低功耗藍(lán)牙模塊在智能水表中的應(yīng)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(lán)牙相較于普通藍(lán)牙，二者之間存在一定的區(qū)別，前者可以在達(dá)到簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)，降低功耗。簡(jiǎn)言之，就是在性能上優(yōu)于低耗能藍(lán)牙。傳統(tǒng)藍(lán)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(lán)牙模塊可以使這個(gè)問(wèn)題得到解決。因此對(duì)此項(xiàng)課題進(jìn)行研究，具有十分重要的意義。

1 低功耗藍(lán)牙的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)

1.1 低功耗藍(lán)牙的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

低功耗藍(lán)牙由三個(gè)部分組成，主要包括控制器、主機(jī)和應(yīng)用程序。對(duì)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的來(lái)源進(jìn)行傳播和接收，并在此基礎(chǔ)上，翻譯信息使其成為完整的數(shù)據(jù)載體，是控制器的主要功能。主機(jī)管理是指對(duì)于兩臺(tái)或兩臺(tái)以上設(shè)備之間進(jìn)行信息通信，以及如何使用無(wú)線(xiàn)電，為設(shè)備之間提供多種服務(wù)項(xiàng)目。應(yīng)用程序功能的實(shí)現(xiàn)，需要借助應(yīng)用程序和控制器。主機(jī)中還存在三個(gè)協(xié)議，分別是邏輯鏈路的有效控制和適配協(xié)議、屬性協(xié)議和安全管理器協(xié)議和通用性規(guī)范?；谏鲜鋈齻€(gè)協(xié)議，控制器可以通過(guò)天線(xiàn)與外界相連，之后通過(guò)控制連接口連接主機(jī)。

1.2 低功耗藍(lán)牙的功能特點(diǎn)

低功耗藍(lán)牙模塊的實(shí)質(zhì)為高性能物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，具有分布無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的作用，與普通藍(lán)牙模塊相比，低功耗藍(lán)牙模塊的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面：第一，功耗低；第二，體積?。坏谌?，傳輸距離遠(yuǎn)和抗干擾能力強(qiáng)。此外，低功耗藍(lán)牙模塊在運(yùn)行期間所運(yùn)用的電流主要以低發(fā)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(chǎng)所中較為適用，不會(huì)使人們正常生活受到影響[1]。

2 低耗能藍(lán)牙在智能水表中的應(yīng)用

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1.1 電池電壓檢測(cè)電路。電池電壓的檢測(cè)方式為ADC模塊檢測(cè)，該模塊的參考電壓數(shù)量為兩個(gè)，分別為芯片內(nèi)部自帶參考電壓和經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片后為系統(tǒng)提供的電壓，其中前者的電壓值為1.225V。電池電壓檢測(cè)方式包括兩種，一種是掉電檢測(cè)，另一種是低電壓檢測(cè)。在檢測(cè)低電壓的同時(shí)，還要做好負(fù)載檢測(cè)。

2.1.2 計(jì)量。用水量計(jì)量需要借助雙干簧管實(shí)現(xiàn)，供電方式以脈沖供電為主，頻率為1Hz，采樣延時(shí)為5ms，在干簧管吸合時(shí)間不超過(guò)2s時(shí)，斷開(kāi)時(shí)間如果同樣少于2s，則表明該脈沖有效，而兩個(gè)脈沖的間隔時(shí)間應(yīng)大于3s。假設(shè)用水計(jì)量計(jì)為0.1m3，電子計(jì)量最大范圍可達(dá)6.5萬(wàn)m3。

2.1.3 閥門(mén)控制。本文所研究的智能藍(lán)牙水表，將H橋式電路作為閥門(mén)硬件驅(qū)動(dòng)，通過(guò)這種方式對(duì)電機(jī)正反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，H橋式驅(qū)動(dòng)電路由6個(gè)三極管構(gòu)成，該電路可以提供驅(qū)動(dòng)電流。在執(zhí)行開(kāi)閥操作的過(guò)程中，由驅(qū)動(dòng)電路輸出高電平，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，在執(zhí)行閉閥操作時(shí)，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)反轉(zhuǎn)。

2.1.4 低功耗藍(lán)牙。為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，智能藍(lán)牙水表對(duì)BLE模塊和安卓系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用，單片機(jī)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(dá)10m，最低工作電壓為2V，而最大工作電壓為3.6V。為節(jié)約耗能可以把模塊設(shè)置成從機(jī)廣播模式，關(guān)閉內(nèi)部EN，將廣播間隔調(diào)整為2s。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

水表的充值模式為預(yù)付費(fèi)模式，簡(jiǎn)言之，就是先交錢(qián)后用水，而表內(nèi)的扣費(fèi)模式為實(shí)時(shí)扣費(fèi)，計(jì)算公式如下：預(yù)存金額-累計(jì)用水量×單價(jià)=剩余金額。水表所支持的模式包括兩種，分別為階梯水價(jià)和單一水價(jià)，其中，前者以月階梯為主。在余額不足時(shí)，水表會(huì)在報(bào)警后關(guān)閉閥門(mén)，讓用戶(hù)接收到充值消息。水表還具備維護(hù)閥門(mén)的功能，避免閥門(mén)因故障而停止運(yùn)行。水表采用低耗能設(shè)計(jì)，其芯片運(yùn)行模式為活躍停機(jī)，簡(jiǎn)言之，就是芯片在進(jìn)入睡眠模式前會(huì)保存配置，并在睡眠模式結(jié)束后還原配置，這里所說(shuō)的配置主要是指ADC模塊、引腳配置和模塊時(shí)鐘。智能藍(lán)牙水表的連接方式被分為兩種，一種是低功耗藍(lán)牙；另一種是手機(jī)藍(lán)牙連接，數(shù)據(jù)交互方式為無(wú)線(xiàn)網(wǎng)。其中，幀頭和幀尾都有固定的數(shù)值，前者為0×5A，后者為0×4A。長(zhǎng)度為功能碼與校驗(yàn)碼之間的字節(jié)數(shù)，可以用3+N進(jìn)行表示，其中N的取值范圍由發(fā)送內(nèi)容所決定，通常情況下不會(huì)超過(guò)6。功能碼主要為水表的各項(xiàng)參數(shù)，比如：用水量、價(jià)格等。智能藍(lán)牙水表的校驗(yàn)方式為CRC-8，為使數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的準(zhǔn)確性得到保證，校檢數(shù)據(jù)范圍是長(zhǎng)度到內(nèi)容間的全部數(shù)據(jù)。為確保數(shù)據(jù)傳輸安全，在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用了加密算法[2]。

2.3 測(cè)試結(jié)果

在智能藍(lán)牙水表設(shè)計(jì)完成后，對(duì)其各項(xiàng)性能進(jìn)行了檢測(cè)，包括數(shù)據(jù)傳輸是否可靠、閥門(mén)開(kāi)關(guān)性能、功耗、電池電量性能等。實(shí)踐結(jié)果表明，在通信距離≤6m時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量和閥門(mén)控制效果最佳。在應(yīng)用低功耗藍(lán)牙模塊之前，智能水表的耗能為16.2mA，在應(yīng)用后，水表耗能下降到了25mA。由此可見(jiàn)，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(jié)束語(yǔ)

綜上所述，智能水表作為智慧水務(wù)管理系統(tǒng)重要組成部分，其能耗高低與智慧水務(wù)管理效率和質(zhì)量密切相關(guān)。建議有關(guān)部門(mén)重視低耗藍(lán)牙模塊在智能水表中的應(yīng)用，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)低耗能的智能水表，從而滿(mǎn)足智慧水務(wù)管理系統(tǒng)的需求。