基于藍牙技術的儀表無線搜尋系統的設計

韓國強，李德剛，張濟航

(中海油山東化學工程有限責任公司，濟南 250001)

?

基于藍牙技術的儀表無線搜尋系統的設計

韓國強，李德剛，張濟航

(中海油山東化學工程有限責任公司，濟南 250001)

稿件收到日期： 2015-04-07，修改稿收到日期： 2015-07-04。

在石油石化生產過程中，傳統的儀表檢修工作需要工作人員憑經驗找到分布在各個位置的儀表，但一些化工生產過程極其復雜，需要大量的儀表安裝在化工設備的各個角落對生產過程進行監測，這給人工檢修儀器儀表帶來了很大困難，稍有疏忽就容易出現遺漏的情況，為安全生產埋下隱患[1-2]。

為解決上述問題，筆者設計了一種儀表無線搜尋系統，充分利用藍牙通信數據傳輸，迅速高效且具有低功耗、低成本、高可靠性的特點[3]。該系統包括硬件電路和軟件設計兩部分，主控核心C8051F930單片機與外圍電路共同構成搜尋裝置綁定在儀表上，利用在防爆手機中安裝的自主設計開發的應用程序(APP)，通過藍牙通信驅動指定搜尋裝置中的蜂鳴器發聲或LED燈閃爍發光，提醒工作人員該儀表所處的位置[4-5]，能夠有效避免檢查過程中出現遺漏，保證化工生產的安全運行。

1系統的硬件設計

該系統需要開發的硬件為綁定在儀表上的搜尋裝置。該裝置主要實現藍牙連接、數據傳輸、電量監控、聲光報警等功能。由于搜尋裝置綁定在被尋找的儀表上，不方便安裝電源供電，因而必須采用電池進行供電。該系統的硬件應包括主控芯片、藍牙模塊、聲音報警電路、燈光報警電路和電源等。

1．1主控芯片

C8051F系列單片機是Silicon Labs公司生產的低功耗混合信號片上系統型微控制單元(MCU)，可以精簡指令集結構，大多數指令可以在1個時鐘周期內完成。該系統采用C8051F930單片機，帶有2個UART串口、4352 Byte的內部數據存儲器和64K Byte/s的FLASH程序存儲器。該單片機內置20MHz低功耗振蕩器，僅需很小偏置電流；典型休眠電流小于50nA，休眠喚醒時間小于2μs，較MSP430系列單片機功耗更低。該單片機的供電電壓為0．9～3．6V，可以使用單節或雙節電池供電，具有4個16位通用計數器/定時器，可以方便地輸出不同頻率的控制信號，具有24個通用I/O口，可以方便地設置為串行通信接口和控制指令輸出接口。

1．2藍牙模塊

該系統利用“藍牙”技術，能夠有效地簡化移動通信終端設備之間的通信，也能夠簡化設備與因特網之間的通信，從而使數據傳輸變得更加迅速高效。藍牙采用分散式網絡結構以及快跳頻和短包技術，支持“點對點”及“點對多點”通信，工作頻段為全球通用的2．4 GHz ISM。其數據速率為1Mbit/s。采用“時分雙工”傳輸方案實現全雙工傳輸。藍牙通信在有效范圍內可越過障礙物進行連接，沒有特別的通信視角和方向要求，且具備一定的抗電磁干擾能力，基本滿足工業現場的需要。

在該系統中，為了簡化系統設計，選擇現成的藍牙模塊實現數據的無線通信。該模塊集成了含有通信協議的藍牙控制芯片、外部電路、天線等部件。引出接口包括VCC，GND，TXD，RXD，預留狀態輸出腳，單片機可通過該腳狀態判斷藍牙是否已經連接。VCC的輸入電壓為3～7V，可以與單片機共用同一個電源。在使用過程中可以通過串行通信引腳直接與單片機的串行通信接口相連，實現模塊與控制芯片的連接。

1．3燈光報警

為了實現在安靜的環境中無擾搜尋，需要通過燈光閃爍的方式指示被搜尋的儀表，在搜尋模塊中采用LED燈閃爍實現燈光報警。由于該單片機在直接驅動LED燈的情況下受驅動能力限制造成亮度不夠，故采用以下電路實現LED燈的連接，如圖1所示。

