传统的工业现场，包括各种传感器、控制器、仪器、仪表等设备， 其相互间的数据传送、数据采集均采用有线进行通讯。如果现场设备较 多，那么连接的电缆也将成比例增长。日积月累，越来越多的线缆星罗 棋布，给工业现场的操作造成极大的不便。而且，极易造成工业现场事 故的发生。其次，工业现场存在大量的临时的设备组接。传感器、仪表， 甚至控制网络都有可能仅需临时建立，用后即拆除。这样，对于这些临 时性的设备通讯，传统的有线连接显得十分的不方便。另外，对于大型 机器智能设备内部存在着各种传感器、执行器部件，各部件之间的协调 控制仍然需要有线线缆进行通讯。不仅占用一定的空间，而且给机器的 布局造成很大的麻烦。
综上所述，业界急需一种新型的数据传输方式，用以满足工业现场通 信灵活、快速、方便的需求。
近几年无线技术蓬勃发展，已经延伸到不同的应用领域，商用、民用、 工业都有着广泛的需求。特别的有三种主流的无线技术：无线局域网 (WLAN)、家庭无线网(HomeRF：Home Radio RF)、专有无线技术等得 到广阔的应用。三种技术各有千秋，分别适应不同的应用场合。
无线局域网：最早发展的无线网络技术，IEEE 802.11规范，通讯距离 较长(一般可达到300m)，速率高(802.11b：11Mbps，802.11a：24-54Mbps)， 同以太网无缝集成，一般适宜于大容量、高速、远距离、大范围、多设备 通讯的场合。缺点是设备较为昂贵，功耗高，目前主要应用在无线数据通 讯，企业局域网络等领域。
HomeRF网络：由HomeRF工作组负责开发，传输的速率和范围较 802.11低，定位于家庭设备的无线连接。HomeRF开发的初期得到很多大公 司的支持，但近年来，由于HomeRF标准没有完全公开以及抗干扰等问题 没有解决，再加上蓝牙的异军突起，发展得并不十分如意，一些大公司已 经宣布退出HomeRF阵营，转而支持其他无线技术。因此，发展前景不十 分看好。
专有的无线技术：为解决一些问题，国际上一些企业开发了专用的无 线解决方案。这些方案使用专门的通讯协议，虽然有其独特的优势，但价 格较为昂贵。而且由于使用了专有的通讯协议，不同厂家的设备不能相互 通讯，因而对于用户后期的设备更新、调换、维护造成了很大的麻烦。
上述无线通讯技术满足无线通讯领域的一些需求，但各自的缺陷又限 制了其自身应用的发展。另一种无线通讯技术“蓝牙”弥补了上述的不足。 蓝牙技术是一种基于开放的、统一标准的无线解决方案(IEEE已经通过了 802.15蓝牙协议标准)。不同厂商的设备可以无缝的集成在一起，相互进行 通信。蓝牙技术使用2.4GHz的ISM(Industrial，Scientific，and Medical) 频段，无需许可证(Licence)，给厂商生产、销售蓝牙设备以极大的便利条 件。而且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。
由于蓝牙技术的特点及优点，蓝牙无线传感器的开发就体现了其无线 的智能化的优越性。但在目前，成功地应用于工业现场环境下的蓝牙无线 传感器的相关报道尚未见报道。
实用新型内容
为了克服传统的、布满了千头万绪的电缆线构成的控制系统与改组时 带来的令人头痛的缺陷，本实用新型的目的是提供了一种基于蓝牙通信协 议的蓝牙无线传感器，以替代传统传感器而构成无线控制系统的解决方案， 取消设备间密密麻麻的连线。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：
本实用新型作为微网网络的一个单元，同上位机一起组成系统，主要 包括蓝牙无线模块、传感器模块，其中：
1)蓝牙无线模块
蓝牙无线模块通过其内部的微控制器运行蓝牙无线通信协议，提供蓝 牙查询、匹配、连接、数据传输的功能，并通过建立无线链路与其它蓝牙 设备构成蓝牙微网，同上位机实现相互通信的能力；
