远程遥控装置设计[含CAD图纸和说明书资料]
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本科学生毕业设计远程遥控装置设计 院系名称： 机电工程学院 专业班级：机械设计制造及其自动化08-1学生姓名： 指导教师： 职 称： 二一二年六月摘 要该项目主要是远程遥控装置设计，机群散射网中蓝牙无线分布式通信、远程无线上网等的应用。对工程机械工况参数进行分析、处理，可实时控制施工进度，提高施工质量，加强作业管理。对工程机械进行有效的监测和故障诊断，不但可使工程机械正常高效地运行，且使得设备在现场出现故障时，能够快速、准确、可靠地确定故障原因和排除故障。该课题研究采用蓝牙技术进行无线通信，利用蓝牙芯片可对各传感器采集的数据进行无电缆可靠传输，使工程机械检测系统与外部网络的连接不受通信线路及地区限制，使用更方便、更安全。设备无需布线便可安装于现有环境，减少系统的维护费用。关键词：工程机械；蓝牙；故障诊断；远程无线上网；传感技术ABSTRACTThe project research bluetooth technology in engineering machinery monitoring and fault diagnosis of wireless data sensing technology, scattering nets in fleet bluetooth wireless distributed communication, remote wireless Internet application, etc. Mechanical parameters of working in engineering analysis, processing, can real-time control construction schedule and improve the construction quality and strengthen operation management. For engineering machinery for effective monitoring and fault diagnosis, not only can make the normal and high efficiency in the operation of engineering machinery, equipment and make in the malfunction, can rapid, accurate, and reliable to determine the cause of the problem and remove the faults. This subject research using bluetooth technology for wireless communication, the use of the sensors can be bluetooth chip of the data collected no cable reliable transmission, the engineering machinery detection system and external network connection from communication lines and the area limits, use more convenient, safer. Equipment and can be installed in without wiring existing environment, reduce system maintenance. Key words：Engineering machinery；Bluetooth；Fault diagnosis；Remote wireless；Internet access ；Sensing technologyII毕业设计任务书学生姓名院系专业、班级指导教师姓名职称从事专业是否外聘是否题目名称远程遥控装置设计一、 设计目的、意义 远程遥控装置设计大多数在野外进行作业或在运动中，即现场没有诊断设备和上网条件。