低功耗藍牙模塊在智能水表中的應用探討

許潔瑩 李建民

三川智慧科技股份有限公司 江西 鷹潭 335200

引言

低功耗藍牙相較于普通藍牙，二者之間存在一定的區(qū)別，前者可以在達到簡單數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，降低功耗。簡言之，就是在性能上優(yōu)于低耗能藍牙。傳統(tǒng)藍牙模塊的供電方式為紐扣電池供電，與低功耗要求不符，而低功耗藍牙模塊可以使這個問題得到解決。因此對此項課題進行研究，具有十分重要的意義。

1 低功耗藍牙的系統(tǒng)結構和功能特點

1.1 低功耗藍牙的系統(tǒng)結構

低功耗藍牙由三個部分組成，主要包括控制器、主機和應用程序。對無線電信號的來源進行傳播和接收，并在此基礎上，翻譯信息使其成為完整的數(shù)據(jù)載體，是控制器的主要功能。主機管理是指對于兩臺或兩臺以上設備之間進行信息通信，以及如何使用無線電，為設備之間提供多種服務項目。應用程序功能的實現(xiàn)，需要借助應用程序和控制器。主機中還存在三個協(xié)議，分別是邏輯鏈路的有效控制和適配協(xié)議、屬性協(xié)議和安全管理器協(xié)議和通用性規(guī)范。基于上述三個協(xié)議，控制器可以通過天線與外界相連，之后通過控制連接口連接主機。

1.2 低功耗藍牙的功能特點

低功耗藍牙模塊的實質為高性能物聯(lián)網(wǎng)無線收發(fā)器，具有分布無線通信領域的作用，與普通藍牙模塊相比，低功耗藍牙模塊的特點主要體現(xiàn)在以下方面：第一，功耗低；第二，體積小；第三，傳輸距離遠和抗干擾能力強。此外，低功耗藍牙模塊在運行期間所運用的電流主要以低發(fā)射和接收電流為主，這種電流屬于睡眠電流，因此在人們的居住場所中較為適用，不會使人們正常生活受到影響[1]。

2 低耗能藍牙在智能水表中的應用

2.1 硬件電路設計

2.1.1 電池電壓檢測電路。電池電壓的檢測方式為ADC模塊檢測，該模塊的參考電壓數(shù)量為兩個，分別為芯片內部自帶參考電壓和經過穩(wěn)壓芯片后為系統(tǒng)提供的電壓，其中前者的電壓值為1.225V。電池電壓檢測方式包括兩種，一種是掉電檢測，另一種是低電壓檢測。在檢測低電壓的同時，還要做好負載檢測。

2.1.2 計量。用水量計量需要借助雙干簧管實現(xiàn)，供電方式以脈沖供電為主，頻率為1Hz，采樣延時為5ms，在干簧管吸合時間不超過2s時，斷開時間如果同樣少于2s，則表明該脈沖有效，而兩個脈沖的間隔時間應大于3s。假設用水計量計為0.1m3，電子計量最大范圍可達6.5萬m3。

2.1.3 閥門控制。本文所研究的智能藍牙水表，將H橋式電路作為閥門硬件驅動，通過這種方式對電機正反轉進行控制，H橋式驅動電路由6個三極管構成，該電路可以提供驅動電流。在執(zhí)行開閥操作的過程中，由驅動電路輸出高電平，驅動電機正轉，在執(zhí)行閉閥操作時，則驅動電機反轉。

2.1.4 低功耗藍牙。為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男剩悄芩{牙水表對BLE模塊和安卓系統(tǒng)進行了應用，單片機的通信，主要依靠串口和模塊。在研究后得知，BLE模塊的有效傳輸距離多達10m，最低工作電壓為2V，而最大工作電壓為3.6V。為節(jié)約耗能可以把模塊設置成從機廣播模式，關閉內部EN，將廣播間隔調整為2s。

2.2 軟件設計

水表的充值模式為預付費模式，簡言之，就是先交錢后用水，而表內的扣費模式為實時扣費，計算公式如下：預存金額-累計用水量×單價=剩余金額。水表所支持的模式包括兩種，分別為階梯水價和單一水價，其中，前者以月階梯為主。在余額不足時，水表會在報警后關閉閥門，讓用戶接收到充值消息。水表還具備維護閥門的功能，避免閥門因故障而停止運行。水表采用低耗能設計，其芯片運行模式為活躍停機，簡言之，就是芯片在進入睡眠模式前會保存配置，并在睡眠模式結束后還原配置，這里所說的配置主要是指ADC模塊、引腳配置和模塊時鐘。智能藍牙水表的連接方式被分為兩種，一種是低功耗藍牙；另一種是手機藍牙連接，數(shù)據(jù)交互方式為無線網(wǎng)。其中，幀頭和幀尾都有固定的數(shù)值，前者為0×5A，后者為0×4A。長度為功能碼與校驗碼之間的字節(jié)數(shù)，可以用3+N進行表示，其中N的取值范圍由發(fā)送內容所決定，通常情況下不會超過6。功能碼主要為水表的各項參數(shù)，比如：用水量、價格等。智能藍牙水表的校驗方式為CRC-8，為使數(shù)據(jù)傳輸過程中的準確性得到保證，校檢數(shù)據(jù)范圍是長度到內容間的全部數(shù)據(jù)。為確保數(shù)據(jù)傳輸安全，在設計過程中應用了加密算法[2]。

2.3 測試結果

在智能藍牙水表設計完成后，對其各項性能進行了檢測，包括數(shù)據(jù)傳輸是否可靠、閥門開關性能、功耗、電池電量性能等。實踐結果表明，在通信距離≤6m時，數(shù)據(jù)傳輸質量和閥門控制效果最佳。在應用低功耗藍牙模塊之前，智能水表的耗能為16.2mA，在應用后，水表耗能下降到了25mA。由此可見，本文所研究的智能水表，在性能和功耗方面均符合要求。

3 結束語

綜上所述，智能水表作為智慧水務管理系統(tǒng)重要組成部分，其能耗高低與智慧水務管理效率和質量密切相關。建議有關部門重視低耗藍牙模塊在智能水表中的應用，并在此基礎上設計低耗能的智能水表，從而滿足智慧水務管理系統(tǒng)的需求。