摘 要：本文介紹了一種采用藍牙技術的嵌入式工業(yè)診斷系統(tǒng)，能實時采集終端監(jiān)控信息回傳到總控中心，實現(xiàn)了遠程報警，和數(shù)據(jù)采集分析功能。文中對于藍牙技術在工業(yè)環(huán)境里的實時性，穩(wěn)定性作了基本的分析，同時試圖探索一種平臺獨立的控制系統(tǒng)，增加系統(tǒng)的獨立性和跨平臺操作。文章最后探討了藍牙技術和TCP/IP協(xié)議棧的結合，嵌入式分布數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)和管理。 關鍵詞：藍牙技術;嵌入式系統(tǒng);工業(yè)診斷系統(tǒng) Abstract: This paper introduces an industrial diagnostic system based on embedded system and Bluetooth Profile. The system will sample the parameters from industrial environment in real time, analysis values, generate alerts and send them back to the server. It analyses the stability of Bluetooth technology and finds an independent control system to improve the performance. At last, it discusses the combination of TCP/IP and Bluetooth, the way to implementing and managing of distributed database. Keyword: Bluetooth; Embedded system; industrial diagnostic system 　　藍牙技術根據(jù)網(wǎng)絡的概念提供點對點和點對多點的無線鏈接，使人們能隨時隨地地進行數(shù)據(jù)信息的交換與傳輸。隨著各種藍牙終端設備的普及，如何增加藍牙設備的互操作性，如何把藍牙設備接入因特網(wǎng)，以及對藍牙設備本身的數(shù)據(jù)分布存儲和主控中心集中存儲提出了很多新的挑戰(zhàn)。 　　本文介紹了一種采用藍牙技術的嵌入式工業(yè)診斷系統(tǒng)，能實時采集終端獲取的監(jiān)控信息（溫度，電壓等）回傳到總控中心，實現(xiàn)了遠程報警，和數(shù)據(jù)采集功能。對于藍牙技術在工業(yè)環(huán)境里的實時性，穩(wěn)定性作了基本的分析。同時試圖探索一種平臺獨立的控制系統(tǒng)，增加系統(tǒng)的獨立性和跨平臺操作。文章最后探討了藍牙技術和TCP/IP協(xié)議棧的結合，嵌入式分布數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)和管理。 　　該工業(yè)診斷系統(tǒng)具有藍牙無線通信功能，能夠多路采集,實時顯示二十四小時工業(yè)環(huán)境信息存儲，采集參數(shù)統(tǒng)計分析與診斷，監(jiān)督報警的功能。管理員可以在總控中心，對各監(jiān)控節(jié)點的數(shù)據(jù)進行管理，此外，還可以遠程控制設備的報警參數(shù)，報警時間，探測頻率等進行更改設置。系統(tǒng)采用16/32位RISC ARM7DMI為內(nèi)核的LPC2106芯片和Connectblue公司的Cb-OEMSPA13i藍牙模塊作為主控制處理器模塊和藍牙通信模塊。 1 藍牙技術 　　藍牙技術是由愛立信、IBM、Intel、諾基亞、東芝等5家公司于1998年5月聯(lián)合制定的近距離無線通信技術標準，是一個開放的全球工業(yè)標準。其實質內(nèi)容是為固定設備或移動設備之間的通信環(huán)境建立通用的無線電空中接口（Radio Air Interface），將通信技術與計算機技術進一步結合起來，提供一種低價位、低功耗、可替代電纜的無線數(shù)據(jù)和語音鏈路，使設備能在近距離范圍內(nèi)實現(xiàn)相互通信或操作。