基于藍(lán)牙通信的流速流向采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔東鵬，郇　沖（山東省水文儀器研制中心，山東 濰坊 261031）

基于藍(lán)牙通信的流速流向采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

崔東鵬，郇沖
（山東省水文儀器研制中心，山東 濰坊 261031）

【摘要】針對傳統(tǒng)流速流向測量儀器存在著信號易受干擾、測量誤差大、電路復(fù)雜且故障率高的缺點(diǎn)，利用藍(lán)牙技術(shù)設(shè)計(jì)了一種簡單易用的流速流向采集系統(tǒng)，并對藍(lán)牙通信、各功能模塊及上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，以及在水文測驗(yàn)工作中的使用效果進(jìn)行了闡述。

【關(guān)鍵詞】流速流向；藍(lán)牙通信；水文資料；水文測驗(yàn)

流速的測量大都采用單點(diǎn)或多點(diǎn)非同步檢測的方法,測量結(jié)果需人工數(shù)據(jù)處理,易出現(xiàn)差錯(cuò)。傳統(tǒng)流速流向測量儀器存在著信號易受干擾、測量誤差大、電路復(fù)雜且故障率高的缺點(diǎn)，而ADCP等類進(jìn)口斷面監(jiān)測設(shè)備，價(jià)格偏高，不利于推廣使用。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對于水流模型不斷提出新的要求。新研制開發(fā)的測量儀器和系統(tǒng)是把流速測量和流向測量整合到一個(gè)儀器中，內(nèi)部集成了一個(gè)流速儀和一個(gè)三維電子羅盤（流向測量），通過微處理器控制，可實(shí)時(shí)采集流速和流向，自動存儲測點(diǎn)的流速流向數(shù)據(jù)，并可與計(jì)算機(jī)通訊，由計(jì)算機(jī)提取測量記錄，供監(jiān)控中心進(jìn)行各種數(shù)據(jù)處理和計(jì)算。該儀器參數(shù)設(shè)置操作簡單，多行中文顯示，測點(diǎn)的流速、歷時(shí)、轉(zhuǎn)數(shù)及流速儀特征參數(shù)顯示直觀。

1　藍(lán)牙通信設(shè)計(jì)

1.1藍(lán)牙通信軟硬件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙技術(shù)是一種全球統(tǒng)一的短距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)，非常適用于水利水文儀器的短距離傳輸，本系統(tǒng)提出了一種基于藍(lán)牙主機(jī)控制接口的短距離通信方案。

藍(lán)牙技術(shù)的主要功能就是完成電纜替代，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)從傳感器到上位機(jī)的無線通信。藍(lán)牙功能共分兩部分：一是硬件部分，包括藍(lán)牙協(xié)議棧的無線收發(fā)層、基帶層和鏈路管理層；二是軟件部分，即藍(lán)牙高層協(xié)議棧。在非操作系統(tǒng)下，開發(fā)藍(lán)牙HCI協(xié)議，實(shí)現(xiàn)電纜替代功能。在應(yīng)用中，系統(tǒng)可以利用這種方法直接控制藍(lán)牙模塊、建立兩藍(lán)牙模塊之間的ACL鏈路，從而實(shí)現(xiàn)HCIACL數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

測流現(xiàn)場得到的流速流向數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器集成了CSR8635藍(lán)牙模塊，依照藍(lán)牙3.0規(guī)范對射頻、基帶、鏈路管理層進(jìn)行控制，通過HCI層將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳入裝載嵌入式系統(tǒng)的平板電腦，通信采用透明協(xié)議，底層接口使用RS-232。在野外的水文測驗(yàn)工作中，使用藍(lán)牙通信可解決接線不便的問題，避免短路、斷路情況的發(fā)生，提高系統(tǒng)的可靠性。

1.2藍(lán)牙系統(tǒng)性能的改善

本設(shè)計(jì)借鑒調(diào)頻通信中常用的自適應(yīng)跳頻技術(shù)，使藍(lán)牙模塊在工作中自動避開被干擾的頻點(diǎn)，保持良好的通信性能。通過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在普通環(huán)境中通信誤碼率可以控制在1%以內(nèi)，強(qiáng)磁強(qiáng)電環(huán)境中通信誤碼率能達(dá)到90%，使用過程中應(yīng)盡量遠(yuǎn)離此類環(huán)境。水文測流工作多在野外，干擾源比較少，但需多注意高壓線、變電站等干擾源，盡量遠(yuǎn)離。

2　硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)以STC12C5A32S2單片機(jī)為核心，并配以外圍電路及各功能模塊?？紤]到流速流向儀的應(yīng)用環(huán)境及可靠性要求，在具體的電路設(shè)計(jì)和芯片選型方面充分考慮了儀器的實(shí)際需求及抗干擾性能。