该课题研究采用蓝牙技术，蓝牙技术是一种用于近距离无线数据通讯和联网的新技术，采用蓝牙技术能使工程机械检测系统与外部网络的连接不受通信线路及地区限制，使用更方便、更安全。安装在工程机械上的蓝牙适配器，和移动设备（蓝牙手机）通过微微网连接，最大特征是可为用户提供10100米超远的无线连接距离，接口方面兼容USB1.1/USB2.0，最大传输速率1Mbps。采用蓝牙接入点或蓝牙手机上网，进行无线网络通讯。设备无需布线便可安装于现有环境，减少了系统的维护费用。在技术力量较强的科研单位或企业建立远程故障诊断中心。当现场设备出现故障而现场人员或本地故障诊断系统不能对其做出诊断时，本地用户将反映现场设备状态的数据通过现场监测中心计算机经由蓝牙适配器和蓝牙手机与Internet网络连接，发送给远程故障诊断中心，并提请故障诊断及远程信息咨询等服务。二、设计内容、技术要求（研究方法）1.蓝牙远程无线故障诊断，嵌入式蓝牙网关研究，实现无线远程通信和故障诊断。利用蓝牙技术解决工程机械在野外进行作业或在运动中，即现场没有诊断设备和有线上网条件的情况下实现远程无线通信和故障诊断的问题。2.测试系统的拓扑结构，远程故障诊断系统的结构及运行模式；3. 现场检测和数据采集系统、设计水温蓝牙无线传感器、故障诊断专家系统等模块；4.USB蓝牙适配器：符合蓝牙v1.2 /1.1/2.0版规范。传输距离为100米。操作频带在 2.4GHz至2.483GHz 之间，采用FHSS (跳频展频) 技术，灵敏度 -85dBM。5. 通道：电流、油压、流量、油温、水温、电压等14通道；6.每隔0.5小时采样一次。数据通讯链路在1020内建立。支持转换的通信接口：RS232、USB。链路通信方式：点到点，点到多点。最高传输速率1Mbps。三、设计完成后应提交的成果图纸总量不少于1.5张A0，主要为电气原理图，完成设计说明书应大于2万字。四、设计进度安排2012.2.272012.3.20明确设计任务，查找文献资料，完成开题报告；2012.3.212012.4.1 总体方案的拟定；2012.4.22012.4.10蓝牙远程无线故障诊断，嵌入式蓝牙网关设计；2012.4.112012.4.30网络通信结构与实现，远程故障诊断系统的结构及运行模式；2012.5.12012.5.31绘制蓝牙无线传输原理图；2012.6.12012.6.10 编写设计说明书；2012.6.112012.6.15完成设计准备答辩。五、主要参考资料1 郁滨，卢小亮.蓝牙访问控制方案的设计与实现J.计算机工程与设计,2009,30.2 任小洪,傅成华,胡科.基于蓝牙技术的无线数据采集系统设计J.测控技术,2009,28(1):16-19.3 梁宏倩,车鹏飞.基于蓝牙技术的无线数据采集系统设计J.科技信息,2008,(23):52-53.4宁甲琳,丁养燕,王旭,张彦生.蓝牙技术及其在汽车上的应用J.上海汽车,2006,（6）:39-40. 5 谢红辉.基于蓝牙技术的无线局域网络系统设计.通信技术J. 2008,41(7):133-1346唐志航,唐北平,陈世清.基于Internet的远程故障诊断系统的研究与设计J.机床与液压,2009,37(2):196-198.7韩清鹏,王黎,郭刚.设备故障远程诊断网络体系的构建J.江南大学学报，2009，8（1）：38-40.8杨瑞.基于蓝牙通信的短信平台设计与实现J. 计算机应用与软件.2011.29彭述清,王恩永,苗爱敏,施心陵.基于蓝牙技术和GSM网的远程数据采集J.信息技术,2009,（5）:7-9.10刘翥寰,牛占文,王勇. 智能化工程机械机群远程故障诊断中心系统J.起重运输机械.2006.04：21-23六、备注指导教师签字：年 月 日系主任签字： 年 月 日目 录摘要Abstract第1章 绪论11.1概述11.2文献综述 21.3基本内容和拟解决的问题31.3.1基本内容31.3.2拟解决的主要问题3第2章 嵌入式蓝牙网关的研究42.1开发环境的搭建4 2.1.1微处理器模块4 2.1.2存储器模块5 2.1.3以太网接口模块5 2.1.4调试接口模块5 2.1.5USB蓝牙接口模块52.2嵌入式蓝牙网关的协议体系结构6 2.2.1L2CAP协议的实现72.2.2L2CAP的互操作82.2.3L2CAP的数据处理方式82.2.4L2CAP的数据包82.2.5L2CAP的状态流程92.2.6L2CAP层实现的过程流程图102.3RFCOMM在蓝牙设备中的实现形式10 