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摘 要：本文介紹了一種采用藍牙技術的嵌入式工業診斷系統，能實時采集終端監控信息回傳到總控中心，實現了遠程報警，和數據采集分析功能。文中對于藍牙技術在工業環境里的實時性，穩定性作了基本的分析，同時試圖探索一種平臺獨立的控制系統，增加系統的獨立性和跨平臺操作。文章最后探討了藍牙技術和TCP/IP協議棧的結合，嵌入式分布數據庫的實現和管理。

關鍵詞：藍牙技術;嵌入式系統;工業診斷系統

Abstract: This paper introduces an industrial diagnostic system based on embedded system and Bluetooth Profile. The system will sample the parameters from industrial environment in real time, analysis values, generate alerts and send them back to the server. It analyses the stability of Bluetooth technology and finds an independent control system to improve the performance. At last, it discusses the combination of TCP/IP and Bluetooth, the way to implementing and managing of distributed database.

Keyword: Bluetooth; Embedded system; industrial diagnostic system

　　藍牙技術根據網絡的概念提供點對點和點對多點的無線鏈接，使人們能隨時隨地地進行數據信息的交換與傳輸。隨著各種藍牙終端設備的普及，如何增加藍牙設備的互操作性，如何把藍牙設備接入因特網，以及對藍牙設備本身的數據分布存儲和主控中心集中存儲提出了很多新的挑戰。

　　本文介紹了一種采用藍牙技術的嵌入式工業診斷系統，能實時采集終端獲取的監控信息（溫度，電壓等）回傳到總控中心，實現了遠程報警，和數據采集功能。對于藍牙技術在工業環境里的實時性，穩定性作了基本的分析。同時試圖探索一種平臺獨立的控制系統，增加系統的獨立性和跨平臺操作。文章最后探討了藍牙技術和TCP/IP協議棧的結合，嵌入式分布數據庫的實現和管理。

　　該工業診斷系統具有藍牙無線通信功能，能夠多路采集,實時顯示二十四小時工業環境信息存儲，采集參數統計分析與診斷，監督報警的功能。管理員可以在總控中心，對各監控節點的數據進行管理，此外，還可以遠程控制設備的報警參數，報警時間，探測頻率等進行更改設置。系統采用16/32位 RISC ARM7DMI為內核的LPC2106芯片和Connectblue公司的Cb-OEMSPA13i藍牙模塊作為主控制處理器模塊和藍牙通信模塊。

1 藍牙技術

　　藍牙技術是由愛立信、IBM、Intel、諾基亞、東芝等5家公司于1998年5月聯合制定的近距離無線通信技術標準，是一個開放的全球工業標準。其實質內容是為固定設備或移動設備之間的通信環境建立通用的無線電空中接口（Radio Air Interface），將通信技術與計算機技術進一步結合起來，提供一種低價位、低功耗、可替代電纜的無線數據和語音鏈路，使設備能在近距離范圍內實現相互通信或操作。該技術采用跳頻機制進行數據傳送，能極大地提高數據傳送的抗干擾性能，工作在全球公眾通用的2.4GHz ISM（工業、科學、醫學）頻段，傳輸速率為1Mbps，傳輸距離為10m-100m，可構成最多由8臺設備構成的微微網（Piconet），亦可再由多個獨立、非同步的微微網（Piconet）拓撲形成分布式網絡（Scatternet）。同時信道可采用采用0位、40位、60位密鑰加密。目前已由Bluetooth SIG組織制定藍牙1.2系統國際規范。本系統藍牙協議棧如圖1所示。藍牙技術在PAN（personal area network）的應用十分廣泛，比較熟悉的主要有無線音頻的應用，隨處可見的藍牙耳塞大家一定不陌生。但是，藍牙技術在工業監控方面的應用，目前正全面鋪開。在這個領域實現應用，應該說是一個前期探索和研究，但又充滿前景的方向。歐洲許多大公司正陸續推出他們的相關解決方案。

圖1 藍牙協議棧

2 芯片概述

　　2.1主控制處理器LPC2106

　　LPC2106是飛利浦帶有一個支持實時仿真和跟蹤的 ARM7DMI-S 微處理器，嵌入 128KB高速 Flash存儲器。 采用3級流水線技術，取指、譯碼和執行同時進行，能夠并行處理指令，提高CPU運行速度。由于具有非常小的尺寸和極低的功耗，非常適用于那些將小型化作為主要要求的應用。多個32位定時器、PWM 輸出和32個GPIC使它特別適用于工業控制和小型機器人系統。ARM內核在嵌入式應用領域的絕對占有率無疑讓他成為很多工業系統的首選方案。PHILIPS推出的這個低成本的ARM7芯片，同時卻包含了比51單片機豐富許多的片上資源。在很多不需要音視頻處理的工業控制領域，正逐步替代51單片機，成為未來的趨勢。集成網絡功能和LCD顯示驅動模塊的型號（LPC28xx），和針對低成本的LPC210X，成為我們實現該項目設計的最佳選擇。

