基于藍(lán)牙5.0低功耗通信技術(shù)的智能流量計(jì)APP設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙榮泳，賈 萍，王 妍，李咪淵，李翠玲，包偉華

(1.同濟(jì)大學(xué)電子與信息學(xué)院,上海 201804；2.上海自動(dòng)化儀表有限公司,上海 200120)

0 引言

在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)化快速發(fā)展過程中，工業(yè)自動(dòng)化儀表等設(shè)備已成為工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，智能自動(dòng)化儀表(如智能流量計(jì)等)的應(yīng)用也更加廣泛[1]。為了滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送、云端查詢歷史信息等需求，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)用戶應(yīng)用程序(application，APP)、遠(yuǎn)程專家APP多屏同步、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控等問題，本文運(yùn)用藍(lán)牙5.0技術(shù)，設(shè)計(jì)一款基于藍(lán)牙5.0低功耗通信技術(shù)的智能流量計(jì)APP，實(shí)現(xiàn)智能儀表與手機(jī)APP數(shù)據(jù)交互，便于專家和用戶查看智能流量計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等內(nèi)容[2]。同時(shí)，遠(yuǎn)程專家可以通過APP實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理接入設(shè)備的狀態(tài)與運(yùn)行情況，據(jù)此調(diào)整控制指令并更改設(shè)備參數(shù)，再通過云系統(tǒng)下達(dá)到儀表，對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。該APP具有支持無線藍(lán)牙通信、遠(yuǎn)距離控制及數(shù)據(jù)傳輸功能，適用于各種危險(xiǎn)、操作不便的場(chǎng)合；可靠的實(shí)時(shí)狀態(tài)報(bào)告、報(bào)警及故障診斷功能，可及時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)問題的出現(xiàn)；數(shù)據(jù)記錄采集功能可記錄環(huán)境參數(shù)和產(chǎn)品運(yùn)行情況，具有便于預(yù)防性維護(hù)優(yōu)化和故障分析等優(yōu)點(diǎn)。

1 電磁流量計(jì)原理

電磁流量計(jì)主要由電極、轉(zhuǎn)換器、勵(lì)磁線圈和測(cè)量管等部分組成，利用法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)其測(cè)量功能。通電中的勵(lì)磁線圈可以產(chǎn)生磁場(chǎng)，在電磁流量計(jì)的液體流量測(cè)量工作過程中，導(dǎo)電流體流過磁場(chǎng)時(shí)會(huì)切割磁感線，從而產(chǎn)生微小的電動(dòng)勢(shì)。電磁流量計(jì)中的電極將采集產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并將其傳送到流量計(jì)的轉(zhuǎn)換器中，通過系列操作，在轉(zhuǎn)換器內(nèi)完成對(duì)信號(hào)的放大和修正等，最后再通過相應(yīng)的計(jì)算公式轉(zhuǎn)換成有效的流量數(shù)據(jù)信息，并將其輸出顯示到儀表中[3]。電磁流量計(jì)組成如圖1所示。

圖1 電磁流量計(jì)組成圖

感應(yīng)電勢(shì)的方向由右手定則判定。感應(yīng)電勢(shì)的大小為：

Ex=BDv

(1)

式中:Ex為感應(yīng)電勢(shì),V；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度,T;D為管道內(nèi)徑,m;v為液體的平均流速,m/s。

(2)

由式(2)可知，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B恒定且管道內(nèi)徑D的數(shù)值可測(cè)時(shí)，被測(cè)體積流量QV的數(shù)值大小與感應(yīng)電勢(shì)Ex的大小呈現(xiàn)線性關(guān)系。

電磁流量計(jì)具有以下特點(diǎn)。

①測(cè)量精度高。與傳統(tǒng)流量計(jì)相比，電磁流量計(jì)在抗外部干擾(如壓力、溫度等)影響方面更具優(yōu)勢(shì)。

②電磁流量計(jì)具有獨(dú)特的適應(yīng)性。電磁流量計(jì)的測(cè)量管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式較為單一且內(nèi)部無阻礙液體流動(dòng)的部件。

