胡志健1,，張中煒1,2

　?。?.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)字化紡織測控研究室,，上海 201620）

       摘要：針對物聯(lián)網(wǎng)中傳感器種類繁多,、接口不一致的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種新型的無線傳感器通用接口,。該接口由信號處理電路,、藍(lán)牙芯片、電源和無線射頻電路組成,，具有體積小,、即插即用、功耗低等特點(diǎn),。接口所采樣的信號通過藍(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,、智能家居,、樓宇監(jiān)控等場合下用于電流、電壓,、開關(guān)量與串口形式傳感器信號的處理,。并給出了通用接口的設(shè)計(jì)方案。測試結(jié)果表明,，該接口可以有效處理傳感器信號,，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,。新的感測技術(shù)層出不窮，在信號處理,、數(shù)字通信及本地智能擴(kuò)展方面對類型多樣的傳感器信號提出了越來越高的處理要求［3］,。微電子技術(shù)、半導(dǎo)體工藝與無線通信等技術(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)處理和無線傳輸一體化發(fā)展的趨勢,。我國物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展呈現(xiàn)良好的發(fā)展態(tài)勢［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題,。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用日益普及的大背景下,，為了縮短開發(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)無線傳感器通用接口屬于無線通信與電工電子領(lǐng)域，其應(yīng)用場景如圖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、信號接口電路,、藍(lán)牙芯片,、電源與無線射頻，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示,。

　　將信號接口電路,、電源、藍(lán)牙芯片和無線射頻電路共同組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)稱為無線傳感器接口,。信號接口電路可處理多種類型傳感器信號,。每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過路由器、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信號接口電路與供電

　　傳感器的信號處理是無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，通過藍(lán)牙芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換即可測量輸入電流大小,。其中Power_Supply為傳感器供電電源,，Vcc_IO為接口電源。

　　2.2開關(guān)量接口電路

　　在日常生活,、工業(yè)現(xiàn)場或樓宇等場景下,，常會(huì)遇到如繼電器、接近開關(guān),，為了檢測開關(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,，單刀雙擲開關(guān)S1通過觸點(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,。開關(guān)S2斷開時(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)

　　通過上文提及的接口電路可完成傳感器信號的采集,，而數(shù)據(jù)的無線傳輸則借助藍(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)采集器的連接請求,，則與之配對。若配對成功,，則接口停止廣播,，數(shù)據(jù)采集器通過藍(lán)牙設(shè)置接口參數(shù)，設(shè)置完畢后,，傳感器接口開始數(shù)據(jù)采集工作,，經(jīng)信號接口模塊處理后，傳給藍(lán)牙模塊進(jìn)一步處理,，而后無線發(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語言編寫接口底層程序，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,，開發(fā)者調(diào)用Android API庫構(gòu)建程序組件即可實(shí)現(xiàn)各種功能［14］。本文使用Java語言開發(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)無線傳感器通用接口,。

　　4.3實(shí)測結(jié)果

　　使用C語言編寫的代碼經(jīng)Keil編譯鏈接后下載到nRF51822上；Java編寫的應(yīng)用安裝到手機(jī)上,。測試信號包括高低電平,、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

　　通過對各種類型傳感器信號的實(shí)驗(yàn)測試可知，本文設(shè)計(jì)的通用接口結(jié)構(gòu)簡單,，設(shè)置與使用方便,，連接常用的傳感器即可實(shí)時(shí)檢測分布松散的物理變量而無需布線；對于環(huán)境監(jiān)測與海量信息采集,，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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