2)传感器模块
传感器模块，通过内部集成电路总线接口同蓝牙无线模块相连，完成 现场信号数据的采集。
其中所述蓝牙无线模块包括：
1)射频单元
射频单元(RF：Radio Frequence)包括发射器(Transmitter)、接收器 (Receiver)、高频电路(HFC：High Frequency Circuit)、天线(Antenna) 部分，主要用于接收基带单元数据，无线频段和信道的分配，以及无线信 号的发射和接收；
2)基带单元
基带单元为蓝牙无线通信协议的链路控制单元，接收来自微控制器的 信号和数据，转换后发送给射频单元，其包括基带协议和其它底层链路规 程，常用于物理信道、物理链路的控制与分组；
3)微控制器
微控制器通过内部集成电路总线接口与传感器模块相连，用于执行蓝 牙无线通信协议以及传感器控制程序；
4)存储器
存储器(Memory)，包括闪存和随机存储器，通过系统内部总线与微 控制器相连，其中前者以固件的形式，存放蓝牙无线通信协议和控制程序， 后者进行实际程序代码的执行，并且通过运行蓝牙无线通信协议同上位机 进行通信；
5)I/O单元
包括作为蓝牙无线模块(BM)同传感器模块(SM)连接接口的内部 集成电路总线(I2C)接口，用于实现程序固件下载的串行设备接口(SPI)， 用于实现控制程序调试的通用异步收发(UART)，用于实现指示蓝牙无线 传感器的状态和接收用户触发操作的可编程输入/输出(PIO)。
所述传感器模块(Sensor Module)通过标准的内部集成电路总线接口 同蓝牙无线模块中的微处理器相连，用于完成现场信号的采集；传感器模 块可以通过其自身的寻址寄存器(Address Register)进行寻址；传感器模块 采集的数据最终经蓝牙无线模块处理、转换，再发送到上位机进行进一步 处理；控制程序通过设置传感器模块相关寄存器值，完成现场数据采集的 控制、告警、范围限定等功能；
另外，可以由1～7个本实用新型蓝牙无线传感器构成传感器网络。
本实用新型是用来完成过程自动化或制造自动化领域中现场数据采集 与控制的蓝牙无线传感器设备。其核心技术——蓝牙无线通信协议，以v1.1 标准为基础，结合多种模拟信号的采集技术，是适用于工业现场控制的拥 有开放的无线蓝牙通信协议无线蓝牙传感设备。它具有如下优点：
1)可应用性
本蓝牙无线传感器可以应用于化工、石化、制药、冶金、采矿、电力、 食品加工、能源、数控系统等行业的自动化控制领域。
2)无线性
本实用新型应用的蓝牙技术最初是以取消连接各种电器之间的连线为 目标的。蓝牙技术主要面向网络中的各种数据及语音设备，如PC、拨号网 络、笔记本电脑、PDA、打印机、传真机、数码相机、移动电话、高品质 耳机等。本蓝牙无线传感器通过无线的方式将多个无线蓝牙设备连成一个 围绕无线的网络，省去了用户接线的烦恼，在各种便携设备之间实现无缝 的资源共享。
3)开放性
本实用新型应用的蓝牙无线技术具有与生俱来的开放性赋予了蓝牙强 大的生命力。从它诞生之日起，蓝牙就是一个由厂商们自己发起的技术协 议，完全公开，而并非某一家独有和保密，只要是SIG的成员，都有权无 偿使用蓝牙的新技术，而且蓝牙技术标准制订后，任何厂商都可以无偿地 拿来生产产品，只要产品通过SIG组织的测试并符合蓝牙标准后，品牌即 可投入市场。因此，本无线蓝牙产品具有较强的开放性。
4)互操作性和兼容性
本实用新型符合蓝牙规范的要求，保证了同不同厂商的蓝牙产品进行 通信的能力，本蓝牙无线传感器可以实现与其它厂家的蓝牙产品进行互操 作和数据共享，完全达到了兼容蓝牙无线通信协议的要求。
5)抗干扰性