2.3.1RFCOMM的帧分析与流控制11 2.3.2RFCOMM的通信流程12 2.3.3RFCOMM的状态过程12 2.3.4RFCOMM的数据处理流程12 2.4虚拟串口设备的管理13 2.5局域网接入模型的实现14 2.5.1局域网接入模型中的协议14 2.5.2局域网接入模型的通信过程15 2.6PPP协议162.6.1PPP协议的状态转移16 2.6.2PPP协议的实现172.7数据终端对局域网的访问172.8本章小结17第3章 水温蓝牙无线传感器18 3.1单片机的简介18 3.2基于单片机的温度传感器设计数字温度计的发展现状18 3.3电路介绍19 3.4制作所需原件及其功能19 3.5温度传感器的总体设计19 3.5.1硬件说明193.5.2水温蓝牙无线传感器的总体结构框图20 3.5.3DS18B20的介绍203.6单片机的选择213.7数据的读取223.8DS18B20233.9蓝牙模块的选择243.10本章小结24第4章 蓝牙网络及其拓扑结构25 4.1蓝牙微微网254.2蓝牙散射网254.3测试系统的拓扑结构294.4本章小结30第5章 故障诊断专家系统325.1故障诊断专家系统的结构315.2工程机械故障诊断系统构成315.3机群现场监控中心体系结构325.4本章小结33结论34参考文献36致谢38第1章 绪 论1.1概述该项目远程遥控装置设计，机群散射网中蓝牙无线分布式通信、远程无线上网等的应用。对工程机械工况参数进行分析、处理，可实时控制施工进度，提高施工质量，加强作业管理。对工程机械进行有效的监测和故障诊断，不但可使工程机械正常高效地运行，且使得设备在现场出现故障时，能够快速、准确、可靠地确定故障原因和排除故障。工程机械结构形式多种多样，而且结构复杂，再加上工程机械所处的工作环境复杂、条件恶劣，施工载荷不确定，所以导致其故障率较高。工程机械发生故障后会影响施工进程，造成巨大损失。由于施工现场的操作人员常缺少故障诊断的专业知识和诊断设备，让制造商或维修厂家快速有效地进行故障诊断与排除是个很好的解决办法。而工程机械大多数在野外进行作业或在运动中，即现场没有诊断设备和上网条件。基于蓝牙技术的远程故障诊断系统由客户端（远程监测现场的数据采集处理和单机处理系统）、网络通信协议和远程故障诊断服务中心三个部分组成。工程机械设备的各种运行状态信息由不同传感器采集, 本地用户将反映现场设备状态的数据通过现场监控中心计算机经由蓝牙适配器和蓝牙手机与Internet网络连接，发送给远程故障诊断中心，并提请故障诊断及远程信息咨询等服务。安装在工程机械上的蓝牙适配器和移动设备（蓝牙手机）通过微微网连接，最大特征是可为用户提供10100米远的无线连接距离，接口方面兼容USB1.1/USB2.0。可采用蓝牙接入点或蓝牙手机上网，进行无线网络通讯。蓝牙采用了扩频技术，使整个蓝牙频段内噪声影响变得最低。很大程度上抑止了无线电电磁干扰。基于蓝牙技术的状态监测与远程故障诊断系统其特色是：1)实现无线数据采集和网络通讯，免去有线电缆的连接，使得监测网络的调整和重组变得非常方便。可以实现多台工程机械之间的联网，便于进行集中测控。2)实现无线移动监测。没有方向上的限制，可以从各个角度进行测控数据的传输。固定设备（工程机械）和移动设备（笔记本、蓝牙手机）通过微微网连接，可达到10100米远的无线连接距离，蓝牙技术支持点对点和点对多点连接；3)实现无线远程通信和故障诊断。采用蓝牙手机或蓝牙适配器联网，蓝牙3.0技术标准传输速率可达24Mb/s以上；便于携带，功耗低，可灵活实现1.2文献综述 1998年5月，爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司等五家厂商，在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术，其宗旨是提供一种短距离、低成本的无线传输应用技术。目前国内蓝牙技术正在飞速发展，北京清华大学汽车工程系康荣学等人，提出了一种施工机械状态无线监测系统，实现对施工机械状态的实时监控。利用蓝牙技术可将传感器在线监测数据传送到计算机进行处理，而经过计算机处理后的信息可再经蓝牙技术传至各台设备。