發布日期：2022-10-09 點擊率：105
引言
通常在測控系統中，傳感器是信息采集的重要裝置，數據的采集全靠傳感器，被譽為“神經觸角”的它如何實現其網絡化，也是當前的熱點研究問題。當前大多數測控系統中，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造成很多不便，不能夠滿足現實需要。隨著新興無線技術(如藍牙技術)的發展以及其芯片價格的降低，無線方式在很多場合都得到應用以取代原有的有線接口方式。無線網絡化傳感器勢必成為傳感器發展的一個重要方向。在介紹IEEE1451.2和藍牙技術的基礎上，本文提出了一種基于藍牙協議的無線網絡化傳感器結構模型，并著重討論基于該模型開發的模擬實驗裝置的實現及其在病人遠程監護中的應用。
1 基于IEEE1451.2和藍牙協議的無線網絡化傳感器
1.1 IEEE1451.2標準
IEEE1451.2作為智能傳感器接口模塊標準，它提供了將傳感器和變送器實現網絡化的接口標準，采用通用的A/D或D/A轉換裝置作為傳感器的I/O接口，將各種傳感器模擬量轉換成標準規定格式的數據，連同一個小存儲器———傳感器電子數據表(TEDS,transducerelectroNIcdatasheet)與標準規定的處理器目標模型———網絡適配器(NCAP,networkcapableap2plicationprocess)連接，如此，數據可以按網絡規定的協議連接入網絡。該標準的結構模型提供了一個連接智能變送器接口模型(STIM,smarttransducerinterfacemodule)和NCAP的10線標準接口———變送獨立接口(TII,transducerindependenceinterface)。其工作流程是敏感元件輸出的模擬信號經A/D轉換及相應數據處理(濾波、校準)后，由網絡處理裝置根據程序設定和網絡協議(TCP/IP)將其封裝成數據幀，通過網絡接口傳到網絡上。
1.2 藍牙技術
藍牙技術作為一種新的短距離無線通信協議，提供了一種無線數據與語音通信的開放標準，它具有許多特有的優勢：很強的移植性，可應用于多種通信場合;硬件集成電路應用簡單，成本低廉，實現容易，且易于推廣;藍牙功耗低，對人體危害小;藍牙采用擴頻跳頻技術，抗干擾能力強，增加了信息傳輸的安全性。藍牙技術正以其特有的優勢引起許多專家學者的廣泛關注。
1.3 傳感器結構模型
基于IEEE1451.2的有線網絡化傳感器結構模型包含STIM、TII和NCAP三部分。而本設計的基于IEEE1451.2和藍牙協議的無線網絡化傳感器，采用藍牙模塊替代TII實現無線連接，類似于實現了一個無線的STIM和無線NCAP接收終端的模式，它們以點對多點方式在藍牙匹克網以主從方式實現相互通信。
STIM通過無線的NCAP接入以太網(Ethernet)或In2ternet,同時NCAP通過分配的IP地址與網絡相連，如圖1所示。與典型的有線方式相比，上述無線網絡模型增加了兩個藍牙模塊，對于藍牙模塊部分，標準的藍牙對外接口電路一般使用RS232或USB接口，而TII是一個控制鏈接到它的STIM的串行接口，因此必須設計一個類似于TII接口的藍牙電路，構造一個專門的處理器來完成控制STIM和轉換數據到藍牙主控制接口(HCI,hostcontrolinterface)的功能。硬件實現上可以采用接口模塊，軟件實現上可以采用標準的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模塊。
IP地址與網絡
2 模擬實驗裝置的實現
下面以實驗室開發的模擬裝置為例來說明該傳感器的實現。該裝置的結構框圖如圖2所示，利用前端無線STIM中的MCU定時采集溫度傳感器中的溫度值，經藍牙無線網絡將數據傳送至NCAP。NCAP將存放于特定的位置，當有瀏覽器要查看該數值時，將該數值嵌入到相應的網頁程序中，并對整段程序進行TCP/IP封裝處理，傳送到客戶端的瀏覽器上。
結構框圖
2.1 STIM的實現
STIM中MCU采用的是微轉換芯片ADμC812。該芯片內有一個8052兼容的微處理器，遵從IEEE1451.2標準，利用芯片ADμC812內部的640B的數據存儲器作為可重復寫的TEDS存儲，利用內部的一個通道12位的ADC實現A/D轉換以及通過芯片內的UART串行口實現與藍牙模塊的通信。藍牙模塊選用的是支持點對多點的愛立信ROK101008系列，同時該模塊自帶射頻微帶天線。ROK101008藍牙模塊內部結構遵從藍牙規范1.1,其內部基帶控制器同樣提供了UART接口。藍牙模塊內部提供了主機控制器接口(HCI)來實現對藍牙硬件訪問的統一接口，結合RS232串口就可以實現主控制器和主機之間在傳輸層上的數據通信，基帶和射頻則提供了上層的鏈接和服務。同時，ADμC812還應完成對溫度傳感器的初始化、數據采集和處理。
(1)溫度傳感器DS18B20接口和驅動。
溫度傳感器選用的是DS18B20,該溫度芯片是一線式數字溫度傳感器，主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器。ROM中的64位序列號是該DS18B20的地址序列碼，ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現一根總線上掛接多個DS18B20的目的。主機控制DS18B20完成溫度轉換必須經過3個步驟：初始化、ROM操作指令、存儲器操作指令。其工作流程是：初始化→ROM操作指令→存儲器操作指令→數據傳輸，工作時序包括初始化時序、寫時序和讀時序。操作時必須先啟動DS18B20開始轉換，再讀出溫度轉換值。其硬件接口如圖3所示。
