低功耗藍牙溫度計的設計

何誠剛

（西安交通大學城市學院電氣與信息工程系，陜西西安710018）

藍牙技術聯盟于2010年7月7日正式推出藍牙4.0規范（稱為BluetoothSmart）。它包括高速藍牙、藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）和經典藍牙協議。高速藍牙基于Wi-Fi，經典藍牙則包括舊有藍牙協議。藍牙低功耗是藍牙4.0版本的一個子集，它有著全新的協議棧，可快速建立簡單的藍牙連接。藍牙4.0主要面向功耗需求極低、傳輸數據量小、使用紐扣電池供電的應用。藍牙4.0芯片設計有兩種模式：雙模和單模。雙模情況下，Bluetooth Smart功能整合入既有的經典藍牙控制器，雙模架構芯片共享所有經典藍牙既有的射頻和功能。單模情況下，只能執行低功耗的協議棧，單模芯片的成本降低，擁有成本極低的高級節能和安全加密連接，它具有輕量級的鏈路層和簡易的設備發現協議，可提供低功耗待機模式操作以及可靠地點對多數據傳輸。2011年10月藍牙技術聯盟為藍牙4.0推出新的商標，即用于主設備的“Bluetooth Smart Ready”和用于傳感器的“Bluetooth Smart”。

1 BL620-SA低功耗藍牙模塊

BL620-SA是美國萊爾德公司生產的單模低功耗藍牙模塊，支持藍牙4.0BLE協議棧，可廣泛地應用于醫療電子、物品定位、智能家居等領域，支持安卓及蘋果IOS操作系統，方便使用手機、平板電腦采集數據，BL620-SA內部集成nRFS1822ARM處理器，擁有16K的數據存儲器以及256 K的非易失程序存儲器，提供28個雙向GPIO引腳，提供SPI、I2C、UART接口以及6路精度為10 bit的A/D轉換通道，方便連接外圍器件，BL620-SA在進行數據傳輸時僅消耗10 mA的電流，在待機狀態僅消耗5 μA的電流，而在休眠狀態僅消耗0.4 μA的電流，在開闊場地的傳輸距離可達20米。BL620-SA使用BASIC語言編程，利用萊爾德公司提供的免費BASIC語言編譯和編程工具UWTerminal可以方便地進行軟件調試和下載并實現產品快速上市，圖1為BL620-SA內部架構圖。

圖1 BL620-SA內部架構圖

2 藍牙低功耗溫度計的設計

由BL620-SA構成的低功耗藍牙溫度計的電路圖如圖2所示，溫度數據的采集由BL620-SA的A/D轉換通道以及TDK公司生產的NTC熱敏電阻S891完成，NTC（Negative Temperature Coefficient）是指隨溫度上升電阻呈指數關系減小、具有負溫度系數的熱敏電阻。系統的電源電壓由xxx型號的紐扣電池供電，BL620-SA的GPIO引腳的輸出電壓與系統電源電壓一致，但當系統工作于低功耗待機狀態或休眠狀態時，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，當環境溫度發生變化時，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轉換通道，同時，電源的電壓值也經GPIO接口采樣后直接送入BL620-SA的第二路A/D轉換通道，插座J1用于PC機經串口對BL620-SA進行編程，跳線插座J2用于設置BL620-SA的在線編程，短接時系統工作于調試方式，此時LED閃爍，允許外部設備通過UART接口在線編程，正常工作狀態下不使用跳線，LED只在上電時閃爍，跳線插座J3用于設置BL620-SA的工作模式，插座引腳1、2短接時，系統工作于Autorun模式，此時系統上電或復位后自動運行用戶應用程序，當需要擦除BL620-SA的內部程序，并重新對BL620-SA編程時，可將J3插座引腳2、3短接，此時系統工作于Command模式。兩路A/D轉換通道采集到的模擬電壓值經量化后經藍牙模塊發送給手機或平板電腦，由手機或平板電腦依據一定的算法計算出實時環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，可以計算出某一環境溫度下熱敏電阻兩端的電壓值與熱敏電阻之間的關系為：

因此，如果知道熱敏電阻阻值與環境溫度的關系就可以計算出當前環境溫度。

NTC熱敏電阻阻值與環境溫度的關系式為：

式中RT是環境溫度為T℃時的熱敏電阻阻值，RTx為最接近溫度T℃的某一標準溫度Tx℃的熱敏電阻阻值（Tx＜T），αx為熱敏電阻在溫度Tx℃時的溫度系數，其中RTx、αx可由該熱敏電阻的電阻-溫度特性表查表計算獲得，由式（2）可知NTC熱敏電阻阻值與環境溫度成指數函數關系，根據式（2），進一步可以求出：

為了更容易根據熱敏電阻阻值求解出環境溫度，熱敏電阻生產商會依據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境溫度的對應關系表，通過查表的方式可以方便地計算出環境溫度。例如；某一熱敏電阻的阻值-溫度關系表如表1。

表1 某熱敏電阻的阻值-溫度關系表（部分）

圖2 低功耗藍牙溫度計原理圖

表中RT/R25為溫度為T℃時的熱敏電阻阻值與溫度為25℃時的熱敏電阻阻值的比值，溫度為25℃時的阻值稱為熱敏電阻的額定零功率電阻值，這個電阻值就是NTC熱敏電阻的標稱電阻值。根據上表，某一溫度T℃的熱敏電阻阻值可通過下式計算：

假設圖2中從BL620-SA的第一路A/D轉換通道采集到的分壓電壓值為0.397 V，根據式（1）就可計算出此時熱敏電阻的阻值為1.5252kΩ，若已知25℃時熱敏電阻阻值為10kΩ，查表可知當環境溫度為80℃時熱敏電阻阻值為

而當環境溫度為85℃時熱敏電阻阻值為

根據計算結果可知R80＜RT＜R85

3 藍牙低功耗溫度計的軟件設計

低功耗藍牙溫度計的軟件設計包括BL620-SA以及終端側兩部分的軟件設計，BL620-SA的軟件開發基于BASIC語言，軟件主要完成系統的初始化，藍牙通信的建立以及A/D轉換通道數據的讀取與發送，BL620-SA內置標準的低功耗藍牙4.0協議棧，萊爾德公司提供了編程所需要的藍牙通信函數，編程時只需調用即可，大大縮短了產品上市時間。

圖3為低功耗藍牙溫度計的BL620-SA的軟件流程圖。BL620-SA在終端側支持蘋果IOS系統以及安卓系統編程，終端側的軟件主要完成藍牙數據的接收，環境溫度的計算等工作，為此編程時需要將熱敏電阻阻值與環境溫度的對應關系表內置于終端程序內，方便終端計算環境溫度值，用戶界面可顯示當前環境溫度以及電池電量使用情況等參數，圖4為安卓系統用戶界面截圖。

4 結論

藍牙4.0專為極低電池量的裝置而設計，僅通過普通紐扣電池供電便可確保長達一年的正常使用，因此在包括醫療設備、工業控制、無線外設、遠程遙控等領域都得到了廣泛得應用。由BL620-SA構成的低功耗藍牙溫度計具有價格低、測溫范圍寬（-55℃～155℃）、功耗低、無線傳輸、用戶界面友好等特點，可支持蘋果IOS和安卓系統，在工農業生產、戶外運動、智能家居等領域有著廣泛的應用前景。

圖3 BLA620-SA軟件流程圖

圖4 藍牙溫度計安卓系統終端應用截圖

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