該技術采用跳頻機制進行數(shù)據(jù)傳送，能極大地提高數(shù)據(jù)傳送的抗干擾性能，工作在全球公眾通用的2.4GHz ISM（工業(yè)、科學、醫(yī)學）頻段，傳輸速率為1Mbps，傳輸距離為10m-100m，可構成最多由8臺設備構成的微微網(wǎng)（Piconet），亦可再由多個獨立、非同步的微微網(wǎng)（Piconet）拓撲形成分布式網(wǎng)絡（Scatternet）。同時信道可采用采用0位、40位、60位密鑰加密。目前已由Bluetooth SIG組織制定藍牙1.2系統(tǒng)國際規(guī)范。本系統(tǒng)藍牙協(xié)議棧如圖1所示。藍牙技術在PAN（personal area network）的應用十分廣泛，比較熟悉的主要有無線音頻的應用，隨處可見的藍牙耳塞大家一定不陌生。但是，藍牙技術在工業(yè)監(jiān)控方面的應用，目前正全面鋪開。在這個領域實現(xiàn)應用，應該說是一個前期探索和研究，但又充滿前景的方向。歐洲許多大公司正陸續(xù)推出他們的相關解決方案。 [align=center] 圖1 藍牙協(xié)議棧[/align] 2 芯片概述 　　2.1主控制處理器LPC2106 　　LPC2106是飛利浦帶有一個支持實時仿真和跟蹤的 ARM7DMI-S 微處理器，嵌入 128KB高速 Flash存儲器。 采用3級流水線技術，取指、譯碼和執(zhí)行同時進行，能夠并行處理指令，提高CPU運行速度。由于具有非常小的尺寸和極低的功耗，非常適用于那些將小型化作為主要要求的應用。多個32位定時器、PWM 輸出和32個GPIC使它特別適用于工業(yè)控制和小型機器人系統(tǒng)。ARM內(nèi)核在嵌入式應用領域的絕對占有率無疑讓他成為很多工業(yè)系統(tǒng)的首選方案。PHILIPS推出的這個低成本的ARM7芯片，同時卻包含了比51單片機豐富許多的片上資源。在很多不需要音視頻處理的工業(yè)控制領域，正逐步替代51單片機，成為未來的趨勢。集成網(wǎng)絡功能和LCD顯示驅動模塊的型號（LPC28xx），和針對低成本的LPC210X，成為我們實現(xiàn)該項目設計的最佳選擇。 [align=center] 圖2 系統(tǒng)結構圖[/align] 　　2.2藍牙模塊Cb-OEMSPA13i 　　藍牙模塊Cb-OEMSPA13i是ConnectBlue公司集成的有射頻收發(fā)，基帶控制和管理，符合RS232接口協(xié)議的藍牙串口適配器。核心工作電壓3-6V。芯片內(nèi)硬件和固件符合藍牙規(guī)范V1.1。射頻發(fā)射功率支持CLASS2。輸出頻率2.402 –2.480 GHz，最大接收頻率+14dBm。支持多點傳輸。基于ConnectBlue強大的工業(yè)應用背景，該模塊已經(jīng)在惡劣的工業(yè)環(huán)境下被大量的應用，針對工業(yè)環(huán)境做了很多的從硬件到軟件的改良和增強，這也是我們選擇這個模塊的原因。 3 系統(tǒng)工作原理和總體設計 　　本系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，它的工作原理是：系統(tǒng)由①處采集信號，其中包括兩路模擬信號，兩路數(shù)字信號和兩路由溫度傳感器（PT100）檢測出的環(huán)境溫度信號，這些信號分別送到各自的信號采集和調(diào)整模塊，針對各種信號的特點和要求進行放大，濾波等處理，并將信號放大調(diào)整到一定的幅度，其中信號采集調(diào)整過程如圖3。信號再經(jīng)主控制處理器內(nèi)含的十位A/D轉換器把模擬信號轉換成數(shù)字信號;主控制處理器模塊運行嵌入式操作系統(tǒng)和片上信號分析應用軟件對數(shù)據(jù)進行分析處理和閾值比較及報警，同時在用戶界面上顯示各參數(shù)測量分析結果和報警信息，由FLASH ROM模塊完成對數(shù)據(jù)的壓縮存儲，將重要的數(shù)據(jù)存入E2PROM（數(shù)據(jù)庫②中存儲的是在用戶界面上設置的各個參數(shù)的閥值信息、報警信息和顯示的實時數(shù)據(jù)。）。PPP協(xié)議采用兩個循環(huán)隊列的方式，通過藍牙無線傳輸模塊功能，將數(shù)據(jù)實時發(fā)送到服務器，得出更為詳細的檢測報告，以便提供給技術人員作為現(xiàn)場信息的參考評價。