基于蓝牙技术的嵌入式工业诊断系统

ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ基于蓝牙技术的嵌入式工业诊断系统IndustrialdiagnosticsystembasedonembeddedsystemandBluetoothTechnology葛茜倩1，李佳乐2(1.浙江工商职业技术学院，宁波,315012，2.宁波市阶梯科技有限公司，宁波315040)摘要：本文介绍了一种采用蓝牙技术的嵌入式工业诊断系统，能实时采集终端监控信息回传到总控中心，实现了远程报警，和数据采集分析功能。文中对于蓝牙技术在工业环境里的实时性，稳定性作了基本的分析，同时试图探索一种平台独立的控制系统，增加系统的独立性和跨平台操作。文章最后探讨了蓝牙技术和TCP/IP协议栈的结合，嵌入式分布数据库的实现和管理。关键词：蓝牙技术；嵌入式系统；工业诊断系统分类号：TP273文献标识码：AAbstract:ThispaperintroducesanindustrialdiagnosticsystembasedonembeddedsystemandBluetoothProfile.Thesystemwillsampletheparametersfromindustrialenvironmentinrealtime,analysisvalues,generatealertsandsendthembacktotheserver.ItanalysesthestabilityofBluetoothtechnologyandfindsanindependentcontrolsystemtoimprovetheperformance.Atlast,itdiscussesthecombinationofTCP/IPandBluetooth,thewaytoimplementingandmanagingofdistributeddatabase.Keyword:Bluetooth;Embeddedsystem;industrialdiagnosticsystem蓝牙技术根据网络的概念提供点对点和点对多点的无线链接，使人们能随时随地地进行数据信息的交换与传输。随着各种蓝牙终端设备的普及，如何增加蓝牙设备的互操作性，如何把蓝牙设备接入因特网，以及对蓝牙设备本身的数据分布存储和主控中心集中存储提出了很多新的挑战。本文介绍了一种采用蓝牙技术的嵌入式工业诊断系统，能实时采集终端获取的监控信息（温度，电压等）回传到总控中心，实现了远程报警，和数据采集功能。对于蓝牙技术在工业环境里的实时性，稳定性作了基本的分析。同时试图探索一种平台独立的控制系统，增加系统的独立性和跨平台操作。文章最后探讨了蓝牙技术和TCP/IP协议栈的结合，嵌入式分布数据库的实现和管理。该工业诊断系统具有蓝牙无线通信功能，能够多路采集,实时显示二十四小时工业环境信息存储，采集参数统计分析与诊断，监督报警的功能。管理员可以在总控中心，对各监控节点的数据进行管理，此外，还可以远程控制设备的报警参数，报警时间，探测频率等进行更改设置。系统采用16/32位RISCARM7DMI为内核的LPC2106芯片和Connectblue公司的Cb-OEMSPA13i蓝牙模块作为主控制处理器模块和蓝牙通信模块。1蓝牙技术蓝牙技术是由爱立信、IBM、Intel、诺基亚、东芝等5家公司于1998年5月联合制定的近距离无线通信技术标准，是一个开放的全球工业标准。其实质内容是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的无线电空中接口(RadioAirInterface)，将通信技术与计算机技术进一步结合起来，ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ提供一种低价位、低功耗、可替代电缆的无线数据和语音链路，使设备能在近距离范围内实现相互通信或操作。