圖1　燈光報警電路示意

該連接方式通過單片機I/O口的“灌電流”點亮LED。由于LED點亮的電流一般需要5～20mA，當采用該單片機直接驅動LED時由于其帶負載能力較弱，亮度不能滿足要求，強行連接容易燒壞I/O口。但該單片機“灌電流”最多支持100mA，在電源電壓3V的情況下，電路中串聯330Ω的電阻即可將LED有效點亮，并且相對于“拉電流”接法能夠降低功耗。當P1．0口輸出低電平時LED被點亮，輸出高電平時LED熄滅，采用定時器可以控制P1．0口輸出固定頻率的高低電平信號，從而使LED規律性閃爍報警，以指示所搜尋儀表的具體方位[7]。

1．4聲音報警

為了解決所搜尋儀表被遮掩、燈光報警失效情況下儀表的有效搜尋問題，該裝置采用蜂鳴器實現聲音報警以指示被搜尋儀表的方位。蜂鳴器分為有源蜂鳴器與無源蜂鳴器。這里的“源”不是指電源，而是指震蕩源，有源蜂鳴器內部帶震蕩源，只要一通電就會發聲，而無源蜂鳴器內部不帶震蕩源，僅用直流信號無法令其鳴叫，必須用2～5kHz的方波去驅動它。為了實現對蜂鳴器報警頻率的操控，在該系統中選用無源蜂鳴器，采用單片機產生PWM方波實現對蜂鳴器聲音頻率的控制。聲音報警電路如圖2所示。

圖2　聲音報警電路示意

蜂鳴器可選用3V電壓驅動的無源蜂鳴器，將其正端與電源直接相連，負端連接NPN型三極管。由于單片機I/O口的帶負載能力不足，無法將其作為蜂鳴器的電源輸入，故需要在電路中串接三極管以提高帶負載能力。控制電路采用P2．0口輸出的PWM方波，并串聯1kΩ的電阻連接到三極管的基極。當P2．0口輸出高電平時，三級管導通，蜂鳴器中通過電流；當P2．0口輸出低電平時，三極管截止，蜂鳴器中無電流。當P2．0口輸出2～5kHz的方波時，可以激勵蜂鳴器鳴叫，從而產生不同頻率的聲音報警信號[8]。

1．5電源

為盡可能縮減系統的體積，搜尋裝置采用紐扣電池供電。該裝置中采用CR2032鋰二氧化錳電池進行供電，其供電電壓為3V，容量為200～230mA，可以不經過轉換直接對單片機和藍牙模塊進行供電。為了避免電池電量不足造成無法搜尋的問題，在該單片機中實時監測電源電壓，當電壓值低于正常工作水平時產生聲光報警或通知手機APP報警。

2系統的軟件設計

系統的軟件設計包括兩部分，分別為手機APP設計和搜尋裝置控制程序設計。

2．1手機APP設計

手機APP設計主要包括藍牙連接和搜尋指令發送等功能，其流程如圖3所示。

圖3　手機APP流程示意

當打開手機APP時首先對APP進行初始化，之后打開藍牙，面對顯示不同藍牙名稱的搜尋裝置，通過手機觸動所需要搜尋的儀表建立鏈接，并可以選擇燈光報警和聲音報警兩種報警方式，設定燈光閃爍頻率和聲音頻率，再將報警指令通過藍牙方式發送到搜尋裝置中，控制搜尋裝置進行聲光報警，從而實現儀表的尋找。

2．2搜尋裝置控制程序設計

由于藍牙模塊可以自動實現與手機的鏈接，并且在測試初期可以通過相應指令更改藍牙鏈接的名稱，故不再贅述。只需要針對該單片機的控制程序進行設計，具體內容應包括與藍牙模塊的通信、燈光和聲音報警指令、電源的監測程序等，搜尋裝置控制程序流程如圖4所示。

圖4　聲光報警程序流程示意

3系統性能測試

系統性能測試分為傳輸性能測試和功耗測試兩方面。

3．1傳輸性能測試

傳輸性能測試主要測試手機與搜尋裝置通過藍牙通信的可靠性，化工生產現場往往有很多設備，在可能存在阻擋的情況下，該系統能否準確實現預期功能至關重要。測試對象為5只綁定有搜尋裝置的儀表，測試距離10m，發送報警請求次數均500次，正確響應次數均500次，成功率100%,驗證了該系統通過藍牙模塊進行通信的可靠性。

3．2系統功耗測試

搜尋裝置采用2節5號電池供電，供電電壓3V。裝置每與手機通信一次工作50ms，工作電流約為30mA，無通信時電流約為1μA。采用2節容量為200mAh的5號電池理論工作時間在13個月左右，經實際測量，搜尋裝置正常工作時間均超過6個月，滿足低功耗要求。