此外，管理員可以在服務器端，通過web對各監(jiān)控節(jié)點的數(shù)據(jù)進行管理，并且遠程控制設備的報警參數(shù)，報警時間，探測頻率等進行設置更改。 4 硬件電路 　　硬件電路部分包括信號采集調(diào)整模塊，ARM7DMI為內(nèi)核的LPC2106主控制處理器模塊,以Connectblue公司的Cb-OEMSPA13i藍牙模塊作為藍牙無線網(wǎng)絡模塊，電源管理和重置模塊和其他保護、調(diào)整電路。各模塊具體實現(xiàn)以下功能： 　?。?） 輸入 　　信號采集調(diào)整模塊實現(xiàn)對多信號的拾取，對低頻、高頻、工頻等干擾信號進行濾波和抑制，對模擬量進行放大、零點調(diào)整和滿量程調(diào)整。 [align=center] 圖3 信號采集調(diào)整模塊[/align] 　?。?） 主控制處理器模塊結合商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)和片上采樣分析軟件實現(xiàn)對模擬信號的A/D模數(shù)轉換和控制，數(shù)字濾波和小波分析，數(shù)據(jù)計算分析，同時控制和管理硬件部分的每個模塊。 　　（3） 存儲模塊實現(xiàn)各種信號數(shù)據(jù)的實時存儲，可同時存儲實時產(chǎn)生的警報。E2PROM具有可擦除，可寫入功能，即使系統(tǒng)電源關閉，其上的存儲數(shù)據(jù)也不會丟失。 　?。?） 無線網(wǎng)絡模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸和藍牙無線網(wǎng)絡服務，與PC或其他設備上的藍牙無線端口連接實現(xiàn)藍牙技術中的微微網(wǎng)（Piconet），同時允許多臺藍牙接口的設備構成的對等的藍牙無線網(wǎng)絡。 　　（5） 電源管理和重置模塊主要負責給系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓和檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，保證系統(tǒng)的無故障運行。 　?。?） 大量的濾波元器件和電路的使用，同時采用了四層板的設計，盡可能減少外界的干擾和系統(tǒng)的不穩(wěn)定因素。 　?。?） 由于藍牙模塊涉及到高頻，在硬件電路中單獨為它設計了一個浮高的連接插件，使它能夠不受其他模塊的干擾，同時為藍牙模塊預留了外置天線的接口和調(diào)試重置的接口，以增加系統(tǒng)的可調(diào)試性和擴展性。 5 軟件設計 　　5.1軟件層次 [align=center] 圖4 軟件層次圖[/align] 　　5.2軟件程序的實現(xiàn) 　　5.2.1 操作系統(tǒng) 　　本系統(tǒng)采用的是瑞典Embedded Artists公司開發(fā)的商業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)Infrabed。 Infrabed是一個高度可配置型操作系統(tǒng)。它可以根據(jù)用戶的需要，將嵌入式系統(tǒng)低層框架組件進行刪選，以便達到系統(tǒng)最優(yōu)，最集約化配置。在本系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，我們采用了其中的搶占式實時操作系統(tǒng)，PPP、TCP/IP通信協(xié)議，文件系統(tǒng)，Web server五個模塊。 　　5.2.2 通訊協(xié)議 　　藍牙的核心部分是協(xié)議棧，藍牙協(xié)議棧允許多個設備進行相互的定位、連接和交換數(shù)據(jù)，并能實現(xiàn)互操作和交互式的應用。協(xié)議棧分別運行在藍牙模塊及微處理器上面，是管理系統(tǒng)資源、控制硬件、通過HCI對來自主機的命令進行處理、完成藍牙功能的嵌入式軟件。 　　該藍牙模塊實現(xiàn)籃牙的協(xié)議子集LAN Access Point（LAP），這種應用模式在藍牙連接上使用IETF的點到點協(xié)議（PPP）。