本实用新型所使用的蓝牙无线传输技术相对于无线局域网技术(IEEE 802.11)同处于无许可证的全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学) 频段，但由于蓝牙无线模块设计了快速跳频及前向纠错方案以保证链路稳 定和传输可靠，使得本实用新型具有很强的的抗干扰能力。因此，本实用 新型可以在一定范围内同无线局域网技术共存。
6)安全性
本实用新型的输出功率小于10mW，是微波炉输出功率的十万分之一， 也仅仅是移动电话功率的一小部分，而且，这些输出中只有一小部分被人 体吸收。因此，本实用新型不存在一般高频无线传输的辐射问题，也不会 妨碍现场工作人员的身体健康，是安全的现场设备。
由于本实用新型有以上特点，特别是控制系统结构的简化和无线蓝牙 技术的使用，使控制系统从设备安装到正常运行及其检修维护，都体现出 优越性。如：
1)节省安装费用。由于采用了无线蓝牙技术，一个无线蓝牙发射模块 可以覆盖直径10米(加装功率放大器后可以到达100米)内的所有现场设 备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设备与接头校对 的工作量也大大减少。当需要增加现场设备时，无需增设新的电缆，即可 直接使用，既节省了投资，也减少了设计、安装的工作量。
2)节省维护开销。由于本实用新型采用了带有智能传感器单元的传感 器模块，具有自诊断与高温温度报警的能力，并通过数字无线通讯将相关 的报警信息送往其它蓝牙接收设备，用户可以查询所有设备的运行情况， 以便早期分析故障原因并快速排除，缩短了维护停工时间；同时由于系统 结构简化，减少连线而减少了维护工作量。
3)提高了系统的安全性，本蓝牙无线传感器具有匹配认证机制，认证 采用口令应答方式进行。在连接过程中往往需要一两次认证。为了确保通 信安全，通过认证之后，可以允许用户自行增添可信任的“蓝牙”技术设 备。本蓝牙无线传感器采用安全加密方式，是为了给本产品提供适当级别 的安全保护。但是，如果用户的通信很重要，对于通信有着更高的安全要 求，那么，其本蓝牙无线传感器就不必局限于单独的匹配认证机制，还可 以采用更高级别的应用层安全机制，以确保基于“蓝牙”技术无线传感器的通 信更加安全可靠。
4)提高了系统的准确性与可靠性。由于本实用新型的智能化、数字 化，与模拟信号相比，它从根本上提高了测量与控制的精确度，减少了 传送误差；同时由于系统的结构简化和无线蓝牙技术的使用，设备与连 线减少，传感器内部功能加强，减少了信号的往返传输，提高了系统的 工作可靠性。
5)易于管理、监控。采用本实用新型模拟的传感器和微微网的无缝集 成，现场数据的传输没有方向上的限制，可以从各个角度进行测控数据的 传输；可以应用于移动设备；可以实现多个测控仪器设备间的联网，便于 进行集中测控；利用现有的蓝牙网关设备可以将采集到的信息连接到以太 网中，实现数据的远程监控。
附图说明
图1是由本实用新型蓝牙无线传感器组成的微网网络的结构图。
图2是本实用新型蓝牙无线传感器硬件结构图。
图3是本实用新型蓝牙无线传感器硬件原理图。
图4是本实用新型蓝牙无线传感器软件结构图。
图5是本实用新型蓝牙无线传感器控制程序流程图。
图6是本实用新型蓝牙无线传感器软件层次数据流程图。

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。
如图1由蓝牙无线传感器构成的微网网络结构图所示，本实用新型蓝 牙无线传感器可以同任何其它符合蓝牙通信规范的蓝牙设备组成微网网 络，可以最多7个蓝牙无线传感器构成传感器网络(可动态变化)，并且同 上位机一起组成系统，进行现场信号的数据采集和设备监控。
