章新川，白 鵬，李驥陽，李 波

(1.陜西省水利廳，陜西 西安 710004；2.空軍工程大學(xué)，陜西 西安 710051；3.西安交通大學(xué)，陜西 西安 710049)

0 引 言

科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及信息時代的到來，對信息的感知、傳輸及信息匯聚提出了更高的要求，高時效性和高可靠性是傳感網(wǎng)絡(luò)短距離通信亟待解決的需求。傳感網(wǎng)絡(luò)[1-3](wireless sensor network，WSN)主要由在空間上分布使用的傳感器組成，配以網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，完成壓力、溫度、聲音、振動、運動等物理量的感知、信息的采集和傳輸，應(yīng)用于環(huán)境與生態(tài)監(jiān)測、健康監(jiān)護、家庭自動化，以及交通控制等領(lǐng)域，實現(xiàn)信息的快速布控、信息的實時獲取、傳輸及信息匯聚，提高行業(yè)或應(yīng)用領(lǐng)域的信息感知能力，滿足對信息獲取和傳輸?shù)男枨骩4-6]，在監(jiān)控、目標定位、設(shè)備狀態(tài)、效果評估等應(yīng)用方面發(fā)揮了巨大的作用。

傳感器是傳感網(wǎng)絡(luò)的基本組成部件，傳感器獲取后的信息傳輸至傳感網(wǎng)絡(luò)[7-8]，完成信息的傳輸功能。目前常用的傳輸方式為數(shù)傳電臺、GPRS、衛(wèi)星、ZigBee、Wi-Fi及藍牙等技術(shù)。如何將傳感器獲取的信息快速、方便地匯聚到傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是目前的熱點研究問題。

藍牙技術(shù)1994年由愛立信公司推出，可實現(xiàn)固定設(shè)備、移動設(shè)備和個人局域網(wǎng)之間短距離的數(shù)據(jù)交換[9-10]。藍牙使用2.4 GHz頻段，傳輸有效范圍為10 cm～10 m，如果增強信號發(fā)射功率，則傳輸范圍可達100 m。藍牙是較為成熟的短距離無線通信技術(shù)，可在傳感器與傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間通信，使信息傳輸更為有效[11-12]，是比較成熟的短距離通信技術(shù)[13-14]，研究內(nèi)容偏重于領(lǐng)域應(yīng)用[15-17]。

壓力式水位計基于所測水位靜壓與其高度成比例的原理，采用擴散硅敏感元件或陶瓷電容壓力敏感元件，將靜壓轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過溫度補償和線性修正，轉(zhuǎn)化成4～20 mA或0～5 V的標準電信號。實際應(yīng)用中，壓力式水位計與傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間為有線電纜連接，由于復(fù)雜的安裝環(huán)境，無法進行信息的短距離、快速采集與傳輸，需要新的技術(shù)適應(yīng)實際需求。

文中基于藍牙技術(shù)，利用智能手機作為傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，以壓力型水位計為例，進行信息的實時采集、傳輸及匯聚，實際應(yīng)用效果良好，解決了短距離傳感器信息藍牙匯聚問題。

1 傳感器藍牙接口手機信息匯聚總體框架

藍牙技術(shù)支持傳感器與手機間的短距離通信，傳感器的信息能方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗地進行數(shù)據(jù)通信，能夠有效簡化傳感器與手機終端之間的通信，從而使數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為短距離通信的無線替代有線通信探索新的路徑。

1.1 基本原理

傳感器藍牙接口手機信息匯聚的思路是將具有藍牙接口傳感器的信息，通過藍牙技術(shù)，短距離傳輸?shù)街悄苁謾C，手機可作為傳感網(wǎng)絡(luò)傳感信息的匯聚節(jié)點，完成信息的實時采集與傳輸，手機也可發(fā)送控制指令，對具有藍牙接口的傳感器進行控制，實現(xiàn)雙向信息傳輸。

完整的系統(tǒng)由具有藍牙接口的傳感器、智能手機及網(wǎng)絡(luò)組成，手機作為網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點。智能手機中運行的軟件包含2部分內(nèi)容，分別是傳感器藍牙數(shù)據(jù)接口部分及數(shù)據(jù)接收、顯示系統(tǒng)，是所研究的重點內(nèi)容。系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。

圖1 基本原理示意

藍牙傳感器：完成壓力、溫度、聲音、振動、運動等物理量的感知、采集，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為藍牙傳輸協(xié)議的格式，為傳輸做好準備。

智能手機：將手機作為傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，通過傳感器藍牙數(shù)據(jù)接口部分，手機接收數(shù)據(jù)或信息完成數(shù)據(jù)接收、顯示功能，同時也可轉(zhuǎn)發(fā)到網(wǎng)絡(luò)或?qū)I(yè)人士處。