4總結與展望

該系統采用C8051F930單片機作為主控芯片實現儀表搜尋裝置的設計，并完成了手機APP與搜尋裝置控制軟件的設計和開發，手機通過藍牙模塊與綁定在儀表上的搜尋裝置進行通信，驅動指定裝置進行無擾的發光報警或在有遮擋的情況下進行聲音報警，有效幫助工作人員快速地鎖定儀表所在位置并開展檢修工作，大幅提高了工作效率并避免了安全隱患的發生。

理論分析與性能測試結果表明，該系統具有功耗低、可靠性強、使用壽命長、操作簡便等特點，能夠廣泛應用于化工生產過程中對儀器儀表的檢修工作。同時，該系統亦可根據實際應用情況做進一步的改進與完善，主要包括以下方面：

1) 該系統可采用隔爆型防爆結構，即選用一個隔爆外殼將搜尋裝置與化工生產設備隔離開，而對于需要同搜尋裝置進行通信的手機，可以使用專業的防爆手機來盡量避免安全事故的發生。

2) 該系統的設計主要基于廣泛應用于手機等移動通信設備上的藍牙通信技術，但是藍牙信號傳輸距離相對較短，在實際生產中將受到一定限制，因而優選傳輸距離更長的通信技術將是今后的研究熱點。

3) 系統的成本費用主要體現在手機的配備上，由于一部手機與每一個搜尋裝置均可進行連接，且安裝相應的APP即可實現對搜尋裝置的控制，因而根據需要配備幾部手機即可。但出于安全

考慮，選用專業的防爆手機會提高成本，因而研究和開發更廉價的手機防爆措施將有較好的研究前景。

參考文獻：

[1]王利君，劉傳龍，劉洪亮．工業無線儀表系統在乙烯工程中的規模化應用[J]．石油化工自動化， 2014，50(02)： 13-16．

[2]李文軍，樂小琴，沈曉昱，等．工業儀表無線數據采集系統的設計與實現[J]．自動化儀表，2011，33(04)： 27-29．

[3]任小洪，傅成華，胡科．基于藍牙技術的無線數據采集系統設計[J]．測控技術，2009，28(01)： 16-19．

[4]方紅，朱健全，鄧靜，等．無線短距離尋物系統的設計與研究[J]．制造業自動化，2011，33(17)： 107-108．

[5]王維樵，盧苗，鄧舒宇，等．基于 Android 的無線智能尋物系統的研究與開發[J]．電子設計工程， 2014，22(03)： 18-20．

[6]張亞南，劉潤華，游永智．基于 C8051F930 的管道溫度壓力遠程監測系統[J]．電子設計工程， 2010(10)： 83-86．

[7]梁樹軍，黃敏．無線小型微功耗尋物系統的設計與實現[J]．微計算機信息，2009(29)： 112-113．

[8]趙惠軍，王亞林，曹陽,等．高值耗材尋物系統的設計與實現[J]．醫療衛生裝備，2011，32(08)： 35-36．

摘要：為解決復雜環境下化工儀表檢修容易出現遺漏的問題，設計了以C8051F930單片機作為控制核心的儀表無線搜尋系統。該系統硬件由主控芯片、藍牙模塊以及外圍電路組成，利用手機APP通過藍牙模塊與綁定有搜尋裝置的儀表進行通信，驅動蜂鳴器發聲或LED燈閃爍發光報警，方便工作人員確定儀表位置并進行檢修。實驗測試證明，該系統功耗低、可靠性強、使用壽命長且操作簡便，為更高效準確地進行儀表檢修提供了切實可行的方法。

關鍵詞：搜尋系統藍牙模塊C8051F930單片機聲光報警

Design of Instrumentation Wireless Searching System based on Bluetooth TechnologyHan Guoqiang， Li Degang， Zhang Jihang

(CNOOC Shandong Chemical Engineering Co． Ltd．， Jinan， 250001， China)

Abstracts： To solve problems easy to be omitted of chemical instruments during recondition in a complex environment， an instrumentation wireless searching system is designed by using singlechip of C8051F930 as control core． The system consists of main control chip， bluetooth module and peripheral circuit． The system communicates with instruments bounded with searching devices via cellphone APP based on bluetooth module， and drives buzzer sounding or LED flashing to alarm to help staff locate and maintain instruments． Experiment proves the system owns advantages of low power dissipation， strong reliability， long service life and simple operation． It provides a feasible method for repairing instruments more efficiently and accurately．

Key words：searching system; bluetooth module; C8051F930 singlechip; sound-light alarm

中圖分類號：TN926+． 22

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)05-0019-03

作者簡介：韓國強，男，山東濟南人，2003年畢業于中國石油大學自動化專業，獲學士學位，現就職于中海油山東化學工程有限責任公司，主要從事儀表設計工作，任工程師。