③轉(zhuǎn)換器使用16位的高性能微處理器，因此電磁流量計(jì)可實(shí)現(xiàn)設(shè)定參數(shù)和編程等功能。

④采用雙向測(cè)量系統(tǒng)。電磁流量計(jì)可以利用積算器顯示正流量與反流量，并且可以產(chǎn)生脈沖、電流、HART和數(shù)字通信等多種輸出。

⑤采用高品質(zhì)材料、獨(dú)特的生產(chǎn)工藝。

2 流量計(jì)的低功耗藍(lán)牙通信模塊設(shè)計(jì)

電磁流量計(jì)常應(yīng)用于較為復(fù)雜的地下管道、核電領(lǐng)域等環(huán)境較為惡劣的場(chǎng)景中，造成工作人員或用戶的流量抄表工作操作困難。工業(yè)上為了解決遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸問題，經(jīng)常采取接入雙絞線、RS-485模塊等措施[4]。RS-485模塊具有接收信息較靈敏、支持多個(gè)分節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)傳輸性能良好等優(yōu)點(diǎn)，傳輸距離可達(dá)3 000 m。但在一些特殊環(huán)境(如封閉的核電環(huán)境)中，應(yīng)盡量避免人員接觸，設(shè)置RS-485模塊較為困難，不易實(shí)現(xiàn)抄表。為實(shí)現(xiàn)電磁流量計(jì)遠(yuǎn)距離智能抄表，本文提出了基于藍(lán)牙5.0的解決方案。該方案利用藍(lán)牙5.0技術(shù)通信速度快、功耗小、傳輸距離可達(dá)300 m等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)延長(zhǎng)抄表周期、減少維護(hù)設(shè)備的資源消耗等目標(biāo)[5]。

2.1 藍(lán)牙5.0技術(shù)的發(fā)展歷程

藍(lán)牙是一種適用于短距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線連接技術(shù)，多應(yīng)用于消費(fèi)電子、通信、汽車等領(lǐng)域[6]。藍(lán)牙技術(shù)的產(chǎn)生是為了解決有線電纜的缺陷，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的無線傳輸、設(shè)備的無線連接。藍(lán)牙從早期的藍(lán)牙1.0A版本、藍(lán)牙1.1版本，形成藍(lán)牙1.1標(biāo)準(zhǔn)；到藍(lán)牙2.0、藍(lán)牙3.0，實(shí)現(xiàn)雙工模式并可以進(jìn)行設(shè)備間的簡(jiǎn)單配對(duì)；從藍(lán)牙4.0開始，藍(lán)牙技術(shù)解決了功耗大等缺陷；到最新的藍(lán)牙5.0，藍(lán)牙技術(shù)根據(jù)用戶需求和科技進(jìn)步不斷地進(jìn)行技術(shù)更新和優(yōu)化升級(jí)，以解決產(chǎn)品設(shè)備通信中的缺陷。

2.2 低功耗藍(lán)牙5.0的技術(shù)特征

①低功耗藍(lán)牙由5.0協(xié)議棧開發(fā)完成，與藍(lán)牙4.2相比，在通信速率、通信距離與廣播包內(nèi)容長(zhǎng)度上有了極大的提高與改善。

②與以往藍(lán)牙技術(shù)相比，低功耗藍(lán)牙帶寬增加至原來的兩倍并支持手動(dòng)自主整理物理層帶寬。

③串口數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度，可以是1 024 B以下(含1 024 B)的任意長(zhǎng)度(大包自動(dòng)分發(fā))。

④支持AT指令調(diào)整藍(lán)牙連接間隔，控制不同的轉(zhuǎn)發(fā)速率(動(dòng)態(tài)功耗調(diào)整)。

⑤支持AT指令調(diào)整發(fā)射功率、修改廣播間隔、自定義廣播數(shù)據(jù)、自定義設(shè)備識(shí)別碼、修改串口波特率，修改模塊名[7]。

2.3 低功耗藍(lán)牙通信模塊的優(yōu)勢(shì)

低功耗藍(lán)牙通信模塊最強(qiáng)優(yōu)勢(shì)在于豐富的外圍、超寬的工作電壓和極低的能耗。低功耗藍(lán)牙設(shè)備主要狀態(tài)為睡眠狀態(tài)，因此與傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)相比，具有耗電少的優(yōu)點(diǎn)。在調(diào)制方面，低功耗藍(lán)牙設(shè)備以10 dBmW的無線芯片組實(shí)現(xiàn)了高達(dá)300 m的連接范圍，與傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)相比具有傳輸距離更遠(yuǎn)、功耗更低等特點(diǎn)。

