基于藍牙5.0的無線測溫儀表設計與研究

周玉博

（華北科技學院電子信息工程學院，廊坊 065201）

0 引言

在隧道凍結法挖掘隧道的過程中，對隧道凍結層溫度的實時監測對于隧道挖掘工程的穩定運行至關重要。然而，傳統的有線溫度監測方法存在著諸多問題，如安裝維護困難、需要布設大量的傳感器、數據線和電源線、設備成本高昂等［1］。鑒于隧道測溫工程的溫度采集周期較短，采用無線傳感技術實現隧道凍結層溫度監測早已成為了一種新的選擇［2-3］。藍牙5.0無線技術具有高速傳輸、遠距離傳輸和低能耗的特點［4］。與當前測溫系統主流的ZigBee 無線技術相比，藍牙5.0 無線技術具有更低的功耗、更長的通信距離、更快的傳輸速度和更大的數據載量［5］，能夠更好地適應隧道環境的特殊需求。因此，藍牙5.0 無線技術在隧道凍結層測溫中具有明顯的優勢。

目前，針對于隧道測溫應用場景來說較為先進的測溫方式是光纖測溫法。光纖測溫抗干擾能力強、抗腐蝕性強、傳輸距離遠，但由于光速度為3×108m/s，導致需要頻率極快的處理芯片進行配合，而芯片工作頻率和價格成正比，故光纖測溫法系統整體成本過高。對于此應用場景，需要使用一種簡單且可靠的方式，DS18B20 單總線測溫是一個非常合適的選擇，該方式使用單總線技術實現多個DS18B20 傳感器在同一總線上工作，方便實現大規模溫度監控；采用低功耗設計，通信時只需要短暫控制總線電平，完全符合本系統的應用需求。

1 系統硬件設計

1.1 系統整體設計

本系統硬件分為三部分，分別是溫度采集終端、藍牙主機網關和儀表顯示端。溫度采集終端由多個低功耗的采集終端進行溫度數據采集，將數據無線轉發給網關，網關通過串口將數據發送給儀表顯示控制終端。系統模塊結構圖如圖1所示。

圖1 系統模塊結構圖

1.2 測溫終端設計

該終端以nRF52832為主控，是一款由Nordic公司研發的低功耗藍牙SOC 芯片，內置32 位ARM Cortex-M4F處理器，支持藍牙5.0、NFC-A、NFC-B 和NFC-F 等多種無線通信協議，可運行在-40°C～85°C 的溫度范圍、5%～95%的濕度范圍等［6］。該終端使用官方藍牙5.0 協議棧進行開發，配置為低功耗藍牙從機。由電池供電，集成單總線驅動電路對單總線上多個DS18B20進行控制，具備定時監測、數據存儲轉發等功能，測溫終端的結構圖如圖2所示。

圖2 測溫終端的結構圖

圖3 從機設備廣播包

DS18B20 采用寄生供電模式，多個傳感器共同掛載在單總線上，使用單總線驅動電路提高電壓驅動能力，進而能驅動單總線上的全部傳感器設備。

1.3 網關設計

網關同樣以nRF52832 為主控，使用Nordic官方藍牙5.0 協議棧進行開發，配置為主機，使用一主多從模式，可同時連多個測溫終端設備，形成一個星型網絡通訊結構。該網關與STM32主控共同構成儀表端這個整體，可被看作為儀表端的藍牙模塊，直連儀表端主控芯片的串口，與儀表端主控芯片通過串口協議進行通訊。

1.4 儀表端主控設計

儀表端以STM32F429 為主控芯片，是一款基于ARM Cortex-M4內核的微控制器，最高工作頻率達180 MHz，內置DMA2D 外設配合LTDC外設來提高RGB 觸摸屏的刷新率。DMA2D 是STM32 系列微控制器中的硬件加速器，它提供了高效的2D 圖像處理能力，并且能夠以非常高的速度處理圖像數據。LTDC 是一種專門設計用于控制TFT 液晶顯示器的圖形控制器，主要用于實現高性能、高品質的圖像和視頻顯示。

