摘要：針對燃氣流量計量現場傳統的有線通信和RF、紅外等短程無線的不足，伴隨著現代物聯網技術和低功耗技術的發展，研制了一種基于藍牙的可充電外掛轉換模塊。對基于藍牙的可充電外掛轉換模塊在硬件與軟件方面的設計進行了介紹，并對相應的設計要點進行了闡述。

　　關鍵詞：藍牙;外掛;模塊

　　0引言

　　目前能源緊張與環境污染問題日趨嚴重，全球正在推進高效、清潔、多元化能源轉型，天然氣作為一種清潔、廉價的能源成為首選，未來將成為全球第一大消費能源。天然氣和水、電能源一樣，在貿易計量結算時，傳統抄表方式往往采用外勤人員上門巡檢、抄表，人工抄表頻次低、效率低、管理成本較高，且對儀表本身來說，儀表狀態、故障反饋的實時監控度差等產生的供銷差問題一直存在。

　　而在非貿易的工業計量、過程監控領域，傳統多采用有線的通信方式，例如RS485總線、4mA～20mA、HART等。有線方式存在架設成本較高、傳輸距離有限、易受外部干擾、可靠性較低等缺點。

　　隨著互聯網和無線通信技術的不斷發展，物聯網技術成為又一次信息產業的革命，于是基于新一代物聯網技術的智能燃氣表應運而生。應用于智能儀表的物聯網業務的無線通信技術按距離可分為兩類，一種為廣域低功耗的物聯網技術以LoRa、Sigfox、GPRS\CDMA、NB-IoT、LTECat-m等為代表，一種為短程無線技術以Zigbee、Bluetooth、Wi-Fi、RF射頻等為代表。綜合考慮應用場景和技術特點認為作為新物聯網技術的NB-IoT和BLE低功耗藍牙更符合無線通信修正儀的應用要求。基于此設計了一種基于藍牙的可充電外掛轉換模塊[3-5]。

　　1系統硬件電路結構原理

　　2系統硬件與軟件方面的設計

　　2.1MCU選型

　　由于藍牙轉換模塊要求體積小，所以微處理器需為小封裝，再從性價比穩定性方面考慮，PIC24FV32KA301可為不錯的選擇。PIC24FV32KA301是Microchip公司生產的一款具有XLP技術的20腳SSOP封裝通用16位閃存單片機，具備雙串口，FLASH空間32K，SRAM空間2K，并且具有以下一些特點：

　　1)超低功耗PIC24FV32K301工作在8MHz時鐘條件下時，休眠模式(CPU、閃存以及外設不工作，SRAM工作)電流為8uA，工作電壓為2.0V～5.5V。

　　2)模擬特性最多16路通道的12位模數轉換器，100ksps轉換速率，休眠和空閑期間可進行轉換，可選擇片內參考電壓。

　　3)其他特殊性能用于休眠/深度休眠的超低功耗喚醒(ULPWU)功能;標準看門狗定時器(WDT)，帶片上低功耗RC振蕩器以便可靠工作;通過兩個引腳進行在線編程(ICSP)和在線調試(ICD)。藍牙轉換模塊的串口二通過UART接口與藍牙模組相連，串口一通過RS485芯片實現與流量計相連[2]。

　　2.2藍牙模組選型

　　選用綠鯨科技有限公司的E66A標準透傳模組，小尺寸(21mm×12.6mm)，板載天線，模塊功耗低，支持BLE4.0/4.2通信協議。經過前期的反復測試，最后將模組參數配置確定為2s間隔廣播、100ms間隔連接、19200串口波特率、-12dBm發射功率、TANCY+6個字節設備名稱，模組2s間隔廣播時(一直有信號)功耗為10uA，處于100ms連接狀態時功耗為60uA，該參數模式下藍牙信號覆蓋范圍約為2m。

　　該藍牙模組具有以下特點：跳頻：使用所有藍牙規范版本通用的自適應跳頻，最大程度地減少和其他2.4GHzISM頻段無線技術的串擾。主控制：更加智能，可以休眠更長時間，只在需要執行動作的時候才喚醒。延遲：最短可在3ms內完成連接設置并開始傳輸數據。健壯性：所有數據包都使用24-bitCRC校驗，確保最大程度抵御干擾。安全：使用AES-128CCM加密算法進行數據包加密和認證[4,5]。

　　2.3升壓和充電電路

　　藍牙轉換模組在與流量修正儀進行通訊的同時，還需要為流量修正儀提供24V外電源，采用AIC1896升壓芯片將3.7V鋰電池電壓升壓成24V，升壓芯片不使能時輸出電壓等于輸入的鋰電池電壓，鋰電池電壓通過LT1521-3.3穩壓芯片給藍牙芯片和MCU提供電源。TP4056是一款完整的單節鋰電池線性穩壓器，可以通過USBType-C數據線和電源適配器對電池進行充電。當電池電壓小于3.4V時，就需要用USBType-C數據線給藍牙模塊充電，2～3個小時即可充滿，充滿電時電池電壓為4.1V[1]。

