传感器蓝牙接口手机信息汇聚设计与实现

章新川，白 鹏，李骥阳，李 波

(1.陕西省水利厅，陕西 西安 710004；2.空军工程大学，陕西 西安 710051；3.西安交通大学，陕西 西安 710049)

0 引 言

科学技术的发展及信息时代的到来，对信息的感知、传输及信息汇聚提出了更高的要求，高时效性和高可靠性是传感网络短距离通信亟待解决的需求。传感网络[1-3](wireless sensor network，WSN)主要由在空间上分布使用的传感器组成，配以网络控制系统，完成压力、温度、声音、振动、运动等物理量的感知、信息的采集和传输，应用于环境与生态监测、健康监护、家庭自动化，以及交通控制等领域，实现信息的快速布控、信息的实时获取、传输及信息汇聚，提高行业或应用领域的信息感知能力，满足对信息获取和传输的需求[4-6]，在监控、目标定位、设备状态、效果评估等应用方面发挥了巨大的作用。

传感器是传感网络的基本组成部件，传感器获取后的信息传输至传感网络[7-8]，完成信息的传输功能。目前常用的传输方式为数传电台、GPRS、卫星、ZigBee、Wi-Fi及蓝牙等技术。如何将传感器获取的信息快速、方便地汇聚到传感网络节点是目前的热点研究问题。

蓝牙技术1994年由爱立信公司推出，可实现固定设备、移动设备和个人局域网之间短距离的数据交换[9-10]。蓝牙使用2.4 GHz频段，传输有效范围为10 cm～10 m，如果增强信号发射功率，则传输范围可达100 m。蓝牙是较为成熟的短距离无线通信技术，可在传感器与传感网络节点之间通信，使信息传输更为有效[11-12]，是比较成熟的短距离通信技术[13-14]，研究内容偏重于领域应用[15-17]。

压力式水位计基于所测水位静压与其高度成比例的原理，采用扩散硅敏感元件或陶瓷电容压力敏感元件，将静压转换为电信号，再经过温度补偿和线性修正，转化成4～20 mA或0～5 V的标准电信号。实际应用中，压力式水位计与传感网络节点间为有线电缆连接，由于复杂的安装环境，无法进行信息的短距离、快速采集与传输，需要新的技术适应实际需求。

文中基于蓝牙技术，利用智能手机作为传感网络节点，以压力型水位计为例，进行信息的实时采集、传输及汇聚，实际应用效果良好，解决了短距离传感器信息蓝牙汇聚问题。

1 传感器蓝牙接口手机信息汇聚总体框架

蓝牙技术支持传感器与手机间的短距离通信，传感器的信息能方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗地进行数据通信，能够有效简化传感器与手机终端之间的通信，从而使数据传输变得更加迅速高效，为短距离通信的无线替代有线通信探索新的路径。

1.1 基本原理

传感器蓝牙接口手机信息汇聚的思路是将具有蓝牙接口传感器的信息，通过蓝牙技术，短距离传输到智能手机，手机可作为传感网络传感信息的汇聚节点，完成信息的实时采集与传输，手机也可发送控制指令，对具有蓝牙接口的传感器进行控制，实现双向信息传输。

完整的系统由具有蓝牙接口的传感器、智能手机及网络组成，手机作为网络的一个节点。智能手机中运行的软件包含2部分内容，分别是传感器蓝牙数据接口部分及数据接收、显示系统，是所研究的重点内容。系统的基本原理如图1所示。

图1 基本原理示意

蓝牙传感器：完成压力、温度、声音、振动、运动等物理量的感知、采集，将数据转换为蓝牙传输协议的格式，为传输做好准备。

智能手机：将手机作为传感网络节点，通过传感器蓝牙数据接口部分，手机接收数据或信息完成数据接收、显示功能，同时也可转发到网络或专业人士处。

网络传输：网络为常用的手机网络，传输的数据满足手机网络传输要求。

专业人士：可在现场或后台对数据进行判断或数据应用。

1.2 总体框架

基于MVC(model view controller)架构模式的思想，对总体框架进行设计，便于简化开发。所设计的总体框架包括传感器蓝牙数据接口、图形菜单界面、算法封装模块、消息响应模块，如图2所示。

图2 系统总体框架

图中的传感器蓝牙数据接口完成传感器数据的蓝牙传输接入，为文中重点讨论的问题；图形菜单界面完成手机运行软件界面的功能；算法封装模块将常用的画点、线、曲线算法进行封装；消息响应模块完成操作及时间控制。

对应于上述的总体框架，主要的类说明如表1所示。

2 传感器蓝牙接口手机信息汇聚实现

设计手机蓝牙接口程序与软件开放式构架并编程实现，对手机接收的数据进行测试和分析。该部分同时也可将其他具有蓝牙接口的水位传感器所涉及的通信协议，统一转换为通用的蓝牙通信协议，完成基于蓝牙协议不同数据格式的转换。