PPP是一種廣泛使用的Internet標準，為IP通訊提供了主機配置和準備，PPP是為在同等單元之間傳輸數(shù)據(jù)包這樣的簡單的鏈路而設計的。這種鏈路提供全雙工操作，并按照順序傳遞數(shù)據(jù)包。PPP為基于各種主機、網(wǎng)橋和路由器的簡單連接提供一種共通的解決方案。 　　在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，我們把TCP/IP協(xié)議移植到藍牙鏈路上，使應用層能夠透明地操作十分通用的套接字接口，為將來應用程序的擴展和移植提供了方便。 　　除了底層的通訊協(xié)議，我們還自己設計了一個協(xié)議專門用來傳輸報警、取樣信息以及數(shù)據(jù)庫的同步。有了這一層協(xié)議，為以后新的藍牙設備的互聯(lián)提供的統(tǒng)一的格式。 　　5.2.3 分布和集中的數(shù)據(jù)庫 　　系統(tǒng)通過FLASH實現(xiàn)的本地分布數(shù)據(jù)庫，由于系統(tǒng)的FLASH空間有限，只能作為數(shù)據(jù)暫存的地方。上位機的集中數(shù)據(jù)庫才是系統(tǒng)總數(shù)據(jù)中心。 　　在數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)方面，系統(tǒng)增加了針對報警信息，采樣信息的加入，查詢，刪除等專用操作的接口函數(shù)，以提高數(shù)據(jù)庫的易用性和操作效率。同時為了各部分數(shù)據(jù)庫的同步，修改了協(xié)議和數(shù)據(jù)的內(nèi)容格式，增加了時間戳，同步時間等字段，保證兩邊的數(shù)據(jù)同步。 　　為了防止系統(tǒng)的崩潰，掉電等極端的狀況，系統(tǒng)對最新的數(shù)據(jù)實行本地的FLASH備份。這樣最新的數(shù)據(jù)有兩處備份，增加了數(shù)據(jù)的安全性。用戶的配置信息等，系統(tǒng)也實現(xiàn)了雙備份和兩邊同步，以用來系統(tǒng)恢復。 　　5.2.4 用戶界面 　　用戶界面的設計過程考慮到兩種需求，一是對平臺獨立的需求，希望該總控界面能運行在不同的設備上。 二是對實時性的需求，因為工業(yè)應用的特殊要求，實時性無疑是我們必須考慮的問題。 　　最后，系統(tǒng)的實現(xiàn)我們采用了兩種技術,增加客戶的選擇空間： 　　1、嵌入式CGI+ WebServer。這樣系統(tǒng)有很好的平臺獨立性，只要能運行IE瀏覽器的設備上都可以對系統(tǒng)進行監(jiān)視和控制。 　　2、采用了Sun的Java applet技術書寫用戶界面。applet技術因為其良好的平臺獨立性被廣泛應用，同時他還有很好的實時性的優(yōu)點，是方案1不能做到的。但唯一的要求就是設備除了支持IE瀏覽器外，還需要支持Java的解釋器。 　　有了這兩種技術，系統(tǒng)在不用安裝任何軟件的情況下，可以運行在所有的PC，大部分的PDA和手機上，為操控人員提供很大的方便。 6 結 語 　　為了克服傳統(tǒng)工業(yè)控制機器附件多、有線檢測傳輸方式、組網(wǎng)不方便、檢測參數(shù)單一、擴展交互能力差的不足，本系統(tǒng)提供一種具有藍牙無線通信的嵌入式工業(yè)診斷系統(tǒng)。該工業(yè)診斷系統(tǒng)具有藍牙無線通信功能，能夠多路采集,實時顯示工業(yè)環(huán)境信息存儲，實現(xiàn)參數(shù)統(tǒng)計分析與診斷，監(jiān)督報警的功能。同時，還可以遠程控制設備的報警參數(shù)，報警時間，探測頻率等進行設置更改。內(nèi)含嵌入式操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析診斷應用軟件，為設備的功能擴展提供了方便。 參考文獻： 　　[1] Karim Yghmour ,Building Embedded Linux Systems. O‘Reilly, 2003 　　[2] 馬建倉，羅亞軍等.藍牙核心技術及應用，北京:科學出版社，2003 　　[3] 馮慶勝，李紅，冀勇鋼，基于藍牙技術組建無線家庭網(wǎng)絡.微計算機信息 2006年第3-2期