2.4 通信流程

藍(lán)牙通信主要分為基于廣播方式和交互式兩種。

基于廣播方式藍(lán)牙通信是一種無連接的單向通信方式，指在藍(lán)牙通信網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送者，可以將數(shù)據(jù)發(fā)送到通信網(wǎng)絡(luò)中的任意接收器，供在此網(wǎng)絡(luò)中所有用戶端共享信息。

交互式藍(lán)牙通信是一種具有交互作用、可實(shí)現(xiàn)信息查詢與接收的信息處理方式，常應(yīng)用于設(shè)備操作人員和系統(tǒng)之間。在使用時(shí)，操作人員通過終端設(shè)備輸入需要查詢的信息或需要系統(tǒng)發(fā)送相應(yīng)信息的指令。系統(tǒng)接收到來自終端設(shè)備的信息和指令后作出反應(yīng)并及時(shí)處理，同時(shí)通過藍(lán)牙將所需信息傳送至用戶端，即可完成一次信息的查詢與接收。交互式藍(lán)牙通信可以保障操作人員輸入的信息和指令方便、快捷地傳送至系統(tǒng)，并且系統(tǒng)能夠及時(shí)處理與反饋，使處理結(jié)果完整地傳送到用戶端并被用戶及時(shí)使用[8]。通過這種操作人員與系統(tǒng)之間一問一答人機(jī)對(duì)話的形式，可以充分地利用設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。

①智能流量計(jì)的廣播式通信方式中，用戶可以在手機(jī)端按下抄表按鈕，用戶手機(jī)通過智能流量計(jì)的藍(lán)牙信號(hào)接收用戶ID、流量計(jì)瞬時(shí)流量φt、流量計(jì)總流量φtotal和流量瞬時(shí)速率Vt等實(shí)時(shí)、有效的儀表信息。

②智能流量計(jì)的交互式通信方式中，用戶可以自主選擇查詢流量計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，如流量計(jì)歷史數(shù)據(jù)等信息。例如，用戶通過手機(jī)端將查詢歷史信息的請(qǐng)求通過藍(lán)牙反饋給表頭；智能流量計(jì)端藍(lán)牙模塊接收信息后，將用戶所需要的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙發(fā)送至用戶手機(jī)端，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢功能。智能流量計(jì)的交互式通信方式還可應(yīng)用于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控、查詢故障代碼、程序升級(jí)等場(chǎng)景。

③遠(yuǎn)程專家可以通過藍(lán)牙向云系統(tǒng)發(fā)送請(qǐng)求，以獲得歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和錯(cuò)誤等有效信息，實(shí)時(shí)監(jiān)控管理接入設(shè)備的狀態(tài)與運(yùn)行情況，據(jù)此調(diào)整控制指令并更改設(shè)備參數(shù)；同時(shí)，再通過云系統(tǒng)下達(dá)到儀表，對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，提高生產(chǎn)效率，降低運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)管理，打造協(xié)同高效的智能流量計(jì)體系。

智能流量計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 智能流量計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