其中，蓝牙无线传感器主要包括两大模块：传感器模块SM和蓝牙无 线模块BM。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， 使得传感器设备满足蓝牙无线通信协议规范，并将现场数据通过蓝牙无线 通信传送到其它蓝牙设备当中。两模块的任务调度、相互间的通信，以及 同上位机通信的流程由控制程序控制完成。控制程序包含一种调度机制， 并通过消息传递的方式完成模块间的数据传递以及同其它蓝牙设备的通 信，从而完成整个蓝牙无线系统的功能。
蓝牙无线传感器可以作为工业控制网络的一部分同本图中的上位机一 起构成完整的系统。其中上位机并不依赖于特定的设备，可以是计算机软 件组成的系统也可以是独立的嵌入式蓝牙设备，本实用新型蓝牙无线传感 器可以同满足了蓝牙传感器规范Bluetooth Sensor Profile的任何其它蓝牙设 备相互进行通信。本实施例为计算机组成的系统，该系统运行蓝牙传感器 网关应用程序(Bluetooth Sensor Gateway App)。此时，蓝牙无线传感器作 为现场总线HSE(High Speed Ethernet)网络的无线I/O设备存在。网关应 用Bluetooth Sensor Gateway App通过蓝牙无线通信将现场数据采集上来， 并经过HSE协议的进一步转换、封装，最后传递到工业以太网中的其它设 备。其中HSE是高速以太网的简称，是现场总线关于工业以太网的一种通 信协议，常用于自动化流程控制。
如图2蓝牙无线传感器硬件结构图所示，表示了蓝牙无线传感器内部 的硬件组成。其中基带单元BB和射频单元RF构成了蓝牙无线传感器的无 线发射部件，完成信道分配、链路创建、控制数据分组等功能。最后，数 据转换成无线信号通过天线发射出去；基带单元BB，为蓝牙无线通信协议 的链路控制单元，接收来自微控制器MCU的信号和数据，转换后发送给射 频单元RF；微控制器MCU，通过其内部集成电路总线I2C与传感器模块 SM相连，用于执行蓝牙无线通信协议以及传感器控制程序；
传感器模块SM采用数字采集芯片AD7416，包括A/D转换、存储寄存 器、通信I/O等部件，并通过标准内部集成电路总线接口I2C与系统相连。 传感器模块SM完成系统的现场数据采集功能。
现场数据的采集和无线通信由控制程序进行控制，控制程序存储于闪 存Flash中，系统加电启动时传输到随机存储器RAM中，并在微控制器 MCU的控制下运行。微控制器MCU相当于计算机的中央处理器，连接系 统的各部件，完成系统的控制、运算、通信等功能，并负责调度系统的执 行。
此外，蓝牙无线传感器还包括了一些外部通信接口组件，如：串行设 备接口SPI、可编程输入/输出PIO、通用异步收发UART、内部集成电路总 线接口I2C等，在本系统中分别用于完成程序下载、状态指示和用户操作 接口、程序调试、模块间通信等功能。这些组件连接到微控制器MCU的系 统总线接口。
如图3蓝牙无线传感器硬件原理图所示，本实用新型的硬件部分是以 蓝牙无线模块BM为核心，添加多种外围接口和传感器模块SM以及电源 模块等外围电路组接而成的无线设备，能够兼容蓝牙集成开发环境下载， 调试以及固化程序等需求。由于其置有多种通信接口，因此可由多种方式 同上位机进行通讯，结构较为灵活，调试也较为方便，最终完成温度采集 的功能，并通过蓝牙无线模块BM将采集来的温度信号以无线的方式发射 到其它蓝牙设备，以供其监控和采集现场的温度信号。与上位机一起构成 无线接入系统。可方便灵活地适用与许多无法铺设电缆或很难铺设电缆的 工业现场环境。
本实用新型采用现场较多的+24v电源作为外部电源(支持18-36v电 压)。此电源经过DC-DC模块，将外部的24v电源转换成为+5v电源。此 电源经过一次滤波后传给另外第一～三低压差稳压器W1、W2、W3，+5v 电源稳到3.3v左右以供板上各个器件和蓝牙无线模块BM供电，由于考虑 到各部分电路之间的隔离，以达到抗干扰的目的，因此采用了三个稳压芯 片，输出三个3.3v左右的电源：+3.15vm，+3.15_RADIO，+3.15_PA；其中 +3.15vm是蓝牙无线模块BM除外的供电电源，而+3.15_RADIO和+3.15_PA 则是专门给蓝牙无线模块BM内部的发射电路和功率放大器提供电源支持 的。