網(wǎng)絡(luò)傳輸：網(wǎng)絡(luò)為常用的手機網(wǎng)絡(luò)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)滿足手機網(wǎng)絡(luò)傳輸要求。

專業(yè)人士：可在現(xiàn)場或后臺對數(shù)據(jù)進行判斷或數(shù)據(jù)應(yīng)用。

1.2 總體框架

基于MVC(model view controller)架構(gòu)模式的思想，對總體框架進行設(shè)計，便于簡化開發(fā)。所設(shè)計的總體框架包括傳感器藍牙數(shù)據(jù)接口、圖形菜單界面、算法封裝模塊、消息響應(yīng)模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架

圖中的傳感器藍牙數(shù)據(jù)接口完成傳感器數(shù)據(jù)的藍牙傳輸接入，為文中重點討論的問題；圖形菜單界面完成手機運行軟件界面的功能；算法封裝模塊將常用的畫點、線、曲線算法進行封裝；消息響應(yīng)模塊完成操作及時間控制。

對應(yīng)于上述的總體框架，主要的類說明如表1所示。

2 傳感器藍牙接口手機信息匯聚實現(xiàn)

設(shè)計手機藍牙接口程序與軟件開放式構(gòu)架并編程實現(xiàn)，對手機接收的數(shù)據(jù)進行測試和分析。該部分同時也可將其他具有藍牙接口的水位傳感器所涉及的通信協(xié)議，統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為通用的藍牙通信協(xié)議，完成基于藍牙協(xié)議不同數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。

表1 總體框架的類說明

2.1 傳感器藍牙數(shù)據(jù)接口

所涉及的傳感器為具有藍牙接口協(xié)議的某型號壓力型水位計，應(yīng)用藍牙技術(shù)，自動檢測連接并傳輸傳感器的數(shù)據(jù)；手機接收數(shù)據(jù)，通過圖形菜單界面顯示。

(1)傳感器藍牙接口與手機的藍牙通信程序流程。

表2 傳感器藍牙接口參數(shù)設(shè)置

傳感器藍牙接口與手機藍牙通信程序流程如圖3所示。

圖3 傳感器藍牙接口與手機的藍牙通信程序流程

首先進行系統(tǒng)初始化，主要包括接口參數(shù)設(shè)置、藍牙命令、事件緩沖區(qū)初始化等。藍牙設(shè)備在第一次通信前需要進行初始化操作，主要包括復(fù)位、讀取并記錄本地藍牙地址、設(shè)置查詢響應(yīng)時間參數(shù)等。

初始化完成后，手機發(fā)出查詢廣播包，在通信距離內(nèi)的藍牙傳感器對查詢廣播包進行應(yīng)答，手機獲得傳感器的藍牙地址等信息；手機根據(jù)傳感器藍牙地址發(fā)出建立連接請求，傳感器藍牙接口同意后建立藍牙通信連接，獲得連接句柄，根據(jù)建立的連接句柄進行數(shù)據(jù)傳輸。

(2)相關(guān)指令設(shè)置(以具有藍牙接口的某型號壓力水位計為例)。

開始命令。用程序發(fā)送命令(16進制)：55 AA 03 F9 03 FF。

停止命令。用程序發(fā)送命令(16進制)：55 AA 03 F9 04 00。

通過建立的連接，進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式如表3所示。

表3 藍牙數(shù)據(jù)傳輸格式(默認9 600波特率)

表3中，數(shù)據(jù)1至數(shù)據(jù)5的解析描述如表4所示。

隨著國網(wǎng)供電公司對于智能化電網(wǎng)工作的不斷推進以及新型電力營銷方法的普及，對電網(wǎng)智能化和精細化管理要求越來越高。為滿足國網(wǎng)供電公司營配業(yè)務(wù)的高效運行，滿足配電網(wǎng)維修、搶修效率的要求，實現(xiàn)以“標準規(guī)范先行、數(shù)據(jù)治理和應(yīng)用融合并重、應(yīng)用建設(shè)促功能實用化”的工作思路，重點推進營配業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的整理、錄入、核實以及信息化采集系統(tǒng)適用性改造等工作，清理原始數(shù)據(jù)，規(guī)范新增數(shù)據(jù)；同時也為提高居民低壓集抄系統(tǒng)建設(shè)小區(qū)的臺區(qū)線損率計算準確性，研發(fā)和推廣適應(yīng)新形勢下電網(wǎng)建設(shè)和電網(wǎng)精細化管理的新一代全數(shù)字化、多功能、智能化臺區(qū)識別儀，可以滿足電網(wǎng)建設(shè)和管理需要，為實現(xiàn)臺區(qū)精細化管理提供真實準確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[2]。

