何誠剛

（西安交通大學(xué)城市學(xué)院電氣與信息工程系，陜西西安710018）

藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟于2010年7月7日正式推出藍(lán)牙4.0規(guī)范（稱為BluetoothSmart）。它包括高速藍(lán)牙、藍(lán)牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）和經(jīng)典藍(lán)牙協(xié)議。高速藍(lán)牙基于Wi-Fi，經(jīng)典藍(lán)牙則包括舊有藍(lán)牙協(xié)議。藍(lán)牙低功耗是藍(lán)牙4.0版本的一個(gè)子集，它有著全新的協(xié)議棧，可快速建立簡單的藍(lán)牙連接。藍(lán)牙4.0主要面向功耗需求極低、傳輸數(shù)據(jù)量小、使用紐扣電池供電的應(yīng)用。藍(lán)牙4.0芯片設(shè)計(jì)有兩種模式：雙模和單模。雙模情況下，Bluetooth Smart功能整合入既有的經(jīng)典藍(lán)牙控制器，雙模架構(gòu)芯片共享所有經(jīng)典藍(lán)牙既有的射頻和功能。單模情況下，只能執(zhí)行低功耗的協(xié)議棧，單模芯片的成本降低，擁有成本極低的高級節(jié)能和安全加密連接，它具有輕量級的鏈路層和簡易的設(shè)備發(fā)現(xiàn)協(xié)議，可提供低功耗待機(jī)模式操作以及可靠地點(diǎn)對多數(shù)據(jù)傳輸。2011年10月藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟為藍(lán)牙4.0推出新的商標(biāo)，即用于主設(shè)備的“Bluetooth Smart Ready”和用于傳感器的“Bluetooth Smart”。

1 BL620-SA低功耗藍(lán)牙模塊

BL620-SA是美國萊爾德公司生產(chǎn)的單模低功耗藍(lán)牙模塊，支持藍(lán)牙4.0BLE協(xié)議棧，可廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療電子、物品定位、智能家居等領(lǐng)域，支持安卓及蘋果IOS操作系統(tǒng)，方便使用手機(jī)、平板電腦采集數(shù)據(jù)，BL620-SA內(nèi)部集成nRFS1822ARM處理器，擁有16K的數(shù)據(jù)存儲器以及256 K的非易失程序存儲器，提供28個(gè)雙向GPIO引腳，提供SPI、I2C、UART接口以及6路精度為10 bit的A/D轉(zhuǎn)換通道，方便連接外圍器件，BL620-SA在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)僅消耗10 mA的電流，在待機(jī)狀態(tài)僅消耗5 μA的電流，而在休眠狀態(tài)僅消耗0.4 μA的電流，在開闊場地的傳輸距離可達(dá)20米。BL620-SA使用BASIC語言編程，利用萊爾德公司提供的免費(fèi)BASIC語言編譯和編程工具UWTerminal可以方便地進(jìn)行軟件調(diào)試和下載并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速上市，圖1為BL620-SA內(nèi)部架構(gòu)圖。

圖1 BL620-SA內(nèi)部架構(gòu)圖

2 藍(lán)牙低功耗溫度計(jì)的設(shè)計(jì)

由BL620-SA構(gòu)成的低功耗藍(lán)牙溫度計(jì)的電路圖如圖2所示，溫度數(shù)據(jù)的采集由BL620-SA的A/D轉(zhuǎn)換通道以及TDK公司生產(chǎn)的NTC熱敏電阻S891完成，NTC（Negative Temperature Coefficient）是指隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小、具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻。系統(tǒng)的電源電壓由xxx型號的紐扣電池供電，BL620-SA的GPIO引腳的輸出電壓與系統(tǒng)電源電壓一致，但當(dāng)系統(tǒng)工作于低功耗待機(jī)狀態(tài)或休眠狀態(tài)時(shí)，GPIO引腳消耗的電流僅分別為5 μA及0.4 μA，GPIO接口輸出的電壓提供給由精密電阻R1與熱敏電阻RT1組成的分壓電路，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，熱敏電阻阻值改變，分壓電路輸出的電壓值改變，分壓電路輸出的電壓值送入BL620-SA的第一路A/D轉(zhuǎn)換通道，同時(shí)，電源的電壓值也經(jīng)GPIO接口采樣后直接送入BL620-SA的第二路A/D轉(zhuǎn)換通道，插座J1用于PC機(jī)經(jīng)串口對BL620-SA進(jìn)行編程，跳線插座J2用于設(shè)置BL620-SA的在線編程，短接時(shí)系統(tǒng)工作于調(diào)試方式，此時(shí)LED閃爍，允許外部設(shè)備通過UART接口在線編程，正常工作狀態(tài)下不使用跳線，LED只在上電時(shí)閃爍，跳線插座J3用于設(shè)置BL620-SA的工作模式，插座引腳1、2短接時(shí)，系統(tǒng)工作于Autorun模式，此時(shí)系統(tǒng)上電或復(fù)位后自動運(yùn)行用戶應(yīng)用程序，當(dāng)需要擦除BL620-SA的內(nèi)部程序，并重新對BL620-SA編程時(shí)，可將J3插座引腳2、3短接，此時(shí)系統(tǒng)工作于Command模式。兩路A/D轉(zhuǎn)換通道采集到的模擬電壓值經(jīng)量化后經(jīng)藍(lán)牙模塊發(fā)送給手機(jī)或平板電腦，由手機(jī)或平板電腦依據(jù)一定的算法計(jì)算出實(shí)時(shí)環(huán)境溫度值并顯示在屏幕上。

