唐緒偉，滕召勝，王　永

(1．湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙　410082；2．懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南懷化　418000)

0　引言

絕緣電阻表是設(shè)備絕緣性檢測的專用工具，也是國家強(qiáng)制要求定期進(jìn)行檢定的測量儀表，而檢定設(shè)備的智能化和網(wǎng)絡(luò)化程度是影響檢定效率的主要因素。現(xiàn)有的絕緣電阻表檢定裝置均采用PC+MCU架構(gòu)模式，通過有線通信方式完成信息互聯(lián)。系統(tǒng)雖然能滿足檢定的智能化要求，但對PC機(jī)和通信電纜的依賴性較大，使用場地和效率受到一定限制。文中提出了一種MCU+智能手機(jī)的便攜式絕緣電阻表檢定裝置架構(gòu)方案。以藍(lán)牙技術(shù)替代常規(guī)有線通信完成近距離數(shù)據(jù)傳輸；以Qt/Embedded為系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺，將用戶界面植入智能手機(jī)，以藍(lán)牙模塊為橋梁實(shí)現(xiàn)MCU與智能手機(jī)之間的信息交互；檢定信息經(jīng)XML方式解析后，可方便地通過手機(jī)互聯(lián)網(wǎng)上傳至控制中心服務(wù)器，供用戶及時(shí)獲知絕緣電阻表的工作狀況。通過智能手機(jī)即可完成絕緣電阻表的檢定，也可完成檢定信息的處理、存儲、上傳、查詢和與絕緣電阻表檢定設(shè)備的互聯(lián)，使操作更為簡單方便，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的便攜化、微型化程度。

該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、使用方便、組網(wǎng)靈活和檢定可靠、實(shí)用性和抗干擾能力強(qiáng)、檢定效率高[2]。藍(lán)牙技術(shù)也能有效地嵌入到智能儀器儀表，實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)有線工業(yè)控制總線延伸[3]。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

絕緣電阻表檢定裝置采用MCU+智能手機(jī)的嵌入式系統(tǒng)架構(gòu)，主要由檢定信息檢測端 (MCU端)、信息管理端 (智能手機(jī)端)2部分組成。其中，信息檢測端主要用于檢定信息的采集，完成信息的就地顯示、報(bào)警和傳輸功能，也是整個系統(tǒng)的前端裝置；信息管理端主要用于檢定信息的管理，完成檢定信息的處理、存儲，具備信息查詢和信息發(fā)布功能；檢測端與管理端之間采用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)是一種開放性的、短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也是國際上最新的一種公開的無線通信技術(shù)規(guī)范。在較小的范圍內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備和移動設(shè)備之間靈活、安全、低成本、低功耗的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，遵循Bluetooth協(xié)議的各類數(shù)據(jù)和語音設(shè)備均能接入到公共網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中[2]。

Qt/Embedded是圖形化界面開發(fā)工具Qt的嵌入式版本，可通過Qt API與Linux I/O和Frame Buffer直接交互，具有較高的運(yùn)行效率。整體面向?qū)ο蟮木幊谭绞绞蛊鋼碛辛己玫捏w系架構(gòu)和編程模式。采用C++ 封裝類庫，使其具有豐富的控件資源和良好的移植性。Qt Designer可直接開發(fā)基于Qt/Embedded的用戶操作接口界面。信息管理端采用Qt4設(shè)計(jì)絕緣電阻表檢定裝置的手持終端接口界面，符合友好化、人性化的接口界面設(shè)計(jì)理念。

2　系統(tǒng)中藍(lán)牙通信的實(shí)現(xiàn)

2．1硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由BF10藍(lán)牙模塊、單片機(jī)集成系統(tǒng)、連接接口3部分組成。藍(lán)牙模塊可完成數(shù)據(jù)的打包、拆包、通信等功能，單片機(jī)集成系統(tǒng)主要用于完成電阻信息的采集，連接接口是實(shí)現(xiàn)信息交互的主體，也是實(shí)現(xiàn)無線通信的關(guān)鍵部分。

