基于藍牙5.0低功耗通信技術的智能流量計APP設計與實現

趙榮泳，賈 萍，王 妍，李咪淵，李翠玲，包偉華

(1.同濟大學電子與信息學院,上海 201804；2.上海自動化儀表有限公司,上海 200120)

0 引言

在網絡技術和現代工業化快速發展過程中，工業自動化儀表等設備已成為工業生產中不可或缺的現場設備，智能自動化儀表(如智能流量計等)的應用也更加廣泛[1]。為了滿足實時數據傳送、云端查詢歷史信息等需求，實現實時用戶應用程序(application，APP)、遠程專家APP多屏同步、遠程數據監控等問題，本文運用藍牙5.0技術，設計一款基于藍牙5.0低功耗通信技術的智能流量計APP，實現智能儀表與手機APP數據交互，便于專家和用戶查看智能流量計實時數據、歷史數據等內容[2]。同時，遠程專家可以通過APP實時監控和管理接入設備的狀態與運行情況，據此調整控制指令并更改設備參數，再通過云系統下達到儀表，對設備進行遠程操作。該APP具有支持無線藍牙通信、遠距離控制及數據傳輸功能，適用于各種危險、操作不便的場合；可靠的實時狀態報告、報警及故障診斷功能，可及時應對突發問題的出現；數據記錄采集功能可記錄環境參數和產品運行情況，具有便于預防性維護優化和故障分析等優點。

1 電磁流量計原理

電磁流量計主要由電極、轉換器、勵磁線圈和測量管等部分組成，利用法拉第電磁感應定律實現其測量功能。通電中的勵磁線圈可以產生磁場，在電磁流量計的液體流量測量工作過程中，導電流體流過磁場時會切割磁感線，從而產生微小的電動勢。電磁流量計中的電極將采集產生的感應電動勢，并將其傳送到流量計的轉換器中，通過系列操作，在轉換器內完成對信號的放大和修正等，最后再通過相應的計算公式轉換成有效的流量數據信息，并將其輸出顯示到儀表中[3]。電磁流量計組成如圖1所示。

圖1 電磁流量計組成圖

感應電勢的方向由右手定則判定。感應電勢的大小為：

Ex=BDv

(1)

式中:Ex為感應電勢,V；B為磁感應強度,T;D為管道內徑,m;v為液體的平均流速,m/s。

(2)

由式(2)可知，當磁感應強度B恒定且管道內徑D的數值可測時，被測體積流量QV的數值大小與感應電勢Ex的大小呈現線性關系。

電磁流量計具有以下特點。

①測量精度高。與傳統流量計相比，電磁流量計在抗外部干擾(如壓力、溫度等)影響方面更具優勢。

②電磁流量計具有獨特的適應性。電磁流量計的測量管結構簡單，形式較為單一且內部無阻礙液體流動的部件。

③轉換器使用16位的高性能微處理器，因此電磁流量計可實現設定參數和編程等功能。

④采用雙向測量系統。電磁流量計可以利用積算器顯示正流量與反流量，并且可以產生脈沖、電流、HART和數字通信等多種輸出。

⑤采用高品質材料、獨特的生產工藝。

2 流量計的低功耗藍牙通信模塊設計

電磁流量計常應用于較為復雜的地下管道、核電領域等環境較為惡劣的場景中，造成工作人員或用戶的流量抄表工作操作困難。工業上為了解決遠距離數據傳輸問題，經常采取接入雙絞線、RS-485模塊等措施[4]。RS-485模塊具有接收信息較靈敏、支持多個分節點、數據傳輸性能良好等優點，傳輸距離可達3 000 m。但在一些特殊環境(如封閉的核電環境)中，應盡量避免人員接觸，設置RS-485模塊較為困難，不易實現抄表。為實現電磁流量計遠距離智能抄表，本文提出了基于藍牙5.0的解決方案。該方案利用藍牙5.0技術通信速度快、功耗小、傳輸距離可達300 m等獨特優勢，可實現延長抄表周期、減少維護設備的資源消耗等目標[5]。

2.1 藍牙5.0技術的發展歷程

藍牙是一種適用于短距離數據傳輸的無線連接技術，多應用于消費電子、通信、汽車等領域[6]。藍牙技術的產生是為了解決有線電纜的缺陷，實現數據信息的無線傳輸、設備的無線連接。藍牙從早期的藍牙1.0A版本、藍牙1.1版本，形成藍牙1.1標準；到藍牙2.0、藍牙3.0，實現雙工模式并可以進行設備間的簡單配對；從藍牙4.0開始，藍牙技術解決了功耗大等缺陷；到最新的藍牙5.0，藍牙技術根據用戶需求和科技進步不斷地進行技術更新和優化升級，以解決產品設備通信中的缺陷。

2.2 低功耗藍牙5.0的技術特征

①低功耗藍牙由5.0協議棧開發完成，與藍牙4.2相比，在通信速率、通信距離與廣播包內容長度上有了極大的提高與改善。

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

③串口數據包長度，可以是1 024 B以下(含1 024 B)的任意長度(大包自動分發)。

④支持AT指令調整藍牙連接間隔，控制不同的轉發速率(動態功耗調整)。

⑤支持AT指令調整發射功率、修改廣播間隔、自定義廣播數據、自定義設備識別碼、修改串口波特率，修改模塊名[7]。

2.3 低功耗藍牙通信模塊的優勢

低功耗藍牙通信模塊最強優勢在于豐富的外圍、超寬的工作電壓和極低的能耗。低功耗藍牙設備主要狀態為睡眠狀態，因此與傳統藍牙技術相比，具有耗電少的優點。在調制方面，低功耗藍牙設備以10 dBmW的無線芯片組實現了高達300 m的連接范圍，與傳統藍牙技術相比具有傳輸距離更遠、功耗更低等特點。

