物联网传感器技术：无线智能网络

无线智能网络传感器多用在无人和偏远地区，以及战场等特殊的环境下，无线接入方式在很多场合都得到应用，以取代原有的有线接入方式，使无线智能网络传感器成为传感器发展的一个重要方向，无线智能网络传感器系统是新一代传感器系统，较有线智能网络传感器系统的优势在于易部署、扩展性好、容错能力、移动性强。目前比较常用的无线通信技术有蓝牙技术（IEEE 802.15.1）、射频技术（RF）、超宽带无线技术、ZigBee技术（IEEE 802.15.4）等。

蓝牙传感器系统是一种无线数据与语音通信开放性全球规范的、由Ericsson、IBM、In-tel、Nokia和Toshiba等公司于1998年联合主推的一项最新的短距离无线通信技术，是实现语音和数据无线传输的开放性规范，其实质是建立通用的无线空中接口及其控制软件的公开标准，使不同厂商生产的设备在没有电线或电缆相互连接的情况下，能在近距离（0.1～100m）范围内使用，最大符号速率为1Mbit/s，将各种移动与固定通信设备、计算机及其终端设备等连接起来，具有互用、互操作的性能，在小范围内实现了无缝的资源共享。集成了蓝牙技术的设备体积小、功耗低、价格便宜，适合于工业设备的成本控制和运行开销，从而满足大量产品应用的需求，可广泛应用于工业现场、自动控制等领域。

采集测控现场数据经常遇到大量的电磁干扰，而蓝牙因采用了跳频扩频技术，故可以有效地提高数据传输的安全性和抗干扰能力，无需铺设电缆线，降低了环境改造成本，方便了数据采集人员的工作；没有方向上的限制，可以从各个角度进行测控数据的传输；可以实现多个测控仪器设备间的连网，便于进行集中测量与控制。蓝牙在测控系统的无线测量、监控、保护、自动控制以及生产线综合自动化测控和无线网络化测控系统等方面有着很强的应用能力，使测控系统移动数据交换，无线网络化、透明化和一体化成为可能，扩大和增强了测控系统的功能。

蓝牙技术有许多优点还在于它的工作频段通用，使用方便、安全，抗干扰能力强，兼容性好、尺寸小，功耗低、多路多方向连接。鉴于蓝牙技术的特点及优点，提出了一种蓝牙无线传感器来替代传统的传感器，从而构成蓝牙无线传感器控制系统，消除设备间繁琐的连线。蓝牙无线传感设备不同于传统电子设备间一对一的连接，而是一点对多点的连接。这种通过无线电波进行无线连接的方式可使多个智能的现场设备相互对话和互通信息，从而彻底消除了传统工业现场中难以理清的缆线，不同类型的接线板（它是信息传递技术中的致命弱点）也随之消失。

蓝牙无线传感器系统主要包括传感器模块和蓝牙无线模块。前者主要用于进行现场信号的数据采集，将现场信号的模拟量转化为数字量，并完成数字量的变换和存储。后者运行蓝牙无线通信协议，使得传感设备满足蓝牙无线通信协议规范，并将现场数据通过无线的方式传送到其他蓝牙设备中。模块之间的任务调度、相互通信，以及与上位机通信等过程由控制程序实现。控制程序包含一种调度机制，利用消息传递的方式实现模块间的数据传递，以及与其他蓝牙设备的通信。其结构如图5-6a所示。

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图5-6 蓝牙无线传感器结构

在蓝牙无线传感器中，还包括一些外部通信接口组件，如串行设备接口、可编程I/O接口、通用异步收发接口、内部总线接口等。这些通信组件接口连接到微控制器的系统总线接口后，可分别用于程序下载、状态指示、用户操作、程序调试，以及模块间通信等功能。典型蓝牙传感器内部软件结构如图5-6b所示，这构成了整个系统软件框架的基础。应用程序接口的上层是任务调度模块和蓝牙协议栈。前者用于系统各任务的创建、执行和通信，后者执行蓝牙无线通信的底层协议。任务调度模块是用户应用程序的基础，而蓝牙协议栈则保证了蓝牙无线传感器符合蓝牙无线通信规范的要求。蓝牙无线传感器可与任何其他符合蓝牙通信规范的蓝牙设备组成微网。在微网中，蓝牙设备数量不超过8个，只有1个蓝牙设备是主设备，但是可以有7个从设备，连同上位机一起组成控制系统，进行现场信号的数据采集和设备监控。如IEEE 1451.2标准和蓝牙技术结合起来设计成无线智能网络传感器，以解决原有有线网络传感器的局限。若无线网络传感器由智能变送器接口模块（STIM）、蓝牙模块和网络能力应用程序（NCAP）模块共3部分组成，在STIM和蓝牙模块之间是IEEE 1451.2协议定义的8线TII（变送器独立接口）。蓝牙模块通过TII与STIM相连，通过NCAP模块与互联网相连，承担了传感器信息和远程控制命令的发送和接收任务。NCAP通过分配的IP地址与网络（内联网或互联网）相连。

无线智能网络传感器与有线智能网络传感器比，除增加了两个蓝牙模块外，其余部分基本一致。对于蓝牙模块部分，标准的蓝牙电路使用RS-232或USB接口，而变送器独立接口TII是一个控制链接到它的STIM的串行接口。因此，必须设计一个类似于TII的蓝牙电路，构造一个专门的处理器来完成控制STIM和转换数据到用户控制接口（HCI）的功能。国外有不少公司已推出了基于蓝牙技术的硬件和软件的开发平台，如爱立信的EBDK蓝牙开发系统、AD公司的QSDKe快速开发系统，利用开发系统可方便、快速地开发出基于蓝牙协议的无线发送和接收的模块。其体系结构如图5-7所示。

图5-7 无线智能网络传感器体系结构