该技术采用跳频机制进行数据传送，能极大地提高数据传送的抗干扰性能，工作在全球公众通用的2.4GHzISM(工业、科学、医学)频段，传输速率为1Mbps，传输距离为10m-100m，可构成最多由8台设备构成的微微网（Piconet），亦可再由多个独立、非同步的微微网（Piconet）拓扑形成分布式网络（Scatternet）。同时信道可采用采用0位、40位、60位密钥加密。目前已由BluetoothSIG组织制定蓝牙1.2系统国际规范。本系统蓝牙协议栈如图1所示。蓝牙技术在PAN(personalareanetwork)的应用十分广泛，比较熟悉的主要有无线音频的应用，随处可见的蓝牙耳塞大家一定不陌生。但是，蓝牙技术在工业监控方面的应用，目前正全面铺开。在这个领域实现应用，应该说是一个前期探索和研究，但又充满前景的方向。欧洲许多大公司正陆续推出他们的相关解决方案。2芯片概述2.1主控制处理器LPC2106LPC2106是飞利浦带有一个支持实时仿真和跟踪的ARM7DMI-S微处理器，嵌入128KB高速Flash存储器。采用3级流水线技术，取指、译码和执行同时进行，能够并行处理指令，提高CPU运行速度。由于具有非常小的尺寸和极低的功耗，非常适用于那些将小型化作为主要要求的应用。多个32位定时器、PWM输出和32个GPIC使它特别适用于工业控制和小型机器人系统。ARM内核在嵌入式应用领域的绝对占有率无疑让他成为很多工业系统的首选方案。PHILIPS推出的这个低成本的ARM7芯片，同时却包含了比51单片机丰富许多的片上资源。在很多不需要音视频处理的工业控制领域，正逐步替代51单片机，成为未来的趋势。集成网络功能和LCD显示驱动模块的型号（LPC28xx），和针对低成本的LPC210X，成为我们实现该项目设计的最佳选择。2.2蓝牙模块Cb-OEMSPA13i蓝牙模块Cb-OEMSPA13i是ConnectBlue公司集成的有射频收发，基带控制和管理，符合RS232接口协议的蓝牙串口适配器。核心工作电压3-6V。芯片内硬件和固件符合蓝牙规范V1.1。射频发射功率支持CLASS2。输出频率2.402–2.480GHz，最大接收频率+14dBm。支持多点传输。基于ConnectBlue强大的工业应用背景，该模块已经在恶劣的工业环境下被大量的应用，针对工业环境做了很多的从硬件到软件的改良和增强，这也是我们选择这个模块的原因。3系统工作原理和总体设计本系统原理框图如图2所示，它的工作原理是：系统由①处采集信号，其中包括两路模拟信号，两路数字信号和两路由温度传感器（PT100）检测出的环境温度信号，这些信号分别送到各自的信号采集和调整模块，针对各种信号的特点和要求进行放大，滤波等处理，并将图1蓝牙协议栈E2PROM采样调整分析处理警报信息DBCGITCP/IP协议栈文件系统WebServerPPP协议栈数据库②蓝牙模块图2系统结构图①ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ信号放大调整到一定的幅度，其中信号采集调整过程如图3。信号再经主控制处理器内含的十位A/D转换器把模拟信号转换成数字信号；主控制处理器模块运行嵌入式操作系统和片上信号分析应用软件对数据进行分析处理和阈值比较及报警，同时在用户界面上显示各参数测量分析结果和报警信息，由FLASHROM模块完成对数据的压缩存储，将重要的数据存入E2PROM（数据库②中存储的是在用户界面上设置的各个参数的阀值信息、报警信息和显示的实时数据。）。PPP协议采用两个循环队列的方式，通过蓝牙无线传输模块功能，将数据实时发送到服务器，得出更为详细的检测报告，以便提供给技术人员作为现场信息的参考评价。此外，管理员可以在服务器端，通过web对各监控节点的数据进行管理，并且远程控制设备的报警参数，报警时间，探测频率等进行设置更改。4硬件电路硬件电路部分包括信号采集调整模块，ARM7DMI为内核的LPC2106主控制处理器模块,以Connectblue公司的Cb-OEMSPA13i蓝牙模块作为蓝牙无线网络模块，电源管理和重置模块和其他保护、调整电路。