胡志健1，张中炜1,2

　　（1.东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620;2.东华大学 数字化纺织测控研究室，上海 201620）

       摘要：针对物联网中传感器种类繁多、接口不一致的现状，设计了一种新型的无线传感器通用接口。该接口由信号处理电路、蓝牙芯片、电源和无线射频电路组成，具有体积小、即插即用、功耗低等特点。接口所采样的信号通过蓝牙传输给数据采集器或云服务器，并实时在界面上显示。该通用接口可在工业现场、智能家居、楼宇监控等场合下用于电流、电压、开关量与串口形式传感器信号的处理。并给出了通用接口的设计方案。测试结果表明，该接口可以有效处理传感器信号，达到了预期目标。

　　关键词：物联网；通用接口；传感器；蓝牙4.2

0引言

　　随着物联网［1］概念的兴起和发展，通用传感器接口［2］成为了传感网络中一个重要的研究领域。新的感测技术层出不穷，在信号处理、数字通信及本地智能扩展方面对类型多样的传感器信号提出了越来越高的处理要求［3］。微电子技术、半导体工艺与无线通信等技术日益成熟，出现了向传感器内部实现信息采集、数据处理和无线传输一体化发展的趋势。我国物联网的发展呈现良好的发展态势［4］，然而在传感器接口方面却存在连接口复杂多样、维护或更换困难、传感器接口兼容性差等问题。在物联网应用日益普及的大背景下，为了缩短开发时间，降低风险，迫切需要研发低成本、高性能的通用传感器接口［5］。

　　在无线传输领域，相比于ZigBee［6］、WiFi［7］这些活跃的新兴技术，蓝牙在个人电脑及移动终端具备很大的基础积累。最新的蓝牙4.2协议提供了政府级隐私权限与信息安全保障，2.5倍传输速率提升，支持IPv6的互联网连接［8］，适合在物联网领域尤其是智能家居行业中应用［9］。

1接口组成与应用框架

　　基于蓝牙4.2协议设计无线传感器通用接口属于无线通信与电工电子领域，其应用场景如图1所示，主要由节点、数据采集器、蓝牙4.2无线传感器网络（BLE 4.2 Wireless Sensor Network, BLE 4.2 WSN）、路由器和云端组成。每个节点含有传感器、信号接口电路、蓝牙芯片、电源与无线射频，内部结构如图2所示。

　　将信号接口电路、电源、蓝牙芯片和无线射频电路共同组成的数据采集系统称为无线传感器接口。信号接口电路可处理多种类型传感器信号。每个节点通过路由器、支持6LoWPAN［10］或蓝牙4.2的接入点，周期性地向BLE 4.2 WSN传输所采样的数据。数据采集器可以接入BLE 4.2 WSN或云端，对接口进行参数设置。

　　与蓝牙4.0/4.1不同，蓝牙4.2协议直接支持IPv6地址分配，接入BLE 4.2 WSN网络中的每个传感器节点都会分配到唯一的IPv6地址。

2信号接口电路与供电

　　传感器的信号处理是无线传感器通用接口设计中的一个核心组成部分。需要考虑应用的实际需求，也应考虑成本、可行性等因素。查阅相关文献，为接口设计了电流、电压、开关量与串口通信电路。

　　2.1电流型接口电路

　　在工业应用中，一般传感器将物理量转化为电流输出。鉴于仪器仪表标准输出为4~20 mA电流［11］，设计如图3所示电流转电压接口，将电流转为电压。其中，传感器通过图3中端口Cn1与Cn2接入，选用INA214芯片，其内部放大器增益为100。改变电阻R1阻值便可改变输出电压Vout范围，通过蓝牙芯片内的A/D转换即可测量输入电流大小。其中Power_Supply为传感器供电电源，Vcc_IO为接口电源。

　　2.2开关量接口电路

　　在日常生活、工业现场或楼宇等场景下，常会遇到如继电器、接近开关，为了检测开关量状态，采用如图4所示电路。

　　图4中，S2代表传感器输出，单刀双掷开关S1通过触点1或3即可灵活选择电源。选用光耦如4N25实现电气隔离，MCU I/O代表微控制器引脚输入。开关S2断开时，MCU I/O输出为逻辑高电平；当S2为闭合状态时，MCU I/O输出为逻辑低电平。微控制器只需读取I/O引脚状态便可判断开关量S2的逻辑状态。