2.4 通信流程

藍牙通信主要分為基于廣播方式和交互式兩種。

基于廣播方式藍牙通信是一種無連接的單向通信方式，指在藍牙通信網絡中只有一個數據發送者，可以將數據發送到通信網絡中的任意接收器，供在此網絡中所有用戶端共享信息。

交互式藍牙通信是一種具有交互作用、可實現信息查詢與接收的信息處理方式，常應用于設備操作人員和系統之間。在使用時，操作人員通過終端設備輸入需要查詢的信息或需要系統發送相應信息的指令。系統接收到來自終端設備的信息和指令后作出反應并及時處理，同時通過藍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，并且系統能夠及時處理與反饋，使處理結果完整地傳送到用戶端并被用戶及時使用[8]。通過這種操作人員與系統之間一問一答人機對話的形式，可以充分地利用設備的優勢。

①智能流量計的廣播式通信方式中，用戶可以在手機端按下抄表按鈕，用戶手機通過智能流量計的藍牙信號接收用戶ID、流量計瞬時流量φt、流量計總流量φtotal和流量瞬時速率Vt等實時、有效的儀表信息。

②智能流量計的交互式通信方式中，用戶可以自主選擇查詢流量計的相關內容，如流量計歷史數據等信息。例如，用戶通過手機端將查詢歷史信息的請求通過藍牙反饋給表頭；智能流量計端藍牙模塊接收信息后，將用戶所需要的數據通過藍牙發送至用戶手機端，實現實時數據查詢功能。智能流量計的交互式通信方式還可應用于遠程實時監控、查詢故障代碼、程序升級等場景。

③遠程專家可以通過藍牙向云系統發送請求，以獲得歷史數據、實時數據和錯誤等有效信息，實時監控管理接入設備的狀態與運行情況，據此調整控制指令并更改設備參數；同時，再通過云系統下達到儀表，對設備進行遠程操作，提高生產效率，降低運營成本，實現智能化生產管理，打造協同高效的智能流量計體系。

智能流量計系統架構設計如圖2所示。

圖2 智能流量計系統架構設計圖

3 平臺功能架構設計

設計智能流量計的互聯網平臺的主要目的為：支撐流量計資源泛在連接、有利于流量計產品設備管理、實現多種流量計的彈性供給和高效配置；通過云平臺利用機器學習等方面技術知識對流量計儀表進行數據建模分析；通過運行優化、預防性維護等方式，實現流量計的應用創新，滿足用戶對流量計智能化、網絡化和數字化的需求。智能流量計的云平臺包括應用(工業SaaS)層、平臺(工業自動化儀表PaaS)層、IaaS層、邊緣層和用戶層。智能流量計的互聯網平臺通過新型智能儀表的橋梁紐帶作用，連接了“物端”(各類大型裝置和設備)和“云端”[9]。同時，智能流量計兼顧傳統的自動化功能和現代智能化功能，既能夠保障現場設備自動運行和設備保護，又能夠滿足云時代設備智能化的需求。該平臺通過設備運行智能化模型加載，與云端大數據協調配合，大幅簡化云端計算負荷。其本質是在傳統的云平臺的基礎上融合多類型流量計、大數據、物聯網、藍牙5.0技術以及人工智能等相關新興技術，構建一個高精準、響應速度更快、更完善的數據采集體系，建設一種包括優化升級、存儲、訪問、集成、分析設計和服務等功能的智能平臺，從而實現智能流量計技術、經驗、知識模型化、復用化、軟件化，以促進包括電磁流量計在內的多種自動化儀表制造企業的變革創新，從而適應工業智能化、數字化的需要[10]。

智能流量計互聯網平臺功能架構如圖3所示。

圖3 智能流量計互聯網平臺功能架構圖

利用不同的通信手段(如藍牙5.0)接入不同型號的流量計(如超聲波流量計、Dalta M熱式質量流量計等)，實現對多種類流量計的管理。通過智能流量計互聯網云平臺的資源部署和管理，實現設備、資源、運維等方面的管理。通過協議解析、邊緣數據處理，實現大范圍、多層次的數據采集，完成數據向云端平臺的集成。

4 軟件實現

基于藍牙5.0低功耗通信技術的智能流量計的APP部分功能頁面如圖4所示。

圖4 APP部分功能頁面

基于藍牙5.0低功耗通信技術的智能流量計APP，可提供用于用戶智能抄表、版本程序升級、故障代碼查找和實時監控等的流量計新型智能化儀表產品綜合技術服務。用戶登錄智能流量計APP,通過APP頁面查看流量計實時數據信息以及出現錯誤時的診斷信息。出現錯誤時，用戶可立即利用APP申請遠程專家診斷，并通過云平臺的云端大數據系統發送到遠程專家手中。遠程專家可以實時監控管理接入設備的狀態與運行情況，據此調整控制指令并更改設備參數，再通過云系統下達到儀表，對設備進行遠程操作，并在APP中更新診斷單詳情。這樣就在現場用戶和遠程專家之間形成了高效的服務調動體系，節約了現場用戶原本用于售后調試的寶貴時間和經濟成本[11]。整個過程中，所有數據流都可以通過數據模板可視化地展示出來。儀表支持多種網絡接入協議，可滿足不同系統供應商的特殊要求。

5 結論

本文設計與實現了基于藍牙5.0低功耗通信技術的智能流量計APP。通過該APP與藍牙5.0技術、智能流量計相結合，實現智能儀表與手機APP數據交互。該設計具有傳輸距離更遠、功耗更低，低能耗等特點，可支持用戶智能抄表、歷史數據查詢、專家遠程監控、實時故障診斷等應用場景。