流速流向儀的硬件系統(tǒng)以STC12C5A32S2為核心控制器，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，將整個(gè)硬件電路分成6大模塊：處理器模塊、流速監(jiān)測模塊、流向監(jiān)測模塊、藍(lán)牙通信模塊、電源模塊和監(jiān)控系統(tǒng)。其中，流向監(jiān)測模塊通過串口與微處理器相連，流速監(jiān)測模塊連接到微處理器的外部中斷上。流速流向儀也提供了一個(gè)串行接口與監(jiān)控系統(tǒng)相連。

2.1流向監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)

流向監(jiān)測模塊采用ZCC330L-232三維數(shù)字羅盤，可通過磁阻傳感器感應(yīng)地球磁場的磁分量，從而得出方位角度，并具有標(biāo)定和傾斜補(bǔ)償功能。它與微處理器之間通過RS-232進(jìn)行通信，輸出波特率可調(diào)，有連續(xù)輸出和詢問輸出兩種工作模式，可適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

儀器以懸索懸吊的方式入水，保證儀器在水下靈活轉(zhuǎn)動；采用雙尾翼結(jié)構(gòu)，保證對準(zhǔn)流向。此設(shè)計(jì)波浪影響小，動態(tài)特性良好，可最大限度地減小機(jī)械誤差。

2.2流速監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)

流速監(jiān)測模塊采用LS25-1型流速儀改造，采用干簧管在磁場中的閉合形式來傳遞信號,與微處理器的外部中斷引腳連接。速度可由以下公式求出：

其中：T為單位時(shí)間；N為單位時(shí)間內(nèi)測得的轉(zhuǎn)數(shù)；K為定值，在儀器中設(shè)置為0.25，可修改；C為修正值，在儀器中設(shè)置為0.001，可修改。

2.3時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用硬件日期時(shí)間電路PCF8583，是飛利浦公司生產(chǎn)的CMOS型實(shí)時(shí)時(shí)鐘集成電路，通過I2C總線與STC微處理器連接，占有系統(tǒng)I/O較少，具有日歷時(shí)鐘、定時(shí)、可編程定時(shí)中斷等功能，并提供256字節(jié)的低功耗靜態(tài)RAM，通信時(shí)無需片選信號。

2.4水下信號傳輸

入水流速部分采用轉(zhuǎn)子式流速儀采集，流向部分采用三維加速度傳感器采集。保留轉(zhuǎn)子式流速儀的部分身架并改裝以保持入水平衡，改造尾翼，固定好流向傳感器，所有接頭做好防水處理。

水下信號傳輸采用有線方式，水下探測器各密封部位均采用雙密封系統(tǒng)，能達(dá)到IP67的水密防護(hù)要求。傳輸信號線采用6芯貫芯屏蔽線纜，可有效抗干擾。

現(xiàn)場測流時(shí)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器通過航空插頭與承重電纜連接，承重線纜的另一端通過防水接頭與流速儀、流向模塊連接。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器通過藍(lán)牙發(fā)送數(shù)據(jù)給平板電腦，通過軟件直讀數(shù)據(jù)，后期亦可將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)上進(jìn)行處理。

3　軟件設(shè)計(jì)

Android平臺的數(shù)據(jù)處理軟件使用JAVA開發(fā)，C/S架構(gòu)，在eclipse中進(jìn)行NDK開發(fā)，并重點(diǎn)對鍵盤和顯示等人機(jī)界面做了優(yōu)化。軟件采用主循環(huán)加中斷處理程序的模式，主程序循環(huán)完成流速、流向的顯示刷新任務(wù)及鍵盤輸入命令，處理中斷處理程序主要有串口中斷處理程序、外部中斷處理程序、定時(shí)中斷處理程序等，外部中斷處理程序主要用來處理測速、鍵盤按鍵接收；定時(shí)器中斷處理程序用來處理液晶屏顯示任務(wù)；串口中斷處理程序包括串口1和串口2處理程序，分別用來處理與流向儀和監(jiān)控系統(tǒng)的通信。

PC平臺的軟件采用C++Builder設(shè)計(jì)，使用Access數(shù)據(jù)庫，主要通過串行口提取流速流向中存儲的數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)功能。

4　結(jié)語

流速流向采集系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)智能全自動信號處理，人機(jī)界面友好，操作簡單，信息顯示直觀全面，流速儀信號聲音指示，適合全天候流速流向檢測，測速完畢自動存儲站點(diǎn)流速和流向信息，可廣泛應(yīng)用于江河及入?？诘乃臏y驗(yàn)工作。

（責(zé)任編輯張玉燕）

【中圖分類號】P33

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B

【文章編號】1009-6159（2015）-09-0032-02

收稿日期：2015-02-19

作者簡介：崔東鵬（1982—），男，助理工程師