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基于蓝牙技术实现无线网络化传感器的设计与应用研究

电子设计 2021-06-26 14:51 次阅读

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模拟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

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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2350437-1 2350437-1 角度位置传感器 - 空心轴旋转变压器

看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  请注意:所有产品设计活动都应参照产品图纸。  结构特性 Resolver Size : 21 Pole Pairs : 1 其他 Angular Error ('): 20
发表于 08-21 01:00 6次 阅读

315-120 315-120 即插即用加速度传感器

看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 即插即用加速度计传感器类型 : 电缆组件
发表于 08-21 01:00 6次 阅读

10207854-00 341A-240 即插即用加速度传感器

看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 即插即用加速度计传感器类型 : 电缆组件
发表于 08-21 01:00 8次 阅读

4000A-005-060 4000A-005-060 即插即用加速度传感器

看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 加速度计类型 : MEMS DC 即插即用加速度计传感器类型 : 直流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接 : 一体式电缆 电气特征 满量程输出电压 (VDC): ±2 励磁电压 (VDC): 8 – 36 零加速输出 (mV): ±100 励磁电流 (mA): 5 信号特征 频率响应 (Hz): 0-300 主体特性 轴数 : 1 重量 : 7 g [ .245 oz ] ...
发表于 08-21 01:00 10次 阅读

4000A-050-030 4000A-050-030 即插即用加速度传感器

看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 加速度计类型 : MEMS DC 即插即用加速度计传感器类型 : 直流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接 : 一体式电缆 电气特征 满量程输出电压 (VDC): ±2 励磁电压 (VDC): 8 – 36 零加速输出 (mV): ±100 励磁电流 (mA): 5 信号特征 频率响应 (Hz): 0-800 主体特性 轴数 : 1 重量 : 7 g [ .245 oz ] ...
发表于 08-21 01:00 8次 阅读

603-0100-120 603-0100-120 速率和惯性传感器

看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 速率和惯性传感器类型 : Rate Sensors/Gyros 电气特征 励磁电压 (VDC): 5 – 16 尺寸 尺寸 MM : 20.8 x 20.8 x 14.5 使用环境 工作温度范围 : -40 – 105 °C [ -40 – 221 °F ] 包装特性 速率和惯性传感器包装 : Anodized Aluminium 其他 精确度 : ±0.5% Non-Linearity FS 范围 (±) DEG/SEC : 100...
发表于 08-21 01:00 12次 阅读

20010631-00 610-12K-276 速率和惯性传感器

看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 速率和惯性传感器类型 : Rate Sensors/Gyros 电气特征 励磁电压 (VDC): 5 – 16 尺寸 尺寸 MM : 14.6 x 10.2 x 7.6 使用环境 工作温度范围 : -40 – 105 °C [ -40 – 221 °F ] 包装特性 速率和惯性传感器包装 : Anodized Aluminium 其他 精确度 : ±0.5% Non-Linearity FS 范围 (±) DEG/SEC : 12000...
发表于 08-21 01:00 6次 阅读

62105012-000 62105012-000 位置传感器配套仪表

看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  电气特征 线路电源电压要求 (VDC): ±12, ±15 信号调节 - LVDT/RVDT 输出类型 (VDC): ±10 励磁电压 (Vrms): 3 信号特征 励磁频率 (kHz): 2.5 – 10 机械附件 信号调节 - LVDT/RVDT 安装 : Printed Circuit Board Edge or Terminal Block 使用环境 工作温度范围 : -1 – 55 °C [ 30 – 130 °F ] 其他 传感器类型 : 带 5 或 6 根导线的 LVDT 或 RVDT 传感器通道 : 1 ...
发表于 08-21 01:00 10次 阅读

67010001-000 67010001-000 线性位移传感器 - LVDT

看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  使用环境 工作温度范围 : 5 – 60 °C [ 41 – 140 °F ]
发表于 08-21 01:00 6次 阅读

7104A-0050 7104A-0050 即插即用加速度传感器

看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 加速度计类型 : IEPE 即插即用加速度计传感器类型 : 交流响应即插即用加速度计 结构特性 电气连接 : 10-32 同轴连接器 电气特征 满量程输出电压 (VDC): ±5 励磁电压 (VDC): 18 – 30 励磁电流 (mA): 2 – 10 信号特征 频率响应 (Hz): 0.3-10000 主体特性 轴数 : 1 重量 : 8.6 g [ .303 oz ] 材料 : 不锈钢 ...
发表于 08-21 01:00 12次 阅读

72162000-020 72162000-020 倾角传感器和倾角仪

看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  结构特性 接口 : 模拟 电气特征 电源电压 (VDC): 12 – 24 模拟接口 (mA): 4 – 20 端接特性 倾角传感器和测斜仪安装 : 垂直 尺寸 尺寸 (mm): 最多 70 倾角传感器和测斜仪精确度 (°): 最多 +/- .5 分辨率 (°): 最多 +/- .01 使用环境 测量原理 : 液体 工作温度范围 : -25 – 60 °C [ -13 – 140 °F ] 包装特性 倾...
发表于 08-21 01:00 6次 阅读

11106140-00 AST4300A05000P4P1000 压力传感器

看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 压力传感器类型 : 非易燃压力变送器 压力类型 : 测量仪 结构特性 压力端口/接头 : 1/4 MNPT 电气连接 : 10 英尺导管 电气特征 压力传感器电源电压 (V): 10 – 28 主体特性 端口材料 : 316L 使用环境 压力 : 344.73 bar [ 5000 psi ] 工作温度范围 : -40 – 80 °C [ -40 – 176 °F ] 操作/应用 耐压范围 : 2X,最小值 ...
发表于 08-21 01:00 24次 阅读

11108715-00 AST4600A02000P4W1000 压力传感器

看产品文档,或 联系我们 以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 压力传感器类型 : 防爆型压力变送器 压力类型 : 测量仪 结构特性 压力端口/接头 : 1/4 MNPT 电气连接 : 导管 2 m 引线 电气特征 压力传感器电源电压 (V): 10 – 28 主体特性 端口材料 : 316L 使用环境 工作温度范围 (°C): -40 – 85 工作温度范围 (°F): -40 – 185, -40 – 185 操作/应用 耐压范围 : 2X,最小值 ...
发表于 08-21 01:00 22次 阅读