人工智能四川省(高校)重点实验室任小洪等人设计研究了一种能适用于工业现场的无线传感器系统。该系统以蓝牙模块BC006-C3为核心，通过对蓝牙HCI（Host Controller Interface）底层协议进行二次开发，实现了一个具有主从网络结构的蓝牙无线数据采集系统。文献介绍了利用MSP430单片机进行数据采集，并通过蓝牙模块将采集的数据以无线电波的方式发送到终端设备。文献提出了一种基于蓝牙技术的无线局域网解决方案。重庆邮电学院提出了适应工业控制的现场级“蓝牙”通信协议体系，介绍了适应工业现场的“蓝牙”适配器和连接有线控制网络的“蓝牙”接入设备的实现方法。文献提出了基于一体化思想的工程机械监测与故障诊断系统设计思想。东南大学研究了工程机械设备智能故障诊断专家系统，通过无线网络将单机的采集数据传送到数据库服务器端。研究了基于网络平台的机群状态远程设备监控与故障诊断系统实现了远程数据传输和对工程机械施工机群进行远程状态监控。由于施工过程中各设备彼此分散，所以通过无线网络构建机群监控中心与各分散设备的联系，完成各设备之间的协同工作。机群监控中心和各单机之间，在整体布局和功能上将系统构造成分布分层式结构。整个机群设置监控中心，通过无线网络将单机与监控中心联网，实时监控单机状态。各台单机共享同一专家诊断系统，使机群设备的管理者和操作者能实时监控设备状态，并获取维护处理措施。国外一些著名的工程机械公司在故障诊断、远程监控系统及整机智能控制方面取得了较大进展。卡特彼勒公司1998年推出的Cat 950G计算机监控系统还配备有Cat指导诊断系统和以维修工具为基础的Cat软件包，使维修人员坐在汽车里用笔记本电脑就能迅速而容易地诊断和排除故障。Cat 992G在监控装载机各功能状况并作出诊断的同时还能把这些信息数据作为履历记录下来，无线传送到办公室用计算机进行分析，从而防患于未然。沃尔沃(Volvo)公司的L系列装载机上也安装有Matris软件包，用以监控和分析装载机的工作状态；其小型装载机上配有电子伺服控制及信息系统(ESIS)，由液晶显示屏和键盘组成，用来显示和记录各种信息，其自动诊断功能记录机器故障并储存所有相关信息，通过编码可以防盗。凯斯(Case)公司21B、C系列装载机也采用计算机监控系统，其微处理器安装在司机座椅的右侧，也具有故障诊断和工作状态液晶显示功能。蓝牙特别兴趣小组（SIG）宣布，采用低能量蓝牙无线技术，这是蓝牙核心规格4.0版本的标志功能。蓝牙技术是一种跳频系统，标准的跳频信号1600跳/秒。蓝牙自组织网络可以把互连的几个微微网形成一个散射网，文献介绍了基于蓝牙无线网络活塞的温度遥测系统。文献介绍了采用蓝牙协议，GSM/GPRS的远程医疗系统。1.3基本内容和拟解决的问题1.3.1基本内容(1)蓝牙远程无线故障诊断，嵌入式蓝牙网关设计，实现无线远程通信和故障诊断。利用蓝牙技术解决工程机械在野外进行作业或在运动中，即现场没有诊断设备和有线上网条件的情况下实现远程无线通信和故障诊断的问题(2)测试系统的拓扑结构，远程故障诊断系统的结构及运行模式。(3)现场检测数据和数据采集系统、设计水温蓝牙无线传感器、故障诊断专家系统等模块。1.3.2拟解决的问题网路通信结构与实现，测试系统的拓扑结构，远程故障诊断系统的结构及运行模式。现场检测和数据采集系统、设计水温蓝牙无线传感器、故障诊断专家系统模块的建立。嵌入式蓝牙网关的研究。第2章 嵌入式蓝牙网关的研究2.1 开发环境的搭建嵌入式蓝牙硬件的部分以ARM9微处理器为核心，外围有存储器模块、以太网借口模块、调试接口模块、基于USB接口的蓝牙模块组成。硬件总体框图如图所示：存储模块蓝牙模块调制接口模块MCU以太网接口模块Internet图2-1嵌入式蓝牙网关硬件平台框图2.1.1 微处理器模块硬件平台采用韩国三星的ARM处理器S3C2410作为微处理器，这是一款基于ARM920T内核，采用0.18微米工艺的32位微处理器，低价格，高性能，高集成度使得用户可以节省系统成本和提高系统性能。ARM920T支持两种指令集:ARM指令集和Thumb指令集，其中，ARM指令集为32位的长度，Thumb指令16位长度。Thumb指令集为ARM指令集的功能子集，但与等价的ARM代码相比较，可以节省30%-40%以上的存储空间，同时具备32位代码的所有优点。