硬件接口
(2)藍牙模塊ROK101008初始化。
藍牙模塊上電即讓其完成初始化工作，使其能與信號范圍內藍牙建立連接通道。這一過程主要通過單片機MCU對藍牙模塊發送HCI指令完成。HCI指令包括指令分組，數據分組和事件分組，具體的格式為：操作碼+參數總長+參數0+參數N。
下面給出主從設備間實現ACL數據連接的HCI指令(字符對應指令的操作碼，由前10位和后6位兩部分組成，括弧內為該指令的參數)：從設備上電后實現查詢使能進行復位Write_scan_enable(0x03)。主設備發送查為0x00000000000,則建立ACL連接的HCI指令為Creat_Connection(0x000000000000,0x18,0,0,0,0)，從設備接收連接請求指令為Accept_connection_request(0x111111111111,0)，假定主設備地址為0x111111111111。這樣主從設備之間就建立了ACL數據連接。如Inquiry對應操作碼為x0001,0x01。具體的HCI指令參見藍牙規范。
2.2 NCAP的實現
NCAP的功能為實現藍牙模塊對以太網(Ether2net)的接入，同樣選用ROK101008系列藍牙模塊，如此可以實現多個STIM對同一NCAP的連接。采用8位微處理器W77E58和TCP/IP協議棧芯片W3100A一起實現對以太網(Ethernet)的接入的網絡化接口。
(1)協議棧芯片W3100A初始化。
W3100A是一TCP/IP協議棧芯片，包含的各協議層有：TCP、IP、UDP、ICMP和以太網協議的數據鏈路DLC和MAC協議，其工作方式類似于Windows的SoketAPI,為便于實現對傳感器的訪問，可以將傳感器設計為具有Web服務器功能。W3100A支持全雙工模式，內部帶有雙口的SRAM數據緩沖區，其封裝是64腳的LQFP,提供了并口和串口兩種方式實現與MCU的通信。MCU和W3100A的硬件接口如圖4所示。其中，RTL8201芯片為以太網物理層選用設備。
MCU和W3100A的硬件接口
W3100A提供MII接口與RTL8201相連，其中引腳RX_CLK,RXDV,RXD[0∶3]以及COL用于數據的接收，而TX_CLK,TXE,TXD[0∶3]用于數據的發送。
MCU中提供模擬的I2C接口與W3100A通信。
芯片W3100A正常工作必須對其完成相應的初始化。初始化主要是對必要的寄存器進行相應的設置，這些寄存器包括：網關地址寄存器GAR、子網掩碼寄存器SMR、硬件地址寄存器SHAR以及IP地址寄存器SIPR等。上述寄存器被設置后通過執行控制寄存器CR的0位Sys_init激活芯片。
(2)WEB服務功能實現。
協議棧芯片W3100A從硬件上實現了TCP/IP協議，因此將該裝置集成Web服務功能顯然比較容易，即在無線NCAP上應實現相應的HTTP協議，NCAP在網絡功能上相當于“網關”。要實現遠程瀏覽器與傳感器交互，可以利用傳感器NCAP中增加了的E2PROM(FM24C04)來存儲相應的網頁文件。交互時，HTTP通過統一資源定位器URL(uniformresourcelocator)來確定傳感器應該為瀏覽器提供哪些資源。
網頁文件存放在傳感器中的FM24C04里。當監測中心的瀏覽器發出頁面請求時，NCAP上的處理器在TCP打包的時候，把來自STIM端的監測值嵌入到相應的網頁文件中的特殊標志處，再為該網頁文件添加相應的HTTP頭，返回給請求的用戶，如此用戶可以在瀏覽器上看到實際的監測值。因此要實現Web功能，軟件上要在NCAP上完成HTTP協議，硬件上增加了一塊E2PROM(FM24C04)。
3 模擬裝置在病人監護系統中的應用
將上述網絡化傳感器(實驗裝置)用于病人監護中，病人就可以在異地(如家里)通過其身上攜帶的傳感器來采集和檢測某一信號，同時該傳感器將信號通過Ethernet或Internet傳送到監測中心。病人遠程監護系統結構示意圖如圖5所示。
病人遠程監護系統結構示意圖
利用模擬裝置中的WEB功能，本方案采用B/S(瀏覽器/服務器)方式實現遠程監測中心PC機對傳感器的訪問。如此可以最大程度地降低監測中心PC機的要求，也免去客戶端軟件的設計。監測PC只要通過其瀏覽器(如IE)即可方便實現對傳感器的信息進行查詢和監測。下面為存儲在溫度傳感器中的一個簡單的動態網頁程序，其中的“@”用來在網頁中插入溫度的標志，網頁文件存放在傳感器中的E2PROM里。當監測中心的瀏覽器發出頁面請求時，NCAP上的處理器在TCP打包的時候，把來自STIM端的監測值嵌入到相應的網頁文件中的“@”處，再為該網頁文件添加相應的HTTP頭，返回給請求的用戶，如此用戶可以在瀏覽器上看到實際的監測值。
4 結語
本文提出的基于藍牙協議的無線網絡化傳感器設計，信息傳輸安全可靠，可行性強。其無線的特殊優勢，能夠滿足某些特殊情況的需要，具有廣闊的應用前景和良好的市場價值。開發的模擬實驗裝置如再進一步通過臨床驗證與完善，即可用于病人遠程監護系統實現人體體溫的實時檢測、監護、記錄和儲存。如在此基礎上增加血壓、心率等傳感器之后，即可實現對人體的血壓、心率等實施監護與記錄處理。
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