DMA2D 主要作用是將大量的像素數據以極高的速度搬運至指定的內存區域，即使這些區域在內存中實際是不連續的［7］。LTDC 作用就是不停地將指定內存區域的像素數據轉換成像素點，輸出到液晶顯示屏上，實現圖像的顯示。由于DMA2D 和LTDC 初始化后便自己運行不會占用CPU 資源，對于圖像處理來說，這兩個外設配合會大大減輕CPU 的負擔并實現高效的圖形界面設計和顯示［8］，從而通過減少可視化界面的操作卡頓來提升用戶體驗感。

儀表端主控部分通過串口連接網關模塊，兩者使用JSON 數據格式進行通信，由電池供電，使用SD 卡存儲溫度數據，使用RGB 觸摸屏進行可視化操作。

2 系統軟件設計

2.1 測溫終端程序

2.1.1 通訊程序設計

本系統測溫終端等待連接時將自身的信息以廣播包的形式發出去，廣播包的主要內容是設備MAC 地址和31 字節的自定義數據，自定義廣播數據為Flag（3 字節）+128 位UUID（18 字節）+設備名稱：“華北科技學院”拼音首字母大寫（8字節）。

前市場上的絕大部分藍牙電子產品都采用mac地址連接方案，其優點是適配各種藍牙設備連接，缺點是連接時需要在主機端操作，輸入密鑰使雙方設備進行配對。針對本工程應用場景：從機數量多、測溫系統獨立性和專用性，本系統采用UUID 過濾連接方案，測溫終端將某私有服務的128位UUID 寫入自定義31字節的數據包，主機通過掃描廣播包過濾到該UUID 并發起連接，此方案具備以下優點：

（1）所有從機設備共用同一個128 位UUID，保證了設備連接的統一性。

（2）自定義128 位UUID 極小可能會和別的設備UUID沖突。

（3）主機自動掃描所有符合條件的測溫終端并自動建立連接。

（4）使用靜態密鑰加密，防止其他設備配對。

2.1.2 低功耗程序設計

該測溫終端整個工程期都要連接DS18B20總線，設定每隔一段時間對總線進行一次測溫并存儲。由于本系統采用電池供電，為了實現長時間穩定運行和延長電池壽命，此終端采用低功耗技術。藍牙5.0 繼承自藍牙BLE 的低功耗特性，藍牙BLE 擁有兩種低功耗模式，一種是System on 下的低功耗模式，該模式平均電流是3 μA，在系統空閑情況下會自動進入，可通過任何事件脫離低功耗模式并進入運行狀態（自動廣播等）；另外一種低功耗模式是System off 睡眠模式，由于這個模式的設備只能外部喚醒，不符合本系統需求，故不作概述。

對于藍牙、ZigBee 等低功耗無線產品來說，其工作期間消耗的電流主要來自于主從之間信息交互。分別為設備連接前的廣播和連接時的通訊。經分析得出，在測溫終端等待其他設備連接的時候，最大的功耗就是瞬間發送的廣播，針對此情景，設計使用運行在協議棧上的軟件定時器為廣播定時，該軟件定時器是一段程序，不屬于外設，所以對此終端的功耗幾乎不會產生影響。程序內設置終端在一天的某個時間段開啟廣播，供網關設備進行掃描連接，其余時間通過關閉廣播進入低功耗模式來節約電量，終端程序流程如圖4所示。

圖4 測溫終端程序流程圖

2.1.3 單總線程序設計

單總線上掛載多個DS18B20 溫度傳感器設備，我們可以通過指定讀取總線上某個傳感器溫度進而確定某位置的溫度。每個DS18B20 傳感器都有一個唯一的64位ROM 代碼，用于在多個傳感器存在的情況下區分它們。DS18B20 使用單總線通信協議（1-Wire 協議），該協議提供了ROM 搜索算法，該搜索算法采用的是二叉樹型結構，搜索過程沿各分節點進行，直到找到器件的ROM 碼，即葉子為止；后續的搜索操作沿著節點上的其它路徑進行，按照同樣的方式直到找到總線上的所有器件代碼。為避免每次測溫前都要搜索傳感器ROM，本系統程序設定為系統初始化時進行ROM 搜索，并將搜索到的ROM 值通過FDS 文件系統存儲到芯片片內FLASH，以便以后測溫直接調用。