同时，S3C2410芯片集成了大量的功能单元，包括:16KB指令和16KB数据的缓存(cache), MMU、内置外部存储器控制器、LCD控制器、4个带外部请求线的DMA、3个通用异步串行端口、1通道的SPI、一个多主llC总线、一个IIS总线控制器、两个USB的主机(host)单元，一个USB的设备(device)接口、1 17个通用I/O、触摸屏接口和8个通道的10-bitADC以及实时时钟单元RTC等等。 S3C2410是嵌入式蓝牙网关的主处理器部分，同时也是整个硬件电路的核心模块，负责控制其他外围设备，管理着系统的平稳运行。2.1.2 存储器模块 存储器模块包括一片16Mbytes的NOR FLASH和两片16Mbytes SDRAM。FLASH用于固化Bootloader程序和LINUX内核映像文件和文件系统以及蓝牙协议栈和所有应用程序，SDRAM是程序运行的区域。 GX-ARM9-2410A型开发板的RAM是由两片16M16位数据宽度的SDRAM构成，两片拼成32位模式，共64M，公用nGCS6。地址范围为0x300000000x34000000,起始物理实地址：0x30000000，经MMU映射后地址为0xC0000000。nGCS0接的是一片8M16位数据宽度的INTEL E28F128 FLASH，地址范围为0x10000000x02000000,按照S3C2410处理器手册，Nor FLASH安装在Bank0,地址应该为0，但由于S3C2410地址是循环映射，0x10000000就是0地址，其中引导代码Bootloader,就烧写在地址0处，内核zImage烧写在0x1040000开始处，根文件系统烧写在0x01140000地址处。2.1.3 以太网接口模块 S3C2410处理器是一款高性能、低功耗、高集成度的片上系统，它本身集成了两个以太网接口，分别为通过C8900扩展的10M以太网接口和通过DM9000扩展的10M/100M以太网接口，因此很容易实现网络接入功能，这两个接口使得嵌入式蓝牙网关以有线方式与局域网相连。2.1.4 调试接口模块 通常硬件调试接口有JTAG和BDM两种，ARM系列芯片所需要的测试工具接口是JTAG，可以用该接口进行在线仿真、调试、下载和烧写ROM等操作。另外，嵌入式开发时往往还需要一个监视口，我们用串口0来承担，网口既是与局域网的通信接口，也是开发过程中从主机下载Image文件到目标机的高速通道。总体而一言，在设计硬件电路的时候，要保证所提供的接口能够同时满足基本通信过程和调试过程。2.1.5 USB蓝牙接口模块 硬件平台采用外扩USB蓝牙适配器来实现嵌入式蓝牙网关的无线通信，本设计采用的是力特公司的一款基于蓝牙规范2.0设计生产的蓝牙适配器。 蓝牙适配器的特性如下:(1)具有桥接功能，能够完整覆盖商用和家用应用环境。无线网络（WirelessLAN）通过无线电传输及接收数据，使得电脑间及电脑与其它网络设备之间可以不经由电线或是网络线建立无线连接。 (2)蓝牙2.0规范支持全新的EDR Profile(提高数据传输速率)，最高带宽将高达36Mbps。而在对蓝牙语音的支持上面，2.0蓝牙设备也有更大的优势，可提供更优良的音质。 (3)新增的oneButtonConnect按键，其人性化的设计提供用户直接与蓝牙键盘、鼠标立即连接的功能，而不需要再安装蓝牙管理软件，非常方便。 (4)采用Broadcom蓝牙芯片，支持微微网，支持7个蓝牙子设备同时工作，并可以和更多的从设备(最多可达256个)保持同步但不进行通信。(5)高达2MB的内存。提供蓝牙通信缓冲及蓝牙固件存储，确保通信可靠度。 2.2嵌入式蓝牙网关的协议体系结构结合嵌入式蓝牙网关的功能，可以得出嵌入式蓝牙网关的协议体系结构图，如图所示：RFHCLBB网络应用（HTTP、FTP）SDPL2CAPRFCOMM虚拟串口PPPTCP/IP等网络协议课题实现 LMP图2-2嵌入式蓝牙网关协议体系结构从结构图可知在嵌入式蓝牙网关使用蓝牙协议栈承载PPP协议来支持上层TCP/IP网络的协议，虚拟串口向上模拟真实串口的行为，向下与蓝牙协议栈的RFCOMM进行通信。L2CAP、RFCOMM、SDP层协议以及虚拟串口是软件的核心部分，负责蓝牙连接的建立、管理和数据收发。蓝牙协议中HCL、LMP、BB协议已经固化到硬件中，无需开发。