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藍(lán)牙技術(shù)在閥門電動(dòng)裝置中的應(yīng)用

摘要：針對(duì)無(wú)線通信技術(shù)在閥門電動(dòng)裝置中的應(yīng)用，分析各種常見(jiàn)的無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)，提出基于藍(lán)牙技術(shù)的解決方案。另外，簡(jiǎn)單分析了藍(lán)牙協(xié)議棧的 3 種實(shí)現(xiàn)形式，選擇嵌入式模型作為藍(lán)牙無(wú)線通信的實(shí)現(xiàn)形式。著重介紹了藍(lán)牙手持操作器的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件流程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)帶藍(lán)牙通信模塊的閥門電動(dòng)裝置的無(wú)線遙控操作。

1 藍(lán)牙協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)形式

藍(lán)牙協(xié)議規(guī)范遵循開(kāi)放系統(tǒng)互聯(lián) OSI（Open System Interconnection）模型。

藍(lán)牙協(xié)議棧按照封裝方式有 3 種不同的實(shí)現(xiàn)模型——寄居式、嵌入式和完全嵌入式，分別針對(duì)具有不同功能和資源的產(chǎn)品。

對(duì)于嵌入式模型，藍(lán)牙協(xié)議棧位于藍(lán)牙模塊中，應(yīng)用程序單獨(dú)運(yùn)行在主機(jī)上，通過(guò)適配協(xié)議與藍(lán)牙模塊通信。嵌入式模型無(wú)需主機(jī)處理藍(lán)牙上層協(xié)議，減少了主機(jī)的軟件負(fù)荷和代碼長(zhǎng)度，降低了開(kāi)發(fā)難度，對(duì)于內(nèi)存有限的設(shè)備是不錯(cuò)的選擇。本設(shè)計(jì)在藍(lán)牙協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)形式上選用了嵌入式模型，通過(guò)使用南京國(guó)春電子技術(shù)有限公司的 KC02 藍(lán)牙模塊，保證通信可靠性并減少了 CPU 的代碼量。

2 藍(lán)牙應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用藍(lán)牙無(wú)線通信，其系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分為閥門電動(dòng)裝置和手持操作器兩部分。

2.1 閥門電動(dòng)裝置

閥門電動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)閥門本體的控制功能。以 LPC2292 為核心構(gòu)建整個(gè)嵌入式系統(tǒng)，藍(lán)牙模塊采用工業(yè)級(jí) KC02 模塊。

LPC2292 是 NXP 公司基于 ARM7TDMI-S 的一款高性能工業(yè)級(jí)微處理器。其處理器內(nèi)核為 32 位 RISC 體系結(jié)構(gòu)，具有高密度的 16 位指令集及極低的功耗。

KC02 藍(lán)牙模塊是可進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和語(yǔ)音通信的藍(lán)牙通信模塊。其體積小，外形尺寸長(zhǎng)為 17.8mm，寬為 15.2mm；工作電壓為 3.3V，擁有 UART、SPI 和 USB 串行接口，在本設(shè)計(jì)中使用處理器的 UART 與藍(lán)牙模塊相連。

2.2 手持操作器

手持操作器的功能為搜索從藍(lán)牙，并在主從藍(lán)牙建立鏈接之后，操作閥門電動(dòng)裝置，并同步顯示閥門電動(dòng)裝置屏幕內(nèi)容。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以 8 位 AVR 單片機(jī) ATmega128L 為核心，包括按鍵、液晶顯示屏、主藍(lán)牙模塊和電源處理 4 個(gè)部分。KC02 主藍(lán)牙模塊通過(guò)串口與單片機(jī)相連。手持操作器使用電池，通過(guò)電源轉(zhuǎn)換芯片 AMSI1117 穩(wěn)壓后給整個(gè)嵌入式系統(tǒng)供電。

2.3 手持操作器軟件流程

手持操作器復(fù)位后首先進(jìn)行各底層硬件的初始化操作，然后根據(jù)接收到的按鍵命令進(jìn)行相應(yīng)的操作。

在硬件設(shè)計(jì)中，將單片機(jī)的 PD4 與藍(lán)牙模塊的鏈接狀態(tài)端口相連，PD7 口與藍(lán)牙模塊的 RESET 引腳相連 。

3 藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)鏈接過(guò)程

處于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的閥門電動(dòng)裝置通常為一個(gè)陣列，此時(shí)正確完成藍(lán)牙節(jié)點(diǎn)的查詢以及鏈接是建立手持操作器與閥門電動(dòng)裝置通信的關(guān)鍵。該過(guò)程由手持操作器 MCU 通過(guò)適配協(xié)議操作主藍(lán)牙模塊完成。

由于在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可能有多臺(tái)閥門同時(shí)具有藍(lán)牙無(wú)線通信功能，手持操作器與閥門電動(dòng)裝置的鏈接分為物理鏈接和邏輯鏈接。其中邏輯鏈接為物理鏈接的一個(gè)子集，只有在手持操作器與閥門電動(dòng)裝置之間建立了物理鏈接，并且手持操作器接收到了確認(rèn)鏈接的指令后邏輯鏈接才建立。此時(shí)手持操作器進(jìn)入操作閥門電動(dòng)裝置并同步顯示的狀態(tài)。閥門電動(dòng)裝置只能被動(dòng)地接收手持操作器的搜索和鏈接，其上層程序在處理鏈接狀態(tài)時(shí)給出提示用于操作者判斷藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的鏈接狀態(tài)。

4 系統(tǒng)功能

數(shù)據(jù)交換功能：手持操作器采用查詢應(yīng)答的方式采集閥門電動(dòng)裝置的實(shí)時(shí)狀態(tài)。每隔 100ms，手持操作器就會(huì)發(fā)出 1 次查詢指令，閥門電動(dòng)裝置將當(dāng)前狀態(tài)打包為 1 幀 6 字符的數(shù)據(jù)上傳給手持操作器。由于所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不會(huì)包含 0xff 和 0xfe，可以將其作為 1 幀數(shù)據(jù)的起始和結(jié)束標(biāo)志。

手持操作器通過(guò)同樣的數(shù)據(jù)格式去除掉起始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志解析出一幀數(shù)據(jù)，并同步顯示閥門電動(dòng)裝置狀態(tài)。在手持操作器和閥門電動(dòng)裝置進(jìn)入閥門參數(shù)的同步設(shè)置狀態(tài)時(shí)，數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度不固定，按照書(shū)前顯示頁(yè)面所需的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。鏈接斷開(kāi)提示：當(dāng)由于外界于擾或距離增加導(dǎo)致手持操作器和閥門電動(dòng)裝置之間鏈接斷開(kāi)時(shí)，手持操作器給出鏈接斷開(kāi)提示，閥門電動(dòng)裝置則跳出藍(lán)牙無(wú)線操作狀態(tài)，恢復(fù)到本地操作模式。

結(jié)語(yǔ)

針對(duì)將藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)引入閥門電動(dòng)裝置中的實(shí)際工程需求，本文分析了其可行性，并且實(shí)現(xiàn)了實(shí)際軟硬件系統(tǒng)，對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的無(wú)線技術(shù)應(yīng)用有一定參考價(jià)值。