胡志健1，張中煒1,2
?。?.東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620;2.東華大學 數字化紡織測控研究室，上海 201620）
摘要：針對物聯網中傳感器種類繁多、接口不一致的現狀，設計了一種新型的無線傳感器通用接口。該接口由信號處理電路、藍牙芯片、電源和無線射頻電路組成，具有體積小、即插即用、功耗低等特點。接口所采樣的信號通過藍牙傳輸給數據采集器或云服務器，并實時在界面上顯示。該通用接口可在工業現場、智能家居、樓宇監控等場合下用于電流、電壓、開關量與串口形式傳感器信號的處理。并給出了通用接口的設計方案。測試結果表明，該接口可以有效處理傳感器信號，達到了預期目標。
關鍵詞：物聯網；通用接口；傳感器；藍牙4.2
0引言
隨著物聯網［1］概念的興起和發展，通用傳感器接口［2］成為了傳感網絡中一個重要的研究領域。新的感測技術層出不窮，在信號處理、數字通信及本地智能擴展方面對類型多樣的傳感器信號提出了越來越高的處理要求［3］。微電子技術、半導體工藝與無線通信等技術日益成熟，出現了向傳感器內部實現信息采集、數據處理和無線傳輸一體化發展的趨勢。我國物聯網的發展呈現良好的發展態勢［4］，然而在傳感器接口方面卻存在連接口復雜多樣、維護或更換困難、傳感器接口兼容性差等問題。在物聯網應用日益普及的大背景下，為了縮短開發時間，降低風險，迫切需要研發低成本、高性能的通用傳感器接口［5］。
在無線傳輸領域，相比于ZigBee［6］、WiFi［7］這些活躍的新興技術，藍牙在個人電腦及移動終端具備很大的基礎積累。最新的藍牙4.2協議提供了政府級隱私權限與信息安全保障，2.5倍傳輸速率提升，支持IPv6的互聯網連接［8］，適合在物聯網領域尤其是智能家居行業中應用［9］。
1接口組成與應用框架
基于藍牙4.2協議設計無線傳感器通用接口屬于無線通信與電工電子領域，其應用場景如圖1所示，主要由節點、數據采集器、藍牙4.2無線傳感器網絡（BLE 4.2 Wireless Sensor Network, BLE 4.2 WSN）、路由器和云端組成。每個節點含有傳感器、信號接口電路、藍牙芯片、電源與無線射頻，內部結構如圖2所示。
將信號接口電路、電源、藍牙芯片和無線射頻電路共同組成的數據采集系統稱為無線傳感器接口。信號接口電路可處理多種類型傳感器信號。每個節點通過路由器、支持6LoWPAN［10］或藍牙4.2的接入點，周期性地向BLE 4.2 WSN傳輸所采樣的數據。數據采集器可以接入BLE 4.2 WSN或云端，對接口進行參數設置。
與藍牙4.0/4.1不同，藍牙4.2協議直接支持IPv6地址分配，接入BLE 4.2 WSN網絡中的每個傳感器節點都會分配到唯一的IPv6地址。
2信號接口電路與供電
傳感器的信號處理是無線傳感器通用接口設計中的一個核心組成部分。需要考慮應用的實際需求，也應考慮成本、可行性等因素。查閱相關文獻，為接口設計了電流、電壓、開關量與串口通信電路。
2.1電流型接口電路
在工業應用中，一般傳感器將物理量轉化為電流輸出。鑒于儀器儀表標準輸出為4~20 mA電流［11］，設計如圖3所示電流轉電壓接口，將電流轉為電壓。其中，傳感器通過圖3中端口Cn1與Cn2接入，選用INA214芯片，其內部放大器增益為100。改變電阻R1阻值便可改變輸出電壓Vout范圍，通過藍牙芯片內的A/D轉換即可測量輸入電流大小。其中Power_Supply為傳感器供電電源，Vcc_IO為接口電源。
2.2開關量接口電路
在日常生活、工業現場或樓宇等場景下，常會遇到如繼電器、接近開關，為了檢測開關量狀態，采用如圖4所示電路。
圖4中，S2代表傳感器輸出，單刀雙擲開關S1通過觸點1或3即可靈活選擇電源。選用光耦如4N25實現電氣隔離，MCU I/O代表微控制器引腳輸入。開關S2斷開時，MCU I/O輸出為邏輯高電平；當S2為閉合狀態時，MCU I/O輸出為邏輯低電平。微控制器只需讀取I/O引腳狀態便可判斷開關量S2的邏輯狀態。
2.3接口供電
為了便于在物聯網中使用，設計了內部6 V電池和外接電源兩種方式供電。為保證微處理器及外設正常工作，需要穩定的電壓。設計電源如圖5、圖6所示。
