低功耗藍牙模塊在智能水表中的應用探討

許潔瑩 李建民

三川智慧科技股份有限公司 江西 鷹潭 335200

引言

低功耗藍牙相較于普通藍牙，二者之間存在一定的區別，前者可以在達到簡單數據傳輸的同時，降低功耗。簡言之，就是在性能上優于低耗能藍牙。傳統藍牙模塊的供電方式為紐扣電池供電，與低功耗要求不符，而低功耗藍牙模塊可以使這個問題得到解決。因此對此項課題進行研究，具有十分重要的意義。

1 低功耗藍牙的系統結構和功能特點

1.1 低功耗藍牙的系統結構

低功耗藍牙由三個部分組成，主要包括控制器、主機和應用程序。對無線電信號的來源進行傳播和接收，并在此基礎上，翻譯信息使其成為完整的數據載體，是控制器的主要功能。主機管理是指對于兩臺或兩臺以上設備之間進行信息通信，以及如何使用無線電，為設備之間提供多種服務項目。應用程序功能的實現，需要借助應用程序和控制器。主機中還存在三個協議，分別是邏輯鏈路的有效控制和適配協議、屬性協議和安全管理器協議和通用性規范。基于上述三個協議，控制器可以通過天線與外界相連，之后通過控制連接口連接主機。

1.2 低功耗藍牙的功能特點

低功耗藍牙模塊的實質為高性能物聯網無線收發器，具有分布無線通信領域的作用，與普通藍牙模塊相比，低功耗藍牙模塊的特點主要體現在以下方面：第一，功耗低；第二，體積小；第三，傳輸距離遠和抗干擾能力強。此外，低功耗藍牙模塊在運行期間所運用的電流主要以低發射和接收電流為主，這種電流屬于睡眠電流，因此在人們的居住場所中較為適用，不會使人們正常生活受到影響[1]。

2 低耗能藍牙在智能水表中的應用

2.1 硬件電路設計

2.1.1 電池電壓檢測電路。電池電壓的檢測方式為ADC模塊檢測，該模塊的參考電壓數量為兩個，分別為芯片內部自帶參考電壓和經過穩壓芯片后為系統提供的電壓，其中前者的電壓值為1.225V。電池電壓檢測方式包括兩種，一種是掉電檢測，另一種是低電壓檢測。在檢測低電壓的同時，還要做好負載檢測。

2.1.2 計量。用水量計量需要借助雙干簧管實現，供電方式以脈沖供電為主，頻率為1Hz，采樣延時為5ms，在干簧管吸合時間不超過2s時，斷開時間如果同樣少于2s，則表明該脈沖有效，而兩個脈沖的間隔時間應大于3s。假設用水計量計為0.1m3，電子計量最大范圍可達6.5萬m3。

2.1.3 閥門控制。本文所研究的智能藍牙水表，將H橋式電路作為閥門硬件驅動，通過這種方式對電機正反轉進行控制，H橋式驅動電路由6個三極管構成，該電路可以提供驅動電流。在執行開閥操作的過程中，由驅動電路輸出高電平，驅動電機正轉，在執行閉閥操作時，則驅動電機反轉。

2.1.4 低功耗藍牙。為提高數據傳輸的效率，智能藍牙水表對BLE模塊和安卓系統進行了應用，單片機的通信，主要依靠串口和模塊。在研究后得知，BLE模塊的有效傳輸距離多達10m，最低工作電壓為2V，而最大工作電壓為3.6V。為節約耗能可以把模塊設置成從機廣播模式，關閉內部EN，將廣播間隔調整為2s。

2.2 軟件設計

水表的充值模式為預付費模式，簡言之，就是先交錢后用水，而表內的扣費模式為實時扣費，計算公式如下：預存金額-累計用水量×單價=剩余金額。水表所支持的模式包括兩種，分別為階梯水價和單一水價，其中，前者以月階梯為主。在余額不足時，水表會在報警后關閉閥門，讓用戶接收到充值消息。水表還具備維護閥門的功能，避免閥門因故障而停止運行。水表采用低耗能設計，其芯片運行模式為活躍停機，簡言之，就是芯片在進入睡眠模式前會保存配置，并在睡眠模式結束后還原配置，這里所說的配置主要是指ADC模塊、引腳配置和模塊時鐘。智能藍牙水表的連接方式被分為兩種，一種是低功耗藍牙；另一種是手機藍牙連接，數據交互方式為無線網。其中，幀頭和幀尾都有固定的數值，前者為0×5A，后者為0×4A。長度為功能碼與校驗碼之間的字節數，可以用3+N進行表示，其中N的取值范圍由發送內容所決定，通常情況下不會超過6。功能碼主要為水表的各項參數，比如：用水量、價格等。智能藍牙水表的校驗方式為CRC-8，為使數據傳輸過程中的準確性得到保證，校檢數據范圍是長度到內容間的全部數據。為確保數據傳輸安全，在設計過程中應用了加密算法[2]。

2.3 測試結果

在智能藍牙水表設計完成后，對其各項性能進行了檢測，包括數據傳輸是否可靠、閥門開關性能、功耗、電池電量性能等。實踐結果表明，在通信距離≤6m時，數據傳輸質量和閥門控制效果最佳。在應用低功耗藍牙模塊之前，智能水表的耗能為16.2mA，在應用后，水表耗能下降到了25mA。由此可見，本文所研究的智能水表，在性能和功耗方面均符合要求。

3 結束語

綜上所述，智能水表作為智慧水務管理系統重要組成部分，其能耗高低與智慧水務管理效率和質量密切相關。建議有關部門重視低耗藍牙模塊在智能水表中的應用，并在此基礎上設計低耗能的智能水表，從而滿足智慧水務管理系統的需求。