基于蓝牙技术实现无线网络化传感器的设计与应用研究-德赢Vwin官网网

通常在测控系统中，传感器是信息采集的重要装置，数据的采集全靠传感器，被誉为“神经触角”的它如何实现其网络化，也是当前的热点研究问题。当前大多数测控系统中，传感器多是采用有线方式，但是在一些特殊情况下，有线线缆连接显然会造成很多不便，不能够满足现实需要。随着新兴无线技术（如蓝牙技术）的发展以及其芯片价格的降低，无线方式在很多场合都得到应用以取代原有的有线接口方式。无线网络化传感器势必成为传感器发展的一个重要方向。在介绍IEEE1451.2和蓝牙技术的基础上，本文提出了一种基于蓝牙协议的无线网络化传感器结构模型，并着重讨论基于该模型开发的vwin 实验装置的实现及其在病人远程监护中的应用。

1基于IEEE1451.2和蓝牙协议的无线网络化传感器

1.1IEEE1451.2标准

IEEE1451.2作为智能传感器接口模块标准，它提供了将传感器和变送器实现网络化的接口标准，采用通用的A/D或D/A转换装置作为传感器的I/O接口，将各种传感器模拟量转换成标准规定格式的数据，连同一个小存储器———传感器电子数据表（TEDS，transducerelectronicdatasheet）与标准规定的处理器目标模型———网络适配器（NCAP，networkcapableap2plicationprocess）连接，如此，数据可以按网络规定的协议连接入网络。该标准的结构模型提供了一个连接智能变送器接口模型（STIM，smarttransducerinterf acemodule）和NCAP的10线标准接口———变送独立接口（TII，transducerindependenceinterface）。其工作流程是敏感元件输出的模拟信号经A/D转换及相应数据处理（滤波、校准）后，由网络处理装置根据程序设定和网络协议（TCP/IP）将其封装成数据帧，通过网络接口传到网络上。

1.2蓝牙技术

蓝牙技术作为一种新的短距离无线通信协议，提供了一种无线数据与语音通信的开放标准，它具有许多特有的优势：很强的移植性，可应用于多种通信场合；硬件集成电路应用简单，成本低廉，实现容易，且易于推广；蓝牙功耗低，对人体危害小；蓝牙采用扩频跳频技术，抗干扰能力强，增加了信息传输的安全性。蓝牙技术正以其特有的优势引起许多专家学者的广泛关注。

1.3传感器结构模型

基于IEEE1451.2的有线网络化传感器结构模型包含STIM、TII和NCAP三部分。而本设计的基于IEEE1451.2和蓝牙协议的无线网络化传感器，采用蓝牙模块替代TII实现无线连接，类似于实现了一个无线的STIM和无线NCAP接收终端的模式，它们以点对多点方式在蓝牙匹克网以主从方式实现相互通信。

STIM通过无线的NCAP接入以太网（Ethernet）或In2ternet，同时NCAP通过分配的IP地址与网络相连，如图1所示。与典型的有线方式相比，上述无线网络模型增加了两个蓝牙模块，对于蓝牙模块部分，标准的蓝牙对外接口电路一般使用RS232或USB接口，而TII是一个控制链接到它的STIM的串行接口，因此必须设计一个类似于TII接口的蓝牙电路，构造一个专门的处理器来完成控制STIM和转换数据到蓝牙主控制接口（HCI，hostcontrolinterface）的功能。硬件实现上可以采用接口模块，软件实现上可以采用标准的STIM软件模块：STIM模块、STIM传感器接口模块、TII模块、TEDS模块以及地址和函数模块。

2模拟实验装置的实现

下面以实验室开发的模拟装置为例来说明该传感器的实现。该装置的结构框图如图2所示，利用前端无线STIM中的MCU定时采集温度传感器中的温度值，经蓝牙无线网络将数据传送至NCAP。NCAP将存放于特定的位置，当有浏览器要查看该数值时，将该数值嵌入到相应的网页程序中，并对整段程序进行TCP/IP封装处理，传送到客户端的浏览器上。

2.1STIM的实现

STIM中MCU采用的是AD 公司的微转换芯片ADμC812。该芯片内有一个8052兼容的微处理器，遵从IEEE1451.2标准，利用芯片ADμC812内部的640B的数据存储器作为可重复写的TEDS存储，利用内部的一个通道12位的ADC实现A/D转换以及通过芯片内的UART串行口实现与蓝牙模块的通信。蓝牙模块选用的是支持点对多点的爱立信ROK101008系列，同时该模块自带射频微带天线。ROK101008蓝牙模块内部结构遵从蓝牙规范1.1，其内部基带控制器同样提供了UART接口。蓝牙模块内部提供了主机控制器接口（HCI）来实现对蓝牙硬件访问的统一接口，结合RS232串口就可以实现主控制器和主机之间在传输层上的数据通信，基带和射频则提供了上层的链接和服务。同时，ADμC812还应完成对温度传感器的初始化、数据采集和处理。

（1）温度传感器DS18B20接口和驱动。

温度传感器选用的是DS18B20，该温度芯片是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。ROM中的64位序列号是该DS18B20的地址序列码，ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。其工作流程是：初始化→ROM操作指令→存储器操作指令→数据传输，工作时序包括初始化时序、写时序和读时序。操作时必须先启动DS18B20开始转换，再读出温度转换值。其硬件接口如图3所示。

