基于藍牙通信的流速流向采集系統設計

崔東鵬，郇　沖（山東省水文儀器研制中心，山東 濰坊 261031）

基于藍牙通信的流速流向采集系統設計

崔東鵬，郇沖
（山東省水文儀器研制中心，山東 濰坊 261031）

【摘要】針對傳統流速流向測量儀器存在著信號易受干擾、測量誤差大、電路復雜且故障率高的缺點，利用藍牙技術設計了一種簡單易用的流速流向采集系統，并對藍牙通信、各功能模塊及上位機軟件的設計，以及在水文測驗工作中的使用效果進行了闡述。

【關鍵詞】流速流向；藍牙通信；水文資料；水文測驗

流速的測量大都采用單點或多點非同步檢測的方法,測量結果需人工數據處理,易出現差錯。傳統流速流向測量儀器存在著信號易受干擾、測量誤差大、電路復雜且故障率高的缺點，而ADCP等類進口斷面監測設備，價格偏高，不利于推廣使用。

隨著科學技術的發展，對于水流模型不斷提出新的要求。新研制開發的測量儀器和系統是把流速測量和流向測量整合到一個儀器中，內部集成了一個流速儀和一個三維電子羅盤（流向測量），通過微處理器控制，可實時采集流速和流向，自動存儲測點的流速流向數據，并可與計算機通訊，由計算機提取測量記錄，供監控中心進行各種數據處理和計算。該儀器參數設置操作簡單，多行中文顯示，測點的流速、歷時、轉數及流速儀特征參數顯示直觀。

1　藍牙通信設計

1.1藍牙通信軟硬件設計

藍牙技術是一種全球統一的短距離無線通信標準，非常適用于水利水文儀器的短距離傳輸，本系統提出了一種基于藍牙主機控制接口的短距離通信方案。

藍牙技術的主要功能就是完成電纜替代，實現實時數據從傳感器到上位機的無線通信。藍牙功能共分兩部分：一是硬件部分，包括藍牙協議棧的無線收發層、基帶層和鏈路管理層；二是軟件部分，即藍牙高層協議棧。在非操作系統下，開發藍牙HCI協議，實現電纜替代功能。在應用中，系統可以利用這種方法直接控制藍牙模塊、建立兩藍牙模塊之間的ACL鏈路，從而實現HCIACL數據的傳輸。系統組成結構如圖1所示：

圖1藍牙數據傳輸系統組成結構圖

測流現場得到的流速流向數據存入數據轉換器，數據轉換器集成了CSR8635藍牙模塊，依照藍牙3.0規范對射頻、基帶、鏈路管理層進行控制，通過HCI層將實時數據傳入裝載嵌入式系統的平板電腦，通信采用透明協議，底層接口使用RS-232。在野外的水文測驗工作中，使用藍牙通信可解決接線不便的問題，避免短路、斷路情況的發生，提高系統的可靠性。

1.2藍牙系統性能的改善

本設計借鑒調頻通信中常用的自適應跳頻技術，使藍牙模塊在工作中自動避開被干擾的頻點，保持良好的通信性能。通過實驗，發現系統在普通環境中通信誤碼率可以控制在1%以內，強磁強電環境中通信誤碼率能達到90%，使用過程中應盡量遠離此類環境。水文測流工作多在野外，干擾源比較少，但需多注意高壓線、變電站等干擾源，盡量遠離。

2　硬件設計

硬件系統以STC12C5A32S2單片機為核心，并配以外圍電路及各功能模塊。考慮到流速流向儀的應用環境及可靠性要求，在具體的電路設計和芯片選型方面充分考慮了儀器的實際需求及抗干擾性能。

流速流向儀的硬件系統以STC12C5A32S2為核心控制器，采用模塊化設計方法，將整個硬件電路分成6大模塊：處理器模塊、流速監測模塊、流向監測模塊、藍牙通信模塊、電源模塊和監控系統。其中，流向監測模塊通過串口與微處理器相連，流速監測模塊連接到微處理器的外部中斷上。流速流向儀也提供了一個串行接口與監控系統相連。

2.1流向監測模塊設計

流向監測模塊采用ZCC330L-232三維數字羅盤，可通過磁阻傳感器感應地球磁場的磁分量，從而得出方位角度，并具有標定和傾斜補償功能。它與微處理器之間通過RS-232進行通信，輸出波特率可調，有連續輸出和詢問輸出兩種工作模式，可適應不同的工作環境。

儀器以懸索懸吊的方式入水，保證儀器在水下靈活轉動；采用雙尾翼結構，保證對準流向。此設計波浪影響小，動態特性良好，可最大限度地減小機械誤差。

2.2流速監測模塊設計

流速監測模塊采用LS25-1型流速儀改造，采用干簧管在磁場中的閉合形式來傳遞信號,與微處理器的外部中斷引腳連接。速度可由以下公式求出：

其中：T為單位時間；N為單位時間內測得的轉數；K為定值，在儀器中設置為0.25，可修改；C為修正值，在儀器中設置為0.001，可修改。

2.3時鐘電路設計

系統設計采用硬件日期時間電路PCF8583，是飛利浦公司生產的CMOS型實時時鐘集成電路，通過I2C總線與STC微處理器連接，占有系統I/O較少，具有日歷時鐘、定時、可編程定時中斷等功能，并提供256字節的低功耗靜態RAM，通信時無需片選信號。

2.4水下信號傳輸

入水流速部分采用轉子式流速儀采集，流向部分采用三維加速度傳感器采集。保留轉子式流速儀的部分身架并改裝以保持入水平衡，改造尾翼，固定好流向傳感器，所有接頭做好防水處理。

水下信號傳輸采用有線方式，水下探測器各密封部位均采用雙密封系統，能達到IP67的水密防護要求。傳輸信號線采用6芯貫芯屏蔽線纜，可有效抗干擾。

現場測流時，將數據轉換器通過航空插頭與承重電纜連接，承重線纜的另一端通過防水接頭與流速儀、流向模塊連接。數據轉換器通過藍牙發送數據給平板電腦，通過軟件直讀數據，后期亦可將數據傳輸到PC機上進行處理。

3　軟件設計

Android平臺的數據處理軟件使用JAVA開發，C/S架構，在eclipse中進行NDK開發，并重點對鍵盤和顯示等人機界面做了優化。軟件采用主循環加中斷處理程序的模式，主程序循環完成流速、流向的顯示刷新任務及鍵盤輸入命令，處理中斷處理程序主要有串口中斷處理程序、外部中斷處理程序、定時中斷處理程序等，外部中斷處理程序主要用來處理測速、鍵盤按鍵接收；定時器中斷處理程序用來處理液晶屏顯示任務；串口中斷處理程序包括串口1和串口2處理程序，分別用來處理與流向儀和監控系統的通信。

PC平臺的軟件采用C++Builder設計，使用Access數據庫，主要通過串行口提取流速流向中存儲的數據以及數據的查詢、統計功能。

4　結語

流速流向采集系統可以實現智能全自動信號處理，人機界面友好，操作簡單，信息顯示直觀全面，流速儀信號聲音指示，適合全天候流速流向檢測，測速完畢自動存儲站點流速和流向信息，可廣泛應用于江河及入海口的水文測驗工作。

（責任編輯張玉燕）

【中圖分類號】P33

【文獻標識碼】B

【文章編號】1009-6159（2015）-09-0032-02

收稿日期：2015-02-19

作者簡介：崔東鵬（1982—），男，助理工程師