2.2 網關程序設計

網關設定為藍牙主機，配置為一主多從模式，理論上最多可連接20 個藍牙從機（測溫終端）。該模式連接分為以下步驟：

（1）主機初始化完成后便開啟廣播包的掃描，每接收到任意廣播包后便解析廣播包內是否有正確的128 位UUID 值，若UUID 正確主機便發起連接。

（2）建立連接后，主機分配連接句柄給從機，從機接收后保存，之后主機通過與從機的連接句柄進行從機設備的區分。對于不同主機的相同服務，例如測溫服務，主機創建一個測溫服務數組，將不同從機句柄作為數據的不同下標，以此區分不同從機的不同服務，隨后發現并記錄該服務的特征值UUID和描述符。

（3）連接完成后，主機開始定時發送連接心跳包保持連接，并且繼續掃描其他從機設備。連接的從機設備停止發送廣播包，開始定時發送回復心跳包，之后繼續進行其他設備廣播包的解析。主機停止掃描的條件有兩個，一是連接達到規定數量的從機設備，二是到達設定的掃描時長。

如圖5所示，主機同時連接兩個從機，根據連接的順序從0 開始分配連接句柄，連接后將mac地址和對應連接句柄通過串口打印出來。

圖5 一主多從連接句柄

2.3 儀表端主控程序設計

儀表端主控通過連接的網關間接對溫度采集端進行數據的收發，移植FATFS 文件系統配合SD 卡對溫度數據進行模塊化存儲，移植LVGL開源圖形庫并配合RGB觸摸屏來對設備信息、溫度數據、SD 卡讀取數據等相關參數進行顯示，移植FreeRTOS 操作系統來對圖形顯示任務、數據存儲任務、RTC 實時任務進行實時調度并配合信號量、消息隊列等相關量實現一個實時顯示系統。儀表端程序流程如圖6所示。

圖6 儀表端程序流程圖

3 結果分析

3.1 低功耗實驗

為了實現功耗最小化，在測溫終端等待連接的時候，將系統中使用的ADC、IO 口等外設統統關閉，用軟件定時器定時開啟和關閉廣播，連接到網關后進行電量采集和溫度采集等服務，斷開連接后繼續進行低功耗模式。

經測溫實驗分析得出，睡眠階段單位時間工作電流為2.83 μA，測溫期間的單位時間的工作電流是6.91 mA，按照工程需求經計算得出，此測溫終端平均每天的電量消耗約為2 mAh，結合圖4 的各個狀態電流消耗情況計算得出使用210 mAh的紐扣電池能供能三個月之久，由此得出此測溫終端功耗符合該工程的需求。工作期間各階段電流如圖7所示。

圖7 工作期間各階段電流

3.2 儀表顯示端實驗

儀表通過解析串口連接的藍牙主機網關發送過來的JSON 格式數據，將連接的測溫度端信息顯示為設備列表，可通過單獨點擊設備列表進行指定采集端指令的發送和數據接收。儀表端將存儲的溫度數組通過LVGL圖形庫的圖表顯示出來，幫助工作人員更直接地進行溫度數據分析，借此來制定工程的下一步計劃。

4 結語

本系統能對隧道凍結層溫度進行定時采集、無線傳輸和圖形化顯示，通過對無線和便攜式的兩個特性的開發對整個測溫系統最大程度地進行了結構的簡化，僅僅使用若干測溫總線連接低功耗溫度采集終端配合便攜儀表顯示端即解決凍結層測溫問題，解決了傳統有線測溫布線復雜和無線測溫功耗高的問題，完善了凍結層測溫系統的功能。