基于藍牙4.0技術的液艙遙測系統設計

李衛強，董良雄，嚴聞奇，楊雨濱

（浙江海洋學院海運與港航建筑工程學院，浙江舟山 316000）

0 引言

在船舶機艙管理中，為了有效地解決對液艙的多方位監控，可通過手持的LCD數據顯示裝置，實時液艙內液位高度、溫度、液體密度、油艙表面燃氣密度等重要數據。在加油現場，值班人員既要在機艙外及時控制加油速度和油泵開關，又需要及時掌握油艙液位變化情況，但在目前的船舶設計中，都不可能在加油現場布置液位監測裝置，現在一般都是由多人分別對油艙液位監控監測和相應的加油操作控制，加油的準確性較大程度依賴人員之間的信息的傳遞與交流。因此，本設計從船舶液艙數據采集分析和傳送入手，通過借鑒其他藍牙產品和軟件開發的設計，將數據采集裝置、藍牙等硬件和手持移動設備結合在一起，開發了一套基于藍牙4.0傳輸數據的液艙數據實時采集和數據分析系統以輔助液艙監控設備的監控，可提高輪機管理人員對液艙艙的實時嚴控，最大限度地減少了機艙安全管理的盲區。

1 遙測系統整體結構設計

在供油現場進行加油操作時，要求無線傳輸設備必須具備高穩定性的特點。本設計以單片機和RF-BM-S01低功耗藍牙4.0模塊為主，包含前端數據采集、傳送部分以及末端的數據接受部分等裝置。數據采集系統一般應包括接收裝置，傳感器（以及調理電路），驅動電路三個主要的部分。傳感器的主要功能是液位參數或狀態，它將非電量的有關參數或狀態轉化成電信號，然后不失真地將有關信息提供給控制單元?？刂茊卧蓡纹瑱C、外圍接口電路等硬件組成，主要完成信息的采集、處理、傳輸和時序的控制。本設計的前端數據采集部分由位于現場的HV201數字型液位傳感器、A/D轉換器、單片機、串口通信等構成,傳送部分主要利用自帶微帶天線的藍牙4.0模塊進行數據的無線傳輸；末端通過藍牙4.0模塊、串口通信傳輸、手持LCD液晶顯示。小型移動設備可以根據指令來控制數據的獲取。在本系統中，可以采集液艙液位、溫度、及鍋爐液位等信號，在手持的液晶顯示器上顯示，具有良好的人機“對話界面”，還可以通過與上位機的通訊技術，實現在機艙集中監控臺上實現對系統的控制，提高液艙運行管理及故障處理能力。本系統的結構框架如圖所示。

2 遙測系統硬件設計

2.1 數字型液位傳感器

數據采集通常有兩種，一種是從數據源收集、識別和選取數據的過程。另一種是數字化、電子掃描系統的記錄過程以及內容和屬性的編碼過程。本設計采用HV201數字型液位傳感器。它是一種代碼型傳感器，電氣部分輸出的信號是數字代碼，每一個碼道的高低電平狀態（高電平代碼為“1”，低電平代碼為“0”）隨機械部分輸入量的變化而變化，HV201脈沖數字型液位傳感有四個碼道，每兩個碼道占用一個字節。而其機械部分是一種線性電阻和磁鐵組合成的一種傳感器，當液位發生變化時，套在磁體上的浮子會上下移動與磁體一起產生信號，它具有連續測量液位的特點，其機械部分的安裝形式如圖所示。

HV201脈沖數字型液位傳感器的電氣部分由信號鑒別、編碼整形、譯碼鎖存和 BCD碼輸出組成，根據液位不同高度而導致磁體與浮子的不同組合，HV201數字型液位傳感器輸出“0”到“9”十個BCD碼，其中A、B、C、D引腳分別于單片機的I/O口相連接。

2.2 發送與接收模塊的設計

本設計采用UART方式在藍牙設備和移動設備之間傳輸數據。UART具有通信可靠的特點，這對于復雜的機艙環境是非常重要的；由于采用TI的CC2540作為核心處理器，使得RF-BM-S01藍牙模塊具有低功耗的的特點，2 MHz 間隙能更好地防止相鄰頻道的干擾，寬輸出功率調節(-23 dBm～4 dBm)，-93 dBm高增益接收靈敏度。鑒于機艙環境惡劣及 BLE特性特點，RF-BM-S01藍牙模塊首當其選。同時相對 WIFI，Bluetooth 2.0 等無線技術，有著能耗低，連接迅速，通訊距離更遠等優勢。