圖2 系統結構圖

　　2.2藍牙模塊Cb-OEMSPA13i

　　藍牙模塊Cb-OEMSPA13i是ConnectBlue公司集成的有射頻收發，基帶控制和管理，符合RS232接口協議的藍牙串口適配器。核心工作電壓3-6V。芯片內硬件和固件符合藍牙規范V1.1。射頻發射功率支持CLASS2。輸出頻率2.402 –2.480 GHz，最大接收頻率+14dBm。支持多點傳輸。基于ConnectBlue強大的工業應用背景，該模塊已經在惡劣的工業環境下被大量的應用，針對工業環境做了很多的從硬件到軟件的改良和增強，這也是我們選擇這個模塊的原因。

3 系統工作原理和總體設計

　　本系統原理框圖如圖2所示，它的工作原理是：系統由①處采集信號，其中包括兩路模擬信號，兩路數字信號和兩路由溫度傳感器（PT100）檢測出的環境溫度信號，這些信號分別送到各自的信號采集和調整模塊，針對各種信號的特點和要求進行放大，濾波等處理，并將信號放大調整到一定的幅度，其中信號采集調整過程如圖3。信號再經主控制處理器內含的十位A/D轉換器把模擬信號轉換成數字信號;主控制處理器模塊運行嵌入式操作系統和片上信號分析應用軟件對數據進行分析處理和閾值比較及報警，同時在用戶界面上顯示各參數測量分析結果和報警信息，由FLASH ROM模塊完成對數據的壓縮存儲，將重要的數據存入 E2PROM（數據庫②中存儲的是在用戶界面上設置的各個參數的閥值信息、報警信息和顯示的實時數據。）。PPP協議采用兩個循環隊列的方式，通過藍牙無線傳輸模塊功能，將數據實時發送到服務器，得出更為詳細的檢測報告，以便提供給技術人員作為現場信息的參考評價。此外，管理員可以在服務器端，通過web 對各監控節點的數據進行管理，并且遠程控制設備的報警參數，報警時間，探測頻率等進行設置更改。

4 硬件電路

　　硬件電路部分包括信號采集調整模塊，ARM7DMI為內核的LPC2106主控制處理器模塊,以Connectblue公司的Cb-OEMSPA13i藍牙模塊作為藍牙無線網絡模塊，電源管理和重置模塊和其他保護、調整電路。各模塊具體實現以下功能：

　　（1） 輸入

　　信號采集調整模塊實現對多信號的拾取，對低頻、高頻、工頻等干擾信號進行濾波和抑制，對模擬量進行放大、零點調整和滿量程調整。

圖3 信號采集調整模塊

　　（2） 主控制處理器模塊結合商業嵌入式操作系統和片上采樣分析軟件實現對模擬信號的A/D模數轉換和控制，數字濾波和小波分析，數據計算分析，同時控制和管理硬件部分的每個模塊。

　　（3） 存儲模塊實現各種信號數據的實時存儲，可同時存儲實時產生的警報。E2PROM具有可擦除，可寫入功能，即使系統電源關閉，其上的存儲數據也不會丟失。

　　（4） 無線網絡模塊實現數據的無線傳輸和藍牙無線網絡服務，與PC或其他設備上的藍牙無線端口連接實現藍牙技術中的微微網（Piconet），同時允許多臺藍牙接口的設備構成的對等的藍牙無線網絡。

　　（5） 電源管理和重置模塊主要負責給系統提供穩定的電壓和檢測系統的運行狀態，保證系統的無故障運行。

　　（6） 大量的濾波元器件和電路的使用，同時采用了四層板的設計，盡可能減少外界的干擾和系統的不穩定因素。

　　（7） 由于藍牙模塊涉及到高頻，在硬件電路中單獨為它設計了一個浮高的連接插件，使它能夠不受其他模塊的干擾，同時為藍牙模塊預留了外置天線的接口和調試重置的接口，以增加系統的可調試性和擴展性。