藍(lán)牙模塊以BLUECORE4-EXTERNAL為主芯片，同時(shí)集成了射頻收發(fā)、基帶控制和管理以及藍(lán)牙主控制器接口協(xié)議HCI等功能。核心工作電壓為1．8 V，輸入輸出端口工作電壓3．3 V．芯片內(nèi)硬件和固件均符合藍(lán)牙規(guī)范V1．2。內(nèi)部集成了32Kbytes RAM，支持外擴(kuò)8 MB的FLASH ROM．發(fā)射功率為CLASS2(2．5 mW)或CLASS3(1 mW)。提供了HCI USB接口和UART接口(速率1．5Mband)兩種接口，用作藍(lán)牙主芯片可使外圍元件數(shù)減少到最低[4]。其內(nèi)部通信原理的協(xié)議棧模型如圖2所示。

圖2　藍(lán)牙主機(jī)-藍(lán)牙控制器協(xié)議棧模型

BF10藍(lán)牙模塊與單片機(jī)集成系統(tǒng)的接口電路，如圖3所示：

圖3　BF10藍(lán)牙模塊與單片機(jī)系統(tǒng)的連接

BF10藍(lán)牙模塊內(nèi)置SPP協(xié)議，通過串口可與嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，故只需將BF10的TXD引腳與單片機(jī)的RXD相連，RXD引腳與單片機(jī)的TXD相連，即可將藍(lán)牙通信變?yōu)楦鼮橥ㄓ玫拇谕ㄐ?，完成單片機(jī)系統(tǒng)與BF10的數(shù)據(jù)互傳。

系統(tǒng)通過智能手機(jī)的藍(lán)牙發(fā)送命令至BF10，BF10將命令傳送給單片機(jī)，命令經(jīng)單片機(jī)分析處理后將信息回送給BF10，最后由智能手機(jī)完成信息的就地顯示、互傳[3]。檢定信息只需通過XML解析，即可上傳至互聯(lián)網(wǎng)中。

工業(yè)環(huán)境的干擾因素非常復(fù)雜，故電磁兼容設(shè)計(jì)十分重要[9]，無線通信系統(tǒng)的要求更加嚴(yán)格。因金屬會削弱天線的功能，故布板時(shí)，模塊天線下面要求不覆銅和走線，若能挖空效果將更好。采用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)來提高系統(tǒng)的抗干擾能力和數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

2．2軟件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙之間的通信是通過HCl分組實(shí)現(xiàn)的[3]，HCI是藍(lán)牙軟件協(xié)議棧中軟件與硬件之間的接口[4]，它為上層提供了訪問和控制藍(lán)牙硬件的統(tǒng)一接口[5]。HCI是通過分組(Packet)的方式來進(jìn)行信息交互的，有指令分組(Command Packet)、事件分組(Event Packet)和數(shù)據(jù)分組(Data Packet)3種分組類型。

因系統(tǒng)中僅涉及數(shù)據(jù)通信，故建立的是藍(lán)牙異步無鏈接(ACL)鏈路。ACL數(shù)據(jù)通信流程有藍(lán)牙模塊初始化(Init Bluetooth( ))、HCI流量控制設(shè)置(Flow Set( ))、查詢(Inquiry( ))、建立連接(Great Connection( ))、進(jìn)行數(shù)據(jù)通信、斷開連接(Disconnect( ))6個步驟[6]。

初始化是指單片機(jī)每向BF10發(fā)送一個HCI命令分組，然后取回BF10返回的事件分組，判斷命令執(zhí)行的情況。若返回事件分組不正確，則重新初始化藍(lán)牙，直到返回正確為止。初始化完成后，打開流量控制，對數(shù)據(jù)流量進(jìn)行配置。此后，由主設(shè)備查詢周圍的藍(lán)牙設(shè)備狀態(tài)，匹配成功后，向其發(fā)出建立連接指令，建立ACL連接。連接成功后，兩個藍(lán)牙設(shè)備可相互發(fā)送ACL數(shù)據(jù)分組。其格式為0x0l020l20數(shù)據(jù)總長(2個字)數(shù)據(jù)[7]。每發(fā)送5個數(shù)據(jù)分組將返回一個完成事件分組，用于流量控制。通信完成后，主設(shè)備和從設(shè)備均可以發(fā)出斷開連接命令Disconnect。步驟的代碼如下：