串行设备接口SPI作为程序的下载接口拥有收发信号线SPI_MOSI， SPI_MISO，片选信号线SPI_CSB，时钟同步信号线SPI_CLK。此四根线通 过板上的接口同上位机的并口相连，将上位机已经编译好的可执行代码通 过此通路下载到(经第一接口驱动部件U1)蓝牙无线模块BM的微控制器 MCU中去。
通用异步收发UART采用9针D型插座作为其物理接口，以此作为本 实用新型同上位机的通讯接口。在已下载程序运行时，上位机可通过此接 口对蓝牙无线模块BM内的微控制器MCU中的寄存器进行访问。这样，在 程序调试时就可以实时地对系统的状态进行监控和调整。本实用新型采用 MAX3232芯片作为串行接口部件U3。通过此芯片将蓝牙无线模块BM内 的微控制器MCU上的通用异步收发UART引脚接线引出。参见图3，微控 制器MCU上的通用异步收发UART共有4根：UART_TX，UART_RX， UART_RTS，UART_CTS，这4条线分别与第二接口驱动部件U3上的 RS232_TX，RS232_RX，RS232_RTS，RS232_CTS相连接，将微控制器 MCU上的通用异步收发信号转为符合RS232标准的差分信号，本实用新型 就是通过这种物理转接方式来实现开发板同上位机或其它物理设备之间的 通讯或扩展连接。
本实用新型传感器模块SM选用AD7416芯片，为美国模拟器件公司 (ADI)出品的单片温度监控系统集成电路。其片内寄存器可以设置高/低 的温度门限；可以通过I2C接口对内部寄存器进行读/写。其内部包括带隙 温度传感器和10位模数转换器，可将感应温度转换为0.25℃量化间隔的数 字信号，与用户设置的温度点进行比较。片内寄存器可以设置高/低的温度 门限，当温度超过设置门限时，过温漏级开路指示器(OTI)输出有效信号。 可以通过I2C接口对内部寄存器进行读/写，最多允许8片AD7416挂接 同一串行总线。其片内的带隙温度传感器可按预先设置的工作方式对环境 温度进行实时测量，并将结果量化为数字量存入温度值寄存器(地址00H)。 预先设置的工作方式分两种：本设计采用第一种工作模式--自动测温方式。 在这种方式下AD7416每隔400μs对环境温度测量一次，每次量化转换时 间15～30μs，其余时间芯片自动转入休眠状态。
图中所述的十根I/O总线是蓝牙无线模块BM中微控制器MCU上部分 可编程的通用的I/O口线。这些I/O口线除了可以作一般的I/O线使用，还 可以通过编程，使它们复用为其它用途。那么，在用作其它用途时本实用 新型将它们从逻辑上连接到可编程输入/输出PIO上。这样，我们就能够实 时地监测到这些I/O口线上的数据情况。并且，通过本实用新型的SUB口， 还可以将这些I/O口线上的信号连接到板外进行监测(例如，用示波器可以 非常方便地检测到这些信号)。此处在可编程输入/输出PIO和I/O口线之间 架设第二驱动部件U2(74LCX541WM)也是为了增加线上信号的驱动能力 和起到逻辑传输和电器隔离的作用。
本实用新型所述蓝牙无线模块BM为蓝牙无线传感器的核心部分，其 中包括：
1)蓝牙无线模块BM主芯片：BC212015ADN-E4；
2)4Mb的FLASH：SST39VF800-90-4C；
3)射频单元RF发送和接收电路。
蓝牙无线模块BM主芯片BC212015ADN-E4，采用了两块芯片构成一 个芯片组，一块是射频单元RF芯片，另外一块是基带控制BB芯片，共同 构成蓝牙主功能模块。这两块芯片再加上外加的闪存Flash、随机存储器 RAM、天线和电源芯片就可以构成了一个蓝牙无线模块BM，构成本实用 新型的心脏部件。