各模块具体实现以下功能：(1)信号采集调整模块实现对多信号的拾取，对低频、高频、工频等干扰信号进行滤波和抑制，对模拟量进行放大、零点调整和满量程调整。(2)主控制处理器模块结合商业嵌入式操作系统和片上采样分析软件实现对模拟信号的A/D模数转换和控制，数字滤波和小波分析，数据计算分析，同时控制和管理硬件部分的每个模块。(3)存储模块实现各种信号数据的实时存储，可同时存储实时产生的警报。E2PROM具有可擦除，可写入功能，即使系统电源关闭，其上的存储数据也不会丢失。(4)无线网络模块实现数据的无线传输和蓝牙无线网络服务，与PC或其他设备上的蓝牙无线端口连接实现蓝牙技术中的微微网（Piconet），同时允许多台蓝牙接口的设备构成的对等的蓝牙无线网络。(5)电源管理和重置模块主要负责给系统提供稳定的电压和检测系统的运行状态，保证系统的无故障运行。(6)大量的滤波元器件和电路的使用，同时采用了四层板的设计，尽可能减少外界的干扰和系统的不稳定因素。(7)由于蓝牙模块涉及到高频，在硬件电路中单独为它设计了一个浮高的连接插件，使它能够不受其他模块的干扰，同时为蓝牙模块预留了外置天线的接口和调试重置的接口，以增加系统的可调试性和扩展性。5软件设计5.1软件层次输入静电放电保护protectESD模拟信号Analogue0-10V信号调节SignalConditioning标准调整Leveladjustment输出0/5V输入数字信号Digital0-24V静电放电保护protectESD电流阻断Galvanicseparation信号调节，低通滤波SignalConditioning标准调整Leveladjustment输出图3信号采集调整模块ｓｕｎｓｈｉｎｅｓｕｎｓｈｉｎｅ5.2软件程序的实现5.2.1操作系统本系统采用的是瑞典EmbeddedArtists公司开发的商业嵌入式操作系统Infrabed。Infrabed是一个高度可配置型操作系统。它可以根据用户的需要，将嵌入式系统低层框架组件进行删选，以便达到系统最优，最集约化配置。在本系统实现过程中，我们采用了其中的抢占式实时操作系统，PPP、TCP/IP通信协议，文件系统，Webserver五个模块。5.2.2通讯协议蓝牙的核心部分是协议栈，蓝牙协议栈允许多个设备进行相互的定位、连接和交换数据，并能实现互操作和交互式的应用。协议栈分别运行在蓝牙模块及微处理器上面，是管理系统资源、控制硬件、通过HCI对来自主机的命令进行处理、完成蓝牙功能的嵌入式软件。该蓝牙模块实现篮牙的协议子集LANAccessPoint（LAP），这种应用模式在蓝牙连接上使用IETF的点到点协议（PPP）。PPP是一种广泛使用的Internet标准，为IP通讯提供了主机配置和准备，PPP是为在同等单元之间传输数据包这样的简单的链路而设计的。这种链路提供全双工操作，并按照顺序传递数据包。PPP为基于各种主机、网桥和路由器的简单连接提供一种共通的解决方案。在系统实现过程中，我们把TCP/IP协议移植到蓝牙链路上，使应用层能够透明地操作十分通用的套接字接口，为将来应用程序的扩展和移植提供了方便。除了底层的通讯协议，我们还自己设计了一个协议专门用来传输报警、取样信息以及数据库的同步。有了这一层协议，为以后新的蓝牙设备的互联提供的统一的格式。5.2.3分布和集中的数据库系统通过FLASH实现的本地分布数据库，由于系统的FLASH空间有限，只能作为数据暂存的地方。上位机的集中数据库才是系统总数据中心。在数据库的实现方面，系统增加了针对报警信息，采样信息的加入，查询，删除等专用操作的接口函数，以提高数据库的易用性和操作效率。同时为了各部分数据库的同步，修改了协议和数据的内容格式，增加了时间戳，同步时间等字段，保证两边的数据同步。为了防止系统的崩溃，掉电等极端的状况，系统对最新的数据实行本地的FLASH备份。这样最新的数据有两处备份，增加了数据的安全性。用户的配置信息等，系统也实现了双备份和两边同步，以用来系统恢复。5.2.4用户界面用户界面的设计过程考虑到两种需求，一是对平台独立的需求，希望该总控界面能运行在不