(1)藍(lán)牙配置

void Configure(){

/*將HCI配置指令、流量控制和參數(shù)放入BUFFERS中，打包后發(fā)送*/}

(2)藍(lán)牙查詢

void Inquiry(){

/*將HCI查詢指令和參數(shù)放入BUFFERS中，打包后發(fā)送*/}

(3)建立ACL連接

void Great Connection(){

/*將HCI查詢指令和參數(shù)放入BUFFERS中，打包后發(fā)送*/}

(4)ACL數(shù)據(jù)分組傳輸

void SendACLData(){

/*ACL數(shù)據(jù)分組放入BUFFERS中，打發(fā)后發(fā)送*/}

void GetACLData(){

/*將BUFFERS中ACL數(shù)據(jù)分組，拆包后送給上層軟件*/}

(5)斷開連接

void GetACLData(){

/*將HCI斷開鏈路指令放入BUFFERS中，打包后發(fā)送*/}

主機(jī)方和從機(jī)方均采用基于令牌式的通信協(xié)議，其通信程序流程圖如圖4和圖5所示：系統(tǒng)匹配后可根據(jù)用戶設(shè)定參數(shù)，實(shí)現(xiàn)鑒定信息的錄入，鑒定信息的上傳，使主機(jī)與從機(jī)中的數(shù)據(jù)更新同步。

圖4　主機(jī)方流程圖

圖5　從機(jī)方流程圖

3　實(shí)際應(yīng)用

湖南省電力研究院的檢定中心為絕緣電阻表檢定裝置配備了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，用于絕緣電阻表檢定信息的互聯(lián)、查詢和存儲。主要由電阻值采集系統(tǒng)(STC89C52RC+單片機(jī)系統(tǒng))、智能手機(jī)(以諾基亞N73為例)終端、藍(lán)牙通信接口、手機(jī)互聯(lián)網(wǎng)等組成。組成框圖如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)硬件組成框圖

單片機(jī)集成系統(tǒng)主要用于電阻值的采集、環(huán)境溫濕度的檢測與控制；N73手機(jī)用于對各檢測參數(shù)的監(jiān)督報(bào)警、信息存儲和傳輸；BF10是單片機(jī)系統(tǒng)與N73的信息交互通道；手機(jī)互聯(lián)網(wǎng)用于檢定信息的上傳。BF10與單片機(jī)間采用UART通信方式，串口初始化完成后，利用串口中斷方式完成信息的交互。手機(jī)互聯(lián)網(wǎng)是指利用手機(jī)登陸互聯(lián)網(wǎng)，完成與電腦相同的操作。系統(tǒng)以短信方式將檢定的信息上傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中，實(shí)現(xiàn)移動檢定和信息互聯(lián)，提高了系統(tǒng)檢定效率；同時(shí)，也便于用戶聯(lián)網(wǎng)查詢。

N73中的用戶界面由基本信息設(shè)置、絕緣電阻檢定、電壓及其他測試、檢定結(jié)果、信息查詢共5個子界面組成。系統(tǒng)利用PC機(jī)開發(fā)好用戶界面后，若N73手機(jī)中已經(jīng)安裝了Qt庫和TRK，在主程序中添加如下代碼：