表4 對應(yīng)的數(shù)據(jù)解析描述

其中，水溫用來進行壓力的溫度補償；電壓值用來表征設(shè)備供電情況；平安報是例行的數(shù)據(jù)傳輸；同步位是用來校驗數(shù)據(jù)的有效性。例如，連續(xù)檢測到5個字節(jié)的最高位為10 000，說明是有效數(shù)據(jù)，壓力數(shù)據(jù)的最高位在數(shù)據(jù)3的bit6位；如果數(shù)據(jù)有丟包，檢測到的連續(xù)5個字節(jié)最高位不是10 000，此數(shù)據(jù)忽略，再搜索有效數(shù)據(jù)并進行解析。

2.2 軟件開放式構(gòu)架實現(xiàn)

由于Java語言本身具有可移植的特點，文中的軟件是基于Java語言進行開發(fā)，使得軟件具有可移植性，適合于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和軟件的移植，軟件可安裝在智能手機的操作系統(tǒng)上。

傳感器型號不同，相應(yīng)的藍牙接口解析方法也不同。因此，為自由、多樣化的數(shù)據(jù)傳輸，在軟件中專門設(shè)置數(shù)據(jù)接口協(xié)議轉(zhuǎn)換部分，完成傳感器藍牙接口數(shù)據(jù)協(xié)議、接入方式、數(shù)據(jù)連接等功能。同時，軟件部分還具有數(shù)據(jù)接口協(xié)議判斷識別、病態(tài)數(shù)據(jù)識別、數(shù)據(jù)預(yù)處理、顯示、轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

通過上述內(nèi)容的具體研究、設(shè)計與實現(xiàn)，將具體的傳感器藍牙特性和參數(shù)等實例化，研究軟件開放式構(gòu)架的設(shè)計與實現(xiàn)，提出軟件開放式構(gòu)架的構(gòu)建方法、構(gòu)建流程、軟硬件之間的數(shù)據(jù)協(xié)議等內(nèi)容。

軟件開放式構(gòu)架實現(xiàn)時，所設(shè)計的主要功能如表5所示。

表5 軟件開放式構(gòu)架主要功能描述

3 應(yīng)用實驗

以具有藍牙接口的某型號壓力水位計為例，對所研究內(nèi)容進行驗證。手機為安卓8.0操作系統(tǒng)的普通國產(chǎn)手機；使用Java語言，輔助以XML語言，開發(fā)Android應(yīng)用；完成接口功能選擇、參數(shù)設(shè)定、傳感器數(shù)據(jù)獲取與顯示功能。

3.1 手機圖形菜單界面

編寫、調(diào)試程序，經(jīng)測試并完善后的手機圖形菜單界面截圖及連接壓力水位計后的實際運行界面截圖如圖4所示。

圖4 手機圖形菜單及實際運行界面截圖

3.2 測試結(jié)果分析

壓力型水位傳感器輸出的值為標準的電壓(0～5 VDC)或電流(0～20 mA)，經(jīng)過轉(zhuǎn)換和溫度補償后變成水位測量數(shù)據(jù)，再經(jīng)過編碼及AD轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，通過藍牙接口進行輸出，手機端對藍牙數(shù)據(jù)進行接收。

將手機端軟件接收的電壓數(shù)值與傳感器輸出的電壓值進行比較，對相對誤差進行分析，如表6所示。

表6 手機端軟件誤差

測試結(jié)果表明，手機端軟件的顯示值，在一定的誤差范圍內(nèi)，符合預(yù)期設(shè)定值。

4 結(jié)束語

藍牙技術(shù)作為短距離通信的新手段，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到傳感器、自動控制、通信等領(lǐng)域。文中將藍牙技術(shù)與手機相結(jié)合，將手機作為傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，完成信息匯聚功能，對傳感器藍牙數(shù)據(jù)接口、軟件開放式構(gòu)架實現(xiàn)方法進行了研究。實驗結(jié)果表明，基于藍牙技術(shù)的手機信息匯聚方法較好地滿足傳感器信息快速、方便匯聚到傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的短距通信需求，可推廣到河道、水庫及地下水水位監(jiān)測等與水利相關(guān)的其他領(lǐng)域，具有潛在的應(yīng)用價值和推廣性。實際應(yīng)用中，如何根據(jù)不同的實際應(yīng)用對象，構(gòu)建不同的基于藍牙技術(shù)的手機信息匯聚框架，將是今后重點考慮的問題。