其中DC為外部7~40 V供電接入口，經LM2576S5降壓后輸出5 V電壓作為Vcc_IO，用于信號接口電路，D2、D4為二極管，用于內部電池與外部供電切換；AP733333SAG7芯片為低功耗穩壓電路，降壓輸出3.3 V作為藍牙芯片電壓Vcc_nRF；BT1代表電池。
2.4電壓型接口電路
藍牙芯片nRF51822片內集成A/D轉換器，工作電壓范圍為0~3.6 V。傳感器輸出的1~5 V電壓SVin經單片機A/D輸入通道AINx即可測量電壓大小，如圖7所示。其中D1為5 V穩壓二極管，作為過壓保護；電阻R1、R2、R3圖7電壓接口電路用于將5 V降壓為3.6 V。
2.5串口通信電路
藍牙芯片nRF51822片內集成UART控制器，與串口驅動模塊連接如圖8所示。
其中RXD為串口輸入端，TXD為串口發送端。CTS為清除發送；RTS為請求發送。MAX232ACPE為RS232驅動芯片，Vcc_IO為接口電壓，J1為DB9接口。
3藍牙4.2傳感器網絡
通過上文提及的接口電路可完成傳感器信號的采集，而數據的無線傳輸則借助藍牙實現。
3.1藍牙4.2協議
低功耗藍牙支持星型拓撲［12］，主要分為應用層、主機與控制器。主機與控制器通過主機控制器接口交換信息?？刂破髫撠熚锢韺由漕l信號收發；主機側重于邏輯控制、安全以及屬性配置，并為應用層提供底層服務接口。搭載藍牙4.2協議的傳感節點，需要配置GATT以便于讀寫傳感器數據。應用層提供API為上層用戶程序調用，用于控制底層藍牙設備，包括設備名稱、廣播時間、屬性與特征配置等。
3.2軟件設計
針對接口功能需求，設計接口底層嵌入式軟件以及數據采集器應用。其中接口底層程序用于處理傳感器信號并發送給采集器；采集器的應用則與用戶交互，控制接口底層的工作。
3.2.1接口底層軟件
基于Nordic的S110［13］ 協議棧編寫接口底層軟件，工作流程如圖9所示。通用接口與數據采集器之間通信流程：先對藍牙模塊進行初始化設置，初始化完成后，藍牙模塊發出廣播信號等待數據采集器連接，如果在廣播期間內接收到數據采集器的連接請求，則與之配對。若配對成功，則接口停止廣播，數據采集器通過藍牙設置接口參數，設置完畢后，傳感器接口開始數據采集工作，經信號接口模塊處理后，傳給藍牙模塊進一步處理，而后無線發送給數據采集器，發送成功之后繼續采集數據。周而復始不斷采集、發送數據。
使用嵌入式C語言編寫接口底層程序，管理nRF51822資源，完成外圍硬件的初始化設置、協議棧初始化、設備配對以及傳感器數據的收發與解析等；數據采集器發送的命令經藍牙傳輸給下位機，下位機解析命令后執行；命令包括接口功能選擇、參數設定如A/D采樣速率、串口波特率等。
3.2.2數據采集器應用
數據采集器采用基于Android平臺系統的嵌入式設備，如智能手機。Android系統功能豐富，開發者調用Android API庫構建程序組件即可實現各種功能［14］。本文使用Java語言開發應用，調用藍牙API完成設備掃描、連接與通信。
4通用接口設計與驗證
由于目前藍牙4.2協議還未普及，采用已經成熟的4.0協議做探索性試驗，驗證通用接口方案的可行性與可靠性。
4.1接口電氣兼容性
在實際接口設計與使用時，遵循的電氣規范包括A/D量程范圍（0~3.6 V）、微控制器引腳輸出驅動能力（最大驅動電流15 mA）、串口RS232引腳規范等。
4.2藍牙通信模塊
選用Nordic藍牙核心模塊，該模塊含有CortexM0內核的nRF51822芯片，含有包括ADC、UART、SPI等豐富資源，適合應用于設計無線傳感器通用接口。
4.3實測結果
使用C語言編寫的代碼經Keil編譯鏈接后下載到nRF51822上；Java編寫的應用安裝到手機上。測試信號包括高低電平、模擬電流與電壓，以及串口數據。終端的部分工作界面如圖10所示。
5結論
通過對各種類型傳感器信號的實驗測試可知，本文設計的通用接口結構簡單，設置與使用方便，連接常用的傳感器即可實時檢測分布松散的物理變量而無需布線；對于環境監測與海量信息采集，可利用數據采集器傳入云服務器分析。通用接口的研究與應用，有利于促進物聯網的發展。
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