symbian{

debug{MMP_RULES-=PAGED

MMP_RULES+=UNPAGED}

TARGET．UID3=0xe2d68ef8

#TARGET．CAPABILITY+=

TARGET．EPOCSTACKSIZE=0X14000

TARGET．EPOCHEAPSIZE=0x020000 0x800000}

即可方便地將PC機(jī)端的用戶界面嵌入到諾基亞N73智能手機(jī)中。其用戶主界面如圖7所示。

圖7　N73手機(jī)中用戶主界面

主界面可完成檢定設(shè)備信息、被檢定設(shè)備信息和檢定環(huán)境信息的錄入功能和項(xiàng)目檢定功能。系統(tǒng)在錄入檢定信息后，轉(zhuǎn)入檢定界面，面板中設(shè)置了按鈕，用于實(shí)現(xiàn)檢定信息檢測端與信息管理端的聯(lián)機(jī)與斷開。智能手機(jī)發(fā)送信息檢定命令后完成電阻值信息接收，實(shí)現(xiàn)信息的就地顯示、處理、存儲、管理和檢定結(jié)論的形成。系統(tǒng)也可將檢定結(jié)果的信息通過XML解析方法上傳至手機(jī)互聯(lián)網(wǎng)，用戶通過互聯(lián)網(wǎng)即可方便查詢設(shè)備的工作狀況，實(shí)現(xiàn)信息的復(fù)制與存儲。同時(shí)，系統(tǒng)可以多角度進(jìn)行測控?cái)?shù)據(jù)的傳輸，實(shí)現(xiàn)多個測控儀器設(shè)備間的互連，便于進(jìn)行集中監(jiān)測與控制。

4　結(jié)束語

目前該便攜式絕緣電阻表檢定裝置已投入生產(chǎn)使用，系統(tǒng)以跨平臺軟件開發(fā)平臺Qt4為界面設(shè)計(jì)工具，SQLite3為嵌入式數(shù)據(jù)庫，其模塊化編程方式和標(biāo)準(zhǔn)的C++語言使系統(tǒng)具有較強(qiáng)可移植性。智能手機(jī)的引入使系統(tǒng)解除了對PC機(jī)的依賴；藍(lán)牙技術(shù)使系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了絕緣電阻表檢定裝置的無線通信，避免了系統(tǒng)通信對常規(guī)電纜的依賴；真正實(shí)現(xiàn)了絕緣電阻表檢定裝置的智能化、高效化、網(wǎng)絡(luò)化檢定。裝置更加微型化，易于攜帶，實(shí)現(xiàn)了信息的高效管理和無線通信。試用表明，系統(tǒng)界面靈活，易于維護(hù)，只需對用戶界面和數(shù)據(jù)庫稍加修改即可移植到其他檢定系統(tǒng)中，它運(yùn)行穩(wěn)定可靠、使用方便、組網(wǎng)和檢定靈活、抗干擾能力強(qiáng)、檢定效率高[2]，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]VIPIN M，MAGDA E Z．A bluetooth based sensor network for civil infrastrucure health monitoring．Wireless Networks，2004，10(7)：401-402．

[2]HEMJIT S，JINDONG T，YANG Q Y，et a1．Usiag blue-tooth and sensor networks for intelligent transportation systems．Proceedings，ITSC．Proceedings of the 7th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems，2004，767-772．

[3]KALIA，BANSAL M，SHOREY D．Data scheduling policies and SARforbluetooth MAC．IEEE 51st VTC．2000-Spring Tokyo，Japan：IEEE Press．2000l：716-720．

[4]錢志鴻，楊帆，周求湛．藍(lán)牙技術(shù)、原理開發(fā)與應(yīng)用．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006．

[5]金純，林金朝，萬寶紅．藍(lán)牙協(xié)議及其源代碼分析．北京：國防工業(yè)出版社，2006．

[6]叢延奇，劉詩箋，劉英莉．基于MCU實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙與PC機(jī)之間HCI層傳輸．電子技術(shù)應(yīng)用，2004，30(11)：43-44．

[7]鄧榮華，范贛軍．基于BlueCore2-External藍(lán)牙芯片的 USB接口的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)．現(xiàn)代電子技術(shù)，2005，28(6)：110-112．

[8]YAO J C，SCHMITZ R，WARREN S．A wearable point-of-care system for home use that incorporates plug-and-play and wireless standards．IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine，2005，9(3)：363-371．