3 平臺(tái)功能架構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)智能流量計(jì)的互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的主要目的為：支撐流量計(jì)資源泛在連接、有利于流量計(jì)產(chǎn)品設(shè)備管理、實(shí)現(xiàn)多種流量計(jì)的彈性供給和高效配置；通過云平臺(tái)利用機(jī)器學(xué)習(xí)等方面技術(shù)知識(shí)對(duì)流量計(jì)儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)建模分析；通過運(yùn)行優(yōu)化、預(yù)防性維護(hù)等方式，實(shí)現(xiàn)流量計(jì)的應(yīng)用創(chuàng)新，滿足用戶對(duì)流量計(jì)智能化、網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化的需求。智能流量計(jì)的云平臺(tái)包括應(yīng)用(工業(yè)SaaS)層、平臺(tái)(工業(yè)自動(dòng)化儀表PaaS)層、IaaS層、邊緣層和用戶層。智能流量計(jì)的互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)通過新型智能儀表的橋梁紐帶作用，連接了“物端”(各類大型裝置和設(shè)備)和“云端”[9]。同時(shí)，智能流量計(jì)兼顧傳統(tǒng)的自動(dòng)化功能和現(xiàn)代智能化功能，既能夠保障現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行和設(shè)備保護(hù)，又能夠滿足云時(shí)代設(shè)備智能化的需求。該平臺(tái)通過設(shè)備運(yùn)行智能化模型加載，與云端大數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)配合，大幅簡(jiǎn)化云端計(jì)算負(fù)荷。其本質(zhì)是在傳統(tǒng)的云平臺(tái)的基礎(chǔ)上融合多類型流量計(jì)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、藍(lán)牙5.0技術(shù)以及人工智能等相關(guān)新興技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)高精準(zhǔn)、響應(yīng)速度更快、更完善的數(shù)據(jù)采集體系，建設(shè)一種包括優(yōu)化升級(jí)、存儲(chǔ)、訪問、集成、分析設(shè)計(jì)和服務(wù)等功能的智能平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)智能流量計(jì)技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)模型化、復(fù)用化、軟件化，以促進(jìn)包括電磁流量計(jì)在內(nèi)的多種自動(dòng)化儀表制造企業(yè)的變革創(chuàng)新，從而適應(yīng)工業(yè)智能化、數(shù)字化的需要[10]。

智能流量計(jì)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能流量計(jì)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)功能架構(gòu)圖

利用不同的通信手段(如藍(lán)牙5.0)接入不同型號(hào)的流量計(jì)(如超聲波流量計(jì)、Dalta M熱式質(zhì)量流量計(jì)等)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多種類流量計(jì)的管理。通過智能流量計(jì)互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的資源部署和管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備、資源、運(yùn)維等方面的管理。通過協(xié)議解析、邊緣數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)大范圍、多層次的數(shù)據(jù)采集，完成數(shù)據(jù)向云端平臺(tái)的集成。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

基于藍(lán)牙5.0低功耗通信技術(shù)的智能流量計(jì)的APP部分功能頁(yè)面如圖4所示。

圖4 APP部分功能頁(yè)面

基于藍(lán)牙5.0低功耗通信技術(shù)的智能流量計(jì)APP，可提供用于用戶智能抄表、版本程序升級(jí)、故障代碼查找和實(shí)時(shí)監(jiān)控等的流量計(jì)新型智能化儀表產(chǎn)品綜合技術(shù)服務(wù)。用戶登錄智能流量計(jì)APP,通過APP頁(yè)面查看流量計(jì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息以及出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)的診斷信息。出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，用戶可立即利用APP申請(qǐng)遠(yuǎn)程專家診斷，并通過云平臺(tái)的云端大數(shù)據(jù)系統(tǒng)發(fā)送到遠(yuǎn)程專家手中。遠(yuǎn)程專家可以實(shí)時(shí)監(jiān)控管理接入設(shè)備的狀態(tài)與運(yùn)行情況，據(jù)此調(diào)整控制指令并更改設(shè)備參數(shù)，再通過云系統(tǒng)下達(dá)到儀表，對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，并在APP中更新診斷單詳情。這樣就在現(xiàn)場(chǎng)用戶和遠(yuǎn)程專家之間形成了高效的服務(wù)調(diào)動(dòng)體系，節(jié)約了現(xiàn)場(chǎng)用戶原本用于售后調(diào)試的寶貴時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本[11]。整個(gè)過程中，所有數(shù)據(jù)流都可以通過數(shù)據(jù)模板可視化地展示出來。儀表支持多種網(wǎng)絡(luò)接入?yún)f(xié)議，可滿足不同系統(tǒng)供應(yīng)商的特殊要求。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于藍(lán)牙5.0低功耗通信技術(shù)的智能流量計(jì)APP。通過該APP與藍(lán)牙5.0技術(shù)、智能流量計(jì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能儀表與手機(jī)APP數(shù)據(jù)交互。該設(shè)計(jì)具有傳輸距離更遠(yuǎn)、功耗更低，低能耗等特點(diǎn)，可支持用戶智能抄表、歷史數(shù)據(jù)查詢、專家遠(yuǎn)程監(jiān)控、實(shí)時(shí)故障診斷等應(yīng)用場(chǎng)景。