（2）蓝牙模块ROK101008初始化。

蓝牙模块上电即让其完成初始化工作，使其能与信号范围内蓝牙建立连接通道。这一过程主要通过单片机MCU对蓝牙模块发送HCI指令完成。HCI指令包括指令分组，数据分组和事件分组，具体的格式为：操作码+参数总长+参数0+参数N。

下面给出主从设备间实现ACL数据连接的HCI指令（字符对应指令的操作码，由前10位和后6位两部分组成，括弧内为该指令的参数）：从设备上电后实现查询使能进行复位Write_scan_enable（0x03）。主设备发送查为0x00000000000，则建立ACL连接的HCI指令为Creat_Connection（0x000000000000，0x18，0，0，0，0），从设备接收连接请求指令为Accept_connection_request（0x111111111111，0），假定主设备地址为0x111111111111。这样主从设备之间就建立了ACL数据连接。如Inquiry对应操作码为x0001，0x01。具体的HCI指令参见蓝牙规范。

2.2NCAP的实现

NCAP的功能为实现蓝牙模块对以太网（Ether2net）的接入，同样选用ROK101008系列蓝牙模块，如此可以实现多个STIM对同一NCAP的连接。采用8位微处理器W77E58和TCP/IP协议栈芯片W3100A一起实现对以太网（Ethernet）的接入的网络化接口。

（1）协议栈芯片W3100A初始化。

W3100A是一TCP/IP协议栈芯片，包含的各协议层有：TCP、IP、UDP、ICMP和以太网协议的数据链路DLC和MAC协议，其工作方式类似于Windows的SoketAPI，为便于实现对传感器的访问，可以将传感器设计为具有Web服务器功能。W3100A支持全双工模式，内部带有双口的SRAM数据缓冲区，其封装是64脚的LQFP，提供了并口和串口两种方式实现与MCU的通信。MCU和W3100A的硬件接口如图4所示。其中，RTL8201芯片为以太网物理层选用设备。

W3100A提供MII接口与RTL8201相连，其中引脚RX_CLK，RXDV，RXD［0∶3］以及COL用于数据的接收，而TX_CLK，TXE，TXD［0∶3］用于数据的发送。

MCU中提供模拟的I2C接口与W3100A通信。

芯片W3100A正常工作必须对其完成相应的初始化。初始化主要是对必要的寄存器进行相应的设置，这些寄存器包括：网关地址寄存器GAR、子网掩码寄存器SMR、硬件地址寄存器SHAR以及IP地址寄存器SIPR等。上述寄存器被设置后通过执行控制寄存器CR的0位Sys_init激活芯片。

（2）WEB服务功能实现。

协议栈芯片W3100A从硬件上实现了TCP/IP协议，因此将该装置集成Web服务功能显然比较容易，即在无线NCAP上应实现相应的HTTP协议，NCAP在网络功能上相当于“网关”。要实现远程浏览器与传感器交互，可以利用传感器NCAP中增加了的E2PROM（FM24C04）来存储相应的网页文件。交互时，HTTP通过统一资源定位器URL（uniformresourcelocator）来确定传感器应该为浏览器提供哪些资源。

网页文件存放在传感器中的FM24C04里。当监测中心的浏览器发出页面请求时，NCAP上的处理器在TCP打包的时候，把来自STIM端的监测值嵌入到相应的网页文件中的特殊标志处，再为该网页文件添加相应的HTTP头，返回给请求的用户，如此用户可以在浏览器上看到实际的监测值。因此要实现Web功能，软件上要在NCAP上完成HTTP协议，硬件上增加了一块E2PROM（FM24C04）。

3模拟装置在病人监护系统中的应用

将上述网络化传感器（实验装置）用于病人监护中，病人就可以在异地（如家里）通过其身上携带的传感器来采集和检测某一信号，同时该传感器将信号通过Ethernet或Internet传送到监测中心。病人远程监护系统结构示意图如图5所示。

利用模拟装置中的WEB功能，本方案采用B/S（浏览器/服务器）方式实现远程监测中心PC机对传感器的访问。如此可以最大程度地降低监测中心PC机的要求，也免去客户端软件的设计。监测PC只要通过其浏览器（如IE）即可方便实现对传感器的信息进行查询和监测。下面为存储在温度传感器中的一个简单的动态网页程序，其中的“@”用来在网页中插入温度的标志，网页文件存放在传感器中的E2PROM里。当监测中心的浏览器发出页面请求时，NCAP上的处理器在TCP打包的时候，把来自STIM端的监测值嵌入到相应的网页文件中的“@”处，再为该网页文件添加相应的HTTP头，返回给请求的用户，如此用户可以在浏览器上看到实际的监测值。

4结语

本文提出的基于蓝牙协议的无线网络化传感器设计，信息传输安全可靠，可行性强。其无线的特殊优势，能够满足某些特殊情况的需要，具有广阔的应用前景和良好的市场价值。开发的模拟实验装置如再进一步通过临床验证与完善，即可用于病人远程监护系统实现人体体温的实时检测、监护、记录和储存。如在此基础上增加血压、心率等传感器之后，即可实现对人体的血压、心率等实施监护与记录处理。

责任编辑：gt

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