关于蓝牙无线模块BM的构造和使用，其中射频芯片是采用BiCOMS 工艺制造的高集成度芯片和一个的晶振，它通过串行接口总线(serial interface bus)、选通信号(strobe signals)以及相关接口构成一个完整的蓝 牙无线模块BM。蓝牙无线模块BM还包含了一个以精简指令集(RISC) 核心的微控制器MCU，可以用来运行控制程序以及蓝牙协议栈。并且提供 了USB和UART/PCM两种方式的主机控制器接口HCI，极大方便了硬件 设计。另外，在当今对芯片功耗要求日益苛刻的情况下，射频芯片和基带 控制芯片均采用1.8V工作电压，以保证降低功耗，延长电池寿命，尤其对 于各种便携设备的适用性。
图4表示本实用新型蓝牙无线传感器的内部软件结构，最底层是应用 程序接口API，由相关的函数库、硬件接口程序组成，构成了整个系统软件 框架的基础。应用程序接口API上层是任务调度TS模块和蓝牙协议栈BPS。 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TS模块是用户应用程序UI的基础，而蓝牙协议栈BPS则 保证了本实用新型符合蓝牙无线通信规范的要求。再上层是用户控制程序 模块，由蓝牙连接管理CM、应用程序框架FW、用户应用接口UI和数据 采集DC模块组成，构成了用户控制程序的主体，主要用于蓝牙无线通信的 匹配操作和连接管理、用户交互、状态指示和现场数据采集的操作和存储。 控制程序依功能按层次进行划分，每部分执行特定的功能，层次间由消息 机制进行通信。这种结构保证了系统的模块化设计，便于系统的扩充和调 试。
图5表示蓝牙无线传感器控制程序流程：设备加电启动，首先进行系 统初始化处理，包括初始化蓝牙无线模块BM可编程输入/输出PIO、串行 设备接口SPI、设置传感器模块SM寄存器值等操作，设定系统到特定的工 作状态；初始化系统之后，设备开发工作，并等待其它蓝牙设备的匹配和 连接。一般由上位机发起连接请求，在双方正确匹配(身份验证)之后， 连接方能建立成功；此时，上位机可以请求进行数据采集，收到请求后， 蓝牙无线传感器驱动数据采集DC模块采集数据，对数据进行转换和存储， 然后再发送到上位机。此过程循环进行，直到通信双方请求断开连接。另 外，传感器还具有告警功能，当现场采集的数据超出预先设定的范围，则 进入告警程序，提醒用户进入非正常状态。此时，用户可以选择下一步的 操作。预设值可在系统初始化时由用户指定。
图6为蓝牙无线传感器软件层次数据流程：设备首先接收来自上位机 的数据信号，数据信号经蓝牙协议栈BPS的变换，发送给上一层蓝牙连接 管理CM进一步处理。每一层从底层接收数据，向上层传递，在到达顶层 进行数据采集操作，然后将采集得来的数据向相反的方向传递，直至传递 给蓝牙协议栈BPS，最后将数据返回给上位机。每一层数据以消息的形式 进行传递，消息的内容可以是请求、确认、指示和响应，这些消息携带指 令或是数据。
本实用新型解决了以下几项关键技术：
1)本实用新型解决了如何将离散的信号采集模块无缝接入蓝牙微网， 且可以通过蓝牙微网将现场的模拟信号经过处理发送给其它蓝牙设备的问 题，从而在微网中可以透明访问各无线采集节点；
2)本实用新型中的蓝牙连接管理模块完成蓝牙设备“连接管理”的功 能，该功能的实现满足在两个对等设备采用RFComm建立仿真串行线缆连 接所必须的蓝牙设备的要求，并符合蓝牙GAP和SPP规范的要求，使得蓝 牙无线传感器设备可以同任何符合蓝牙协议规范的其它设备建立连接；
3)本实用新型提供蓝牙设备间相互通信的透明访问，使得蓝牙无线传 感器设备可以同任何符合BSP(Bluetooth Sensor Profile)规范其它设备进 行数据交换；
4)本实用新型提供了蓝牙无线微网到现场总线的无缝集成。