圖2 HV201液位傳感器機械部分

RF-BM-S01低功耗藍牙模塊的引腳如圖3，本設計第1引腳即BRTS引腳（作為數據發送請求用來喚醒模塊），低電平時：主機有數據發送，模塊將等待接收來自主機的數據,此時模塊不睡眠；高電平時：主機無數據發送，或主機數據發送完畢之后）接單片機的中斷INT0（中斷），3引腳即藍牙的TX（發送）接單片機的RX，4引腳即藍牙模塊的RX（接收）接單片機的TX，5引腳接地，6引腳接3.3 V電源。

圖3 RF-BM-S01藍牙模塊引腳圖

3 測控軟件設計

主機與藍牙模塊用指令--應答方式進行通信，當油艙液位發生變化時，傳感器會感受到這種變化，并將物理信號轉化為微弱的電信號并發送給單片機主控器，且當小型移動設備向藍牙發送指令要求通信后，建立連接接收數據，否則等待；主機控制器執行某一指令后，大多數情況下會返回給主機一個指令完成事件分組，該分組攜帶有指令完成的信息。單片機和藍牙模塊間通信的過程是通過鍵入HCI指令，觀察收到的HCI事件。當兩個藍牙模塊建立鏈路成功后，就可以按照藍牙規范規定的HCI數據包格式收發數據，其結構流程如圖所示。

本設計的軟件主要包括兩部分：信號采集和藍牙通信，采用Keil C51設計軟件，它是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發系統，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。Keil則為其提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境（uVision）將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統，發送部分藍牙4.0模塊部分程序如下：

圖4 結構流程圖

此外在軟件方面還進行了去抖動和可靠性設計，它應用方便，不需要增加成本，是經常使用的一種可靠性設計的方法。設計采用常用的狀態檢測的方式控制外部 I/O口的輸出和看門狗技術。

1)狀態檢測的方式控制外部I/O口的輸出：在 HV201液位傳感器采集到液位變化的信號后發送至下位機，而下位機并不立即執行與藍牙4.0的串口通信，而是繼續執行接收HV201液位傳感器的信號，在執行了已設次數的接收信號后，確保液艙液位是真正的升高或是下降，則下位機執行與藍牙4.0的串行通信，由于下位機掃描時間只有幾百毫秒，所以執行的效率非常高。這樣，便可去除因船舶在航行時晃動而導致的液艙液位的不穩定和偶然因素。

2)看門狗技術：通過計數器對下位機主控器的運行進行監督，若下位機系統運行正常，則通過程序指令定時對計數器清零；若下位機系統運行出現故障，則計數器會溢出，而一旦溢出，則下位機必須重新執行，并且不會改變內部的RAM，直到下位機運行正常。

4 系統安全性能設計

為提高裝置的可靠性，就必須對來自裝置本身故障進行有效的識別，本裝置要求具備自檢及傳感器斷線、短路等在線診斷功能。

傳感器輸入通道不正常時，采集點的電壓可能會出現0 V～5 V之間的某個值，而數據采集部分自檢結果會顯示正常。針對這種情況采用了傳感器短路斷路自檢，當執行自檢時。

鑒于船舶在加油時存在一定的搖晃，可能會降低液位測量的準確度。經過試驗，由下位機內部的組成系統所產生的內部干擾，主要是由于HV201液位傳感器電氣部分輸出線之間的串擾、數字信號與模擬信號及交流地的影響、相鄰 I/O口的耦合等因素造成的，針對這些干擾，可通過硬件設計予以消除：采用0.1μF的瓷片電容或獨石電容，這些電容對類似“毛刺”的干擾信號特別有效；印刷線路板的設計要防干擾，PCB板的大小要合適，又要考慮經濟型，盡量把同一性質的電氣元件放置在一個模塊；采用更加可靠地電子元件，由于本設計的電路工作頻率不高，可采用CMOS電路，它比TTL電路有更強的抗干擾能力。

5 結論

本設計選取HV201數字型液位傳感器并解釋其工作原理，說明了在液位遙測的基礎上，監測船舶燃油艙液位的變化是可行的。將藍牙4.0模塊用于液艙液位的實時監測并與手持移動LCD設備監測系統的完美配合可提供更好的便攜性及操控性，提高了船舶自動化程度，極大限度地減少了管理的盲區。可進行各艙內液體的液位、液體溫度等的監測和顯示，有效改善船員的工作環境。具有結構簡單、使用方便、性能可靠等優點，適合各類船舶。試驗也證明，該系統具有良好的數據傳輸精度和響應特性，將該系統運用到油輪以及貨艙等安全要求較高的船舶上，能預防火災的發生甚至等安全事故，具有一定的現實意義。

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