻方案即跳頻擴譜技術(shù)（Frequency Hopping Spread Spectrum）以確保鏈路穩(wěn)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(fā)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(shù)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?shù)恼�確性。


2．3　藍牙拓撲結(jié)構(gòu)


（1）Piconet（微微網(wǎng)）


　　Piconet是由一些共享同一個通道的單元設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)。它把設(shè)備分為主設(shè)備和從設(shè)備，首先提出通訊要求的為主設(shè)備，被動進行通訊的設(shè)備稱為從設(shè)備。一個主設(shè)備最多可同時和7個從設(shè)備進行通訊，并和多個從設(shè)備（最多可超過200個）保持同步但不通訊。一個Piconet最少由主設(shè)備單元和從設(shè)備單元兩個連接設(shè)備單元構(gòu)成，運行時其所有設(shè)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(tài)。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2—2所示。





（2）Scatternet（分散網(wǎng)）


　　由兩個或兩個以上的Piconet構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，彼此間可以同步或不同步的進行通訊就構(gòu)成了藍牙的Scatternet。任一藍牙設(shè)備在Piconet和Scatternet中，既可作主設(shè)備又可作從設(shè)備，還可以同時既是主設(shè)備又是從設(shè)備。因此，藍牙中沒有基站的概念，所有的設(shè)備都是可移動的，通過跳頻信道的統(tǒng)計復(fù)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(jié)構(gòu)如圖2—3所示。





3　糧情測控中藍牙技術(shù)應(yīng)用方案


　　鑒于藍牙技術(shù)的特點及其存在的優(yōu)勢，筆者嘗試將其應(yīng)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(tǒng)”。該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3—1所示。






　　現(xiàn)場傳感器主要用于收集糧情的數(shù)據(jù)，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(shù)測定儀器）。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器將傳感器信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過藍牙收發(fā)裝置無線發(fā)送，數(shù)據(jù)發(fā)送距離≥3 m，當(dāng)超過10 m時適當(dāng)?shù)脑黾影l(fā)送的功率或增加前置電路以增加傳送距離。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器采用電池供電，更換周期3～6個月。由現(xiàn)場傳感器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成現(xiàn)場測控單元，現(xiàn)場測控單元采用模塊化設(shè)計，以便于現(xiàn)場的拆裝與維護。一般一個現(xiàn)場測控單元可采集20個現(xiàn)場傳感器的信號，采用內(nèi)部可編程，可擦寫，提供2K字節(jié)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(zhuǎn)換。此外，考慮到每一個現(xiàn)場測控單元有地址、命令、重要參數(shù)的存儲，采用一片E2PROM芯片93LC46作為保存數(shù)據(jù)的存儲空間，方便系統(tǒng)的管理�，F(xiàn)場測控單元的結(jié)構(gòu)框圖如圖3—2。






　　在現(xiàn)場測控單元與數(shù)據(jù)采集器間通過藍牙技術(shù)進行數(shù)據(jù)的傳輸，每個現(xiàn)場測控單元配一個藍牙收發(fā)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(fā)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(shù)據(jù)的低壓FLASH組成的藍牙收發(fā)模塊。其中AT76C55X單片藍牙處理器執(zhí)行鏈路管理及控制基帶協(xié)議，其集成了ARM7TDMI內(nèi)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(fā)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(qū)動可以直接使用ATMEL公司提供的驅(qū)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(yīng)用開發(fā)。藍牙收發(fā)模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖3—3。





　　數(shù)據(jù)收集器用于收集各個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的采集信號，每個數(shù)據(jù)收集器也配一個藍牙收發(fā)系統(tǒng)，一般情況下每7個現(xiàn)場測控單元配一個數(shù)據(jù)收集器，共同組成Piconet。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理機用于將數(shù)據(jù)采集器所收集的數(shù)據(jù)進行加工處理，然后可實現(xiàn)采集的數(shù)據(jù)與信息網(wǎng)絡(luò)共享。一般情況下，每個糧食倉庫只需配置一臺。該系統(tǒng)具有以下的特點：


　　1）系統(tǒng)無須對倉房進行改造，同樣能實現(xiàn)快速、準確的計算機糧情數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫記錄保存和分析處理，提供保糧決策依據(jù)。


　　2）系統(tǒng)將實現(xiàn)現(xiàn)場無電源線的計算機數(shù)據(jù)采集，安全性、靈活性大為提高。


　　3）系統(tǒng)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(tǒng)維護費用。


　　4）采用無線的數(shù)據(jù)采集和處理，降低了系統(tǒng)費用，減少了工人，提高了勞動生產(chǎn)率。


　　該系統(tǒng)如果采用傳統(tǒng)的布線方式，即將現(xiàn)場所采集的數(shù)據(jù)通過電纜傳輸給數(shù)據(jù)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(jīng)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(shù)利用其自身的許多優(yōu)勢，卻可以很好的解決這些問題，再加上現(xiàn)今藍牙技術(shù)方興未艾，且隨著IC制造技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)藍牙產(chǎn)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(jié)束語


　　該系統(tǒng)作為藍牙技術(shù)在實際應(yīng)用中的一個探索，它的應(yīng)用成功將給糧情測控帶來極大的方便，也將給糧食系統(tǒng)帶來巨大的經(jīng)濟效益。同時，經(jīng)過一定的修改和完善，該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于別的產(chǎn)業(yè)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(tǒng)的成本更加低廉，性能更加可靠，筆者將在藍牙收發(fā)系統(tǒng)的選擇及藍牙系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計上作進一步的改進和研究。



［參考文獻］




［1］　劉　康．藍牙技術(shù)簡介［J］．江蘇通訊技術(shù)，2001（4）．


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


［3］　ATMELBluetooth Solution Backgrounder［EB］．http：／／www．a(chǎn)tmel．com／bluetooth／brochure／2．html．



摘自　北極星電技術(shù)網(wǎng)