表1 总体框架的类说明

2.1 传感器蓝牙数据接口

所涉及的传感器为具有蓝牙接口协议的某型号压力型水位计，应用蓝牙技术，自动检测连接并传输传感器的数据；手机接收数据，通过图形菜单界面显示。

(1)传感器蓝牙接口与手机的蓝牙通信程序流程。

表2 传感器蓝牙接口参数设置

传感器蓝牙接口与手机蓝牙通信程序流程如图3所示。

图3 传感器蓝牙接口与手机的蓝牙通信程序流程

首先进行系统初始化，主要包括接口参数设置、蓝牙命令、事件缓冲区初始化等。蓝牙设备在第一次通信前需要进行初始化操作，主要包括复位、读取并记录本地蓝牙地址、设置查询响应时间参数等。

初始化完成后，手机发出查询广播包，在通信距离内的蓝牙传感器对查询广播包进行应答，手机获得传感器的蓝牙地址等信息；手机根据传感器蓝牙地址发出建立连接请求，传感器蓝牙接口同意后建立蓝牙通信连接，获得连接句柄，根据建立的连接句柄进行数据传输。

(2)相关指令设置(以具有蓝牙接口的某型号压力水位计为例)。

开始命令。用程序发送命令(16进制)：55 AA 03 F9 03 FF。

停止命令。用程序发送命令(16进制)：55 AA 03 F9 04 00。

通过建立的连接，进行数据传输的数据格式如表3所示。

表3 蓝牙数据传输格式(默认9 600波特率)

表3中，数据1至数据5的解析描述如表4所示。

随着国网供电公司对于智能化电网工作的不断推进以及新型电力营销方法的普及，对电网智能化和精细化管理要求越来越高。为满足国网供电公司营配业务的高效运行，满足配电网维修、抢修效率的要求，实现以“标准规范先行、数据治理和应用融合并重、应用建设促功能实用化”的工作思路，重点推进营配业务数据的整理、录入、核实以及信息化采集系统适用性改造等工作，清理原始数据，规范新增数据；同时也为提高居民低压集抄系统建设小区的台区线损率计算准确性，研发和推广适应新形势下电网建设和电网精细化管理的新一代全数字化、多功能、智能化台区识别仪，可以满足电网建设和管理需要，为实现台区精细化管理提供真实准确的基础数据[2]。

表4 对应的数据解析描述

其中，水温用来进行压力的温度补偿；电压值用来表征设备供电情况；平安报是例行的数据传输；同步位是用来校验数据的有效性。例如，连续检测到5个字节的最高位为10 000，说明是有效数据，压力数据的最高位在数据3的bit6位；如果数据有丢包，检测到的连续5个字节最高位不是10 000，此数据忽略，再搜索有效数据并进行解析。

2.2 软件开放式构架实现

由于Java语言本身具有可移植的特点，文中的软件是基于Java语言进行开发，使得软件具有可移植性，适合于异构网络环境和软件的移植，软件可安装在智能手机的操作系统上。

传感器型号不同，相应的蓝牙接口解析方法也不同。因此，为自由、多样化的数据传输，在软件中专门设置数据接口协议转换部分，完成传感器蓝牙接口数据协议、接入方式、数据连接等功能。同时，软件部分还具有数据接口协议判断识别、病态数据识别、数据预处理、显示、转发等功能。

通过上述内容的具体研究、设计与实现，将具体的传感器蓝牙特性和参数等实例化，研究软件开放式构架的设计与实现，提出软件开放式构架的构建方法、构建流程、软硬件之间的数据协议等内容。

软件开放式构架实现时，所设计的主要功能如表5所示。

表5 软件开放式构架主要功能描述

3 应用实验

以具有蓝牙接口的某型号压力水位计为例，对所研究内容进行验证。手机为安卓8.0操作系统的普通国产手机；使用Java语言，辅助以XML语言，开发Android应用；完成接口功能选择、参数设定、传感器数据获取与显示功能。

3.1 手机图形菜单界面

编写、调试程序，经测试并完善后的手机图形菜单界面截图及连接压力水位计后的实际运行界面截图如图4所示。

图4 手机图形菜单及实际运行界面截图

3.2 测试结果分析

压力型水位传感器输出的值为标准的电压(0～5 VDC)或电流(0～20 mA)，经过转换和温度补偿后变成水位测量数据，再经过编码及AD转换等环节，通过蓝牙接口进行输出，手机端对蓝牙数据进行接收。

将手机端软件接收的电压数值与传感器输出的电压值进行比较，对相对误差进行分析，如表6所示。

表6 手机端软件误差

测试结果表明，手机端软件的显示值，在一定的误差范围内，符合预期设定值。

4 结束语

蓝牙技术作为短距离通信的新手段，已经广泛应用到传感器、自动控制、通信等领域。文中将蓝牙技术与手机相结合，将手机作为传感网络节点，完成信息汇聚功能，对传感器蓝牙数据接口、软件开放式构架实现方法进行了研究。实验结果表明，基于蓝牙技术的手机信息汇聚方法较好地满足传感器信息快速、方便汇聚到传感网络节点的短距通信需求，可推广到河道、水库及地下水水位监测等与水利相关的其他领域，具有潜在的应用价值和推广性。实际应用中，如何根据不同的实际应用对象，构建不同的基于蓝牙技术的手机信息汇聚框架，将是今后重点考虑的问题。