　　2.3接口供电

　　为了便于在物联网中使用，设计了内部6 V电池和外接电源两种方式供电。为保证微处理器及外设正常工作，需要稳定的电压。设计电源如图5、图6所示。

　　其中DC为外部7~40 V供电接入口，经LM2576S5降压后输出5 V电压作为Vcc_IO，用于信号接口电路，D2、D4为二极管，用于内部电池与外部供电切换；AP733333SAG7芯片为低功耗稳压电路，降压输出3.3 V作为蓝牙芯片电压Vcc_nRF；BT1代表电池。

　　2.4电压型接口电路

　　蓝牙芯片nRF51822片内集成A/D转换器，工作电压范围为0~3.6 V。传感器输出的1~5 V电压SVin经单片机A/D输入通道AINx即可测量电压大小，如图7所示。其中D1为5 V稳压二极管，作为过压保护；电阻R1、R2、R3图7电压接口电路用于将5 V降压为3.6 V。

　　2.5串口通信电路

　　蓝牙芯片nRF51822片内集成UART控制器，与串口驱动模块连接如图8所示。

　　其中RXD为串口输入端，TXD为串口发送端。CTS为清除发送；RTS为请求发送。MAX232ACPE为RS232驱动芯片，Vcc_IO为接口电压，J1为DB9接口。

3蓝牙4.2传感器网络

　　通过上文提及的接口电路可完成传感器信号的采集，而数据的无线传输则借助蓝牙实现。

　　3.1蓝牙4.2协议

　　低功耗蓝牙支持星型拓扑［12］，主要分为应用层、主机与控制器。主机与控制器通过主机控制器接口交换信息。控制器负责物理层射频信号收发；主机侧重于逻辑控制、安全以及属性配置，并为应用层提供底层服务接口。搭载蓝牙4.2协议的传感节点，需要配置GATT以便于读写传感器数据。应用层提供API为上层用户程序调用，用于控制底层蓝牙设备，包括设备名称、广播时间、属性与特征配置等。

　　3.2软件设计

　　针对接口功能需求，设计接口底层嵌入式软件以及数据采集器应用。其中接口底层程序用于处理传感器信号并发送给采集器；采集器的应用则与用户交互，控制接口底层的工作。

　　3.2.1接口底层软件

基于Nordic的S110［13］ 协议栈编写接口底层软件，工作流程如图9所示。通用接口与数据采集器之间通信流程：先对蓝牙模块进行初始化设置，初始化完成后，蓝牙模块发出广播信号等待数据采集器连接，如果在广播期间内接收到数据采集器的连接请求，则与之配对。若配对成功，则接口停止广播，数据采集器通过蓝牙设置接口参数，设置完毕后，传感器接口开始数据采集工作，经信号接口模块处理后，传给蓝牙模块进一步处理，而后无线发送给数据采集器，发送成功之后继续采集数据。周而复始不断采集、发送数据。

　　使用嵌入式C语言编写接口底层程序，管理nRF51822资源，完成外围硬件的初始化设置、协议栈初始化、设备配对以及传感器数据的收发与解析等；数据采集器发送的命令经蓝牙传输给下位机，下位机解析命令后执行；命令包括接口功能选择、参数设定如A/D采样速率、串口波特率等。

　　3.2.2数据采集器应用

　　数据采集器采用基于Android平台系统的嵌入式设备，如智能手机。Android系统功能丰富，开发者调用Android API库构建程序组件即可实现各种功能［14］。本文使用Java语言开发应用，调用蓝牙API完成设备扫描、连接与通信。

4通用接口设计与验证

　　由于目前蓝牙4.2协议还未普及，采用已经成熟的4.0协议做探索性试验，验证通用接口方案的可行性与可靠性。

　　4.1接口电气兼容性

　　在实际接口设计与使用时，遵循的电气规范包括A/D量程范围（0~3.6 V）、微控制器引脚输出驱动能力（最大驱动电流15 mA）、串口RS232引脚规范等。

　　4.2蓝牙通信模块

　　选用Nordic蓝牙核心模块，该模块含有CortexM0内核的nRF51822芯片，含有包括ADC、UART、SPI等丰富资源，适合应用于设计无线传感器通用接口。

　　4.3实测结果

　　使用C语言编写的代码经Keil编译链接后下载到nRF51822上；Java编写的应用安装到手机上。测试信号包括高低电平、模拟电流与电压，以及串口数据。终端的部分工作界面如图10所示。

5结论

　　通过对各种类型传感器信号的实验测试可知，本文设计的通用接口结构简单，设置与使用方便，连接常用的传感器即可实时检测分布松散的物理变量而无需布线；对于环境监测与海量信息采集，可利用数据采集器传入云服务器分析。通用接口的研究与应用，有利于促进物联网的发展。

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