　　2.4模組狀態指示燈

　　藍牙轉換模組上面一共有3個模組狀態LED指示燈，D12燈亮起時表示模塊成功連上手機，熄滅時表示與手機斷開;D14燈亮起時表示藍牙模組有數據發給MCU;D13燈亮起時，表示藍牙模組處于喚醒狀態，此時MCU正有數據傳輸給藍牙模組，熄滅時藍牙模組處于休眠模式[5]。

　　2.5MCU軟件設計

　　藍牙轉換模組采用低功耗方式進行通信處理，利用串口中斷喚醒MCU。當藍牙轉換模組與手機APP沒有數據通訊時，MCU處于休眠模式，此時藍牙轉換模組有兩種狀態：一種是處于廣播狀態，但未與手機APP連接，整個電路板功耗為100uA;一種是處于廣播狀態，并與手機APP連接，整個電路板功耗為150uA。

　　在沒有與手機APP進行數據通訊狀態下電池可以運行2年。當MCU檢測到手機APP有報文數據下傳，串口二在接收數據時，MCU同時使能升壓電路輸出24V給修正儀供電，并退出休眠模式，打開內部定時器，喚醒藍牙模組，定時1.5s后通過串口一轉發串口二接收的命令報文數據(例如讀實時數據命令、讀歷史數據命令等)，當流量計接收到命令后，回傳數據包給串口一。

　　串口一接收的數據如果超過200個字節，則需要分包發送(藍牙模組單次最多只能發送200個字節，而后需要延時至少5ms，否則會導致藍牙模組擁塞造成數據不能成功發送)，即串口一每接收200個字節，串口二就用查詢方式轉發這200個字節，同時串口一持續在接收新的數據，等最后接收到的不大于200個字節的一幀數據接收發送完，則MCU將一些標志字節恢復為初始狀態并執行不使能升壓電路、休眠藍牙模組、定時器關閉、進入Sleep模式等操作以保證低功耗，如果超過3s串口一沒有收到回傳數據，則認為數據掉線，MCU執行以上同樣的操作。軟件使用芯片內部看門狗，2.5s溢出，在主函數中執行喂狗指令，有數據通訊時打開內部看門狗，無數據通訊時MCU處于休眠模式時，關閉內部看門狗[1,2]。

　　2.6手機端APP軟件

　　手機APP是基于安卓系統開發的智能手機應用程序，打開軟件后要先搜索藍牙信號，當搜到藍牙模塊的ID“TANCY+6個字節”時，點擊連接，一個藍牙模塊只能同時被一個手機APP連接，即點對點網絡，手機APP是主機，藍牙模塊是從機。前期經過反復測試，當修正儀上傳的數據量比較大時，例如上傳小時記錄往往有幾十K或者幾百K個字節，這時將藍牙模組的連接間隔設置為100ms就可以完整地將這么多數據發送給手機。連接間隔100ms的意思就是E66藍牙模組每隔100ms將收到的數據發送出去，還有一個MTU參數(MaximumTransmissionUnit,最大傳輸單元)以設置為100為最佳，這個參數需要主機手機APP設定。

　　3結束語

　　為了響應國內燃氣計量和儀表智能化、物聯網化的號召，本文設計了一款基于藍牙的可充電外掛轉換模塊。該模塊采用藍牙無線技術，具有低發射功率、低成本和短距離通信以及PIC單片機穩定低功耗的特點，可方便快捷地對氣體流量計修正儀進行參數配置和數據讀取。相信隨著藍牙無線通信和移動互聯技術的普及，該模塊會得到廣泛的應用[2,3,5]。

　　參考文獻：

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　　金純,肖玲娜.超低功耗(ULP)藍牙技術規范解析[M].

　　北京:北京國防工業出版社,2010.

　　相關論文范文閱讀：基于藍牙識別的反向尋車系統

　　摘要:隨著我國汽車保有量的增加，大型地下停車場也逐漸增多，滿足了人們停車需求的同時，也帶來了尋車困難等諸多問題。提出了利用藍牙技術進行停車場內反向尋車的理念:通過手機藍牙與停車場內iBeacon設備的BLE(低功耗藍牙)技術進行區域劃分，手機終端進行信息處理并提出尋車路線，完成離線導航。在MATLAB環境下進行了試驗模擬，結果表明系統具有較強的實用性和便利性。該技術擺脫了傳統尋車系統對GPS信號的過度依賴，形成了以iBeacon“定位信號”為核心的全新定位、導航模式。