5 軟件設計

　　5.1軟件層次

圖4  軟件層次圖

　　5.2軟件程序的實現

　　5.2.1 操作系統

　　本系統采用的是瑞典Embedded Artists公司開發的商業嵌入式操作系統Infrabed。 Infrabed是一個高度可配置型操作系統。它可以根據用戶的需要，將嵌入式系統低層框架組件進行刪選，以便達到系統最優，最集約化配置。在本系統實現過程中，我們采用了其中的搶占式實時操作系統，PPP、TCP/IP通信協議，文件系統，Web server五個模塊。

　　5.2.2 通訊協議

　　藍牙的核心部分是協議棧，藍牙協議棧允許多個設備進行相互的定位、連接和交換數據，并能實現互操作和交互式的應用。協議棧分別運行在藍牙模塊及微處理器上面，是管理系統資源、控制硬件、通過HCI對來自主機的命令進行處理、完成藍牙功能的嵌入式軟件。

　　該藍牙模塊實現籃牙的協議子集LAN Access Point（LAP），這種應用模式在藍牙連接上使用IETF的點到點協議（PPP）。PPP是一種廣泛使用的Internet標準，為IP通訊提供了主機配置和準備，PPP是為在同等單元之間傳輸數據包這樣的簡單的鏈路而設計的。這種鏈路提供全雙工操作，并按照順序傳遞數據包。PPP為基于各種主機、網橋和路由器的簡單連接提供一種共通的解決方案。

　　在系統實現過程中，我們把TCP/IP協議移植到藍牙鏈路上，使應用層能夠透明地操作十分通用的套接字接口，為將來應用程序的擴展和移植提供了方便。

　　除了底層的通訊協議，我們還自己設計了一個協議專門用來傳輸報警、取樣信息以及數據庫的同步。有了這一層協議，為以后新的藍牙設備的互聯提供的統一的格式。

　　5.2.3 分布和集中的數據庫

　　系統通過FLASH實現的本地分布數據庫，由于系統的FLASH空間有限，只能作為數據暫存的地方。上位機的集中數據庫才是系統總數據中心。

　　在數據庫的實現方面，系統增加了針對報警信息，采樣信息的加入，查詢，刪除等專用操作的接口函數，以提高數據庫的易用性和操作效率。同時為了各部分數據庫的同步，修改了協議和數據的內容格式，增加了時間戳，同步時間等字段，保證兩邊的數據同步。

　　為了防止系統的崩潰，掉電等極端的狀況，系統對最新的數據實行本地的FLASH備份。這樣最新的數據有兩處備份，增加了數據的安全性。用戶的配置信息等，系統也實現了雙備份和兩邊同步，以用來系統恢復。

　　5.2.4 用戶界面

　　用戶界面的設計過程考慮到兩種需求，一是對平臺獨立的需求，希望該總控界面能運行在不同的設備上。 二是對實時性的需求，因為工業應用的特殊要求，實時性無疑是我們必須考慮的問題。

　　最后，系統的實現我們采用了兩種技術,增加客戶的選擇空間：

　　1、嵌入式CGI+ WebServer。這樣系統有很好的平臺獨立性，只要能運行IE瀏覽器的設備上都可以對系統進行監視和控制。

　　2、采用了Sun的Java applet技術書寫用戶界面。applet技術因為其良好的平臺獨立性被廣泛應用，同時他還有很好的實時性的優點，是方案1不能做到的。但唯一的要求就是設備除了支持IE瀏覽器外，還需要支持Java的解釋器。

　　有了這兩種技術，系統在不用安裝任何軟件的情況下，可以運行在所有的PC，大部分的PDA和手機上，為操控人員提供很大的方便。

6 結 語

　　為了克服傳統工業控制機器附件多、有線檢測傳輸方式、組網不方便、檢測參數單一、擴展交互能力差的不足，本系統提供一種具有藍牙無線通信的嵌入式工業診斷系統。該工業診斷系統具有藍牙無線通信功能，能夠多路采集,實時顯示工業環境信息存儲，實現參數統計分析與診斷，監督報警的功能。同時，還可以遠程控制設備的報警參數，報警時間，探測頻率等進行設置更改。內含嵌入式操作系統和數據分析診斷應用軟件，為設備的功能擴展提供了方便。

參考文獻：

　　[1] Karim Yghmour ,Building Embedded Linux Systems. O‘Reilly, 2003

　　[2] 馬建倉，羅亞軍等.藍牙核心技術及應用，北京:科學出版社，2003

　　[3] 馮慶勝，李紅，冀勇鋼，基于藍牙技術組建無線家庭網絡.微計算機信息 2006年第3-2期