熱敏電阻RT1與電阻R5組成的分壓電路中，可以計(jì)算出某一環(huán)境溫度下熱敏電阻兩端的電壓值與熱敏電阻之間的關(guān)系為：

因此，如果知道熱敏電阻阻值與環(huán)境溫度的關(guān)系就可以計(jì)算出當(dāng)前環(huán)境溫度。

NTC熱敏電阻阻值與環(huán)境溫度的關(guān)系式為：

式中RT是環(huán)境溫度為T℃時(shí)的熱敏電阻阻值，RTx為最接近溫度T℃的某一標(biāo)準(zhǔn)溫度Tx℃的熱敏電阻阻值（Tx＜T），αx為熱敏電阻在溫度Tx℃時(shí)的溫度系數(shù)，其中RTx、αx可由該熱敏電阻的電阻-溫度特性表查表計(jì)算獲得，由式（2）可知NTC熱敏電阻阻值與環(huán)境溫度成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，根據(jù)式（2），進(jìn)一步可以求出：

為了更容易根據(jù)熱敏電阻阻值求解出環(huán)境溫度，熱敏電阻生產(chǎn)商會依據(jù)每種熱敏電阻的電阻-溫度特性給出不同種類熱敏電阻阻值與環(huán)境溫度的對應(yīng)關(guān)系表，通過查表的方式可以方便地計(jì)算出環(huán)境溫度。例如；某一熱敏電阻的阻值-溫度關(guān)系表如表1。

表1 某熱敏電阻的阻值-溫度關(guān)系表（部分）

圖2 低功耗藍(lán)牙溫度計(jì)原理圖

表中RT/R25為溫度為T℃時(shí)的熱敏電阻阻值與溫度為25℃時(shí)的熱敏電阻阻值的比值，溫度為25℃時(shí)的阻值稱為熱敏電阻的額定零功率電阻值，這個(gè)電阻值就是NTC熱敏電阻的標(biāo)稱電阻值。根據(jù)上表，某一溫度T℃的熱敏電阻阻值可通過下式計(jì)算：

假設(shè)圖2中從BL620-SA的第一路A/D轉(zhuǎn)換通道采集到的分壓電壓值為0.397 V，根據(jù)式（1）就可計(jì)算出此時(shí)熱敏電阻的阻值為1.5252kΩ，若已知25℃時(shí)熱敏電阻阻值為10kΩ，查表可知當(dāng)環(huán)境溫度為80℃時(shí)熱敏電阻阻值為

而當(dāng)環(huán)境溫度為85℃時(shí)熱敏電阻阻值為

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知R80＜RT＜R85

3 藍(lán)牙低功耗溫度計(jì)的軟件設(shè)計(jì)

低功耗藍(lán)牙溫度計(jì)的軟件設(shè)計(jì)包括BL620-SA以及終端側(cè)兩部分的軟件設(shè)計(jì)，BL620-SA的軟件開發(fā)基于BASIC語言，軟件主要完成系統(tǒng)的初始化，藍(lán)牙通信的建立以及A/D轉(zhuǎn)換通道數(shù)據(jù)的讀取與發(fā)送，BL620-SA內(nèi)置標(biāo)準(zhǔn)的低功耗藍(lán)牙4.0協(xié)議棧，萊爾德公司提供了編程所需要的藍(lán)牙通信函數(shù)，編程時(shí)只需調(diào)用即可，大大縮短了產(chǎn)品上市時(shí)間。

圖3為低功耗藍(lán)牙溫度計(jì)的BL620-SA的軟件流程圖。BL620-SA在終端側(cè)支持蘋果IOS系統(tǒng)以及安卓系統(tǒng)編程，終端側(cè)的軟件主要完成藍(lán)牙數(shù)據(jù)的接收，環(huán)境溫度的計(jì)算等工作，為此編程時(shí)需要將熱敏電阻阻值與環(huán)境溫度的對應(yīng)關(guān)系表內(nèi)置于終端程序內(nèi)，方便終端計(jì)算環(huán)境溫度值，用戶界面可顯示當(dāng)前環(huán)境溫度以及電池電量使用情況等參數(shù)，圖4為安卓系統(tǒng)用戶界面截圖。

4 結(jié)論

藍(lán)牙4.0專為極低電池量的裝置而設(shè)計(jì)，僅通過普通紐扣電池供電便可確保長達(dá)一年的正常使用，因此在包括醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)控制、無線外設(shè)、遠(yuǎn)程遙控等領(lǐng)域都得到了廣泛得應(yīng)用。由BL620-SA構(gòu)成的低功耗藍(lán)牙溫度計(jì)具有價(jià)格低、測溫范圍寬（-55℃～155℃）、功耗低、無線傳輸、用戶界面友好等特點(diǎn)，可支持蘋果IOS和安卓系統(tǒng)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、戶外運(yùn)動、智能家居等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。

圖3 BLA620-SA軟件流程圖

圖4 藍(lán)牙溫度計(jì)安卓系統(tǒng)終端應(yīng)用截圖

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