2.2.1 L2CAP协议的实现L2CAP协议在蓝牙协议中属于中间协议层部分，下层连接主机控制接口，上层连接RFCOMM，是整个协议栈中非常重要的一个，也是最复杂的一个，它的主要作用是向上层提供一个可靠的L2CAP链接。为了实现这一点它必须与上层协议、下层协议和对等L2CAP协议进行各种交互。 L2CAP为高层提供数据服务，需要注意的是它不保证信道的可靠性以及数据的完整性，L2CAP是通过基带提供的机制来提供一条可靠的信道。它只支持基带异步无连接传输服务(ACL)，不支持同步面向连接的服务(SCO)。L2CAP数据包是利用基带的ACL数据包来传输。L2CAP协议的主要功能有：(1)协议复用L2CAP必须支持协议复用，因为蓝牙的基带协议并不支持通过类型字段区分复用的高层协议功能，因此L2CAP必须能够将这些高层协议区分开。(2)分段与重组蓝牙基带协议中定义的数据分组长度是有限的，而蓝牙的高层协议则需要更大的分组来发送。基带分组有效载荷最大为341字节，如果用这种最大传输单位(MTU)来传输高层协议，将会限制带宽的利用率。因此L2CAP分组必须能够在无线传输前分成许多小的基带分组;在接收端，经过简单的完整检查后，这些小的分组能够重新组合成一个较大的L2CAP分组。（3）在L2CAP连接建立的过程中允许两台蓝牙设备之间交换各自所期望的 服务质量消息。执行L2CAP的设备必须对协议所使用的资源进行监视，以保证能都达到所期望的服务质量。（4）组 许多协议中都包含有地址组的概念。蓝牙基带协议支持微微网的概念，在一个微微网中最多可以有八个蓝牙设备，这些设备组成一个组在同一个时钟下同步的工作。L2CAP卫中组的概念可以把协议中的组有效的映射到微微网中。如果没有这项功能，高层协议将直接面对基带协议和链路管理器，刁能达到对地址组的有效管理。2.2.2 L2CAP的互操作客户端蓝牙设备 服务器端蓝牙设备上层协议上层协议L2CAPL2CAPL2CAP请求 L2CAP确认 L2CAP响应L2CAP指示 L2CAP请求底层请求底层确认 L2CAP响应底层响应底层指示底层底层物理链路图2-3 L2CAP层的互操作图2-3显示了L2CAP层的互操作过程，L2CAP实体必须能够在高层和底层之间传输数据。同时支持一组对等的L2CAP实体信令命令。L2CAP实体必须能够接收底层来的事件，然后产生响应的事件给上层。 2.2.3 L2CAP的数据处理方式 L2CAP通过分段重组的形式来处理数据的收发，分段和重组用来支持MTU比基带数据包更大的协议层，从而提高通信的效率。从L2CAP往基带发送数据时，执行分段处理，产生更小的数据包，适合基带传输，从基带L2CAP发送数据时，执行重组处理，组合成适合L2CAP的数据格式，L2CAP层本身并不执行任何分段和重组，但是数据包格式支持对更小物理帧的适配，分段和重组在实现时使用很小的基带包开销。2.2.4 L2CAP的数据包L2CAP是基于分组传输的，遵循信道传输模型，跳信道代表一对本地和远程设备L2CAP实体间的数据流。L2CAP支持的信道有两种：面向的连接信道和面向无连接的信道。面向连接信道： L2CAP 包头 有效载荷长度信道IDLSB 16bits 16bits MSB 图2-4 L2CAP层的数据封装格式面向无连接信道：信道IDPSM有效载荷长度 LSB 16bits 16bits 16bits MSB 图2-5 L2CAP层的数据封装格式 无连接的数据信道支持组传输，数据通过组信道被发往所有的组成员，完成上层协议组地址与蓝牙微微网的映射，但是在组信道中不提供服务质量，因此组信道通常是不可靠的，L2CAP不保证数据能成功发往所有组成员，如果需要可靠的传输，需要上层协议的支持。2.2.5 L2CAP的状态流程L2CAP面向连接的信道假定不同协议层进行通信有不同的状态。协议的这一部分描述了L2CAP卫面向连接信道的状态机，并定义了一些状态，引起状态转换的事件，以及响应事件的动作。蓝牙协议规定，“状态机”只适用于双向信道，并不适用于信令信道和单向信道。1.事件和动作事件是指在一定时限内到达L2CAP层的消息。事件分为五类:低层来的指示和证实、高层来的请求和响应、来自对等协议层的数据、对等协议层来的信号请求和应答消息、定时器超时引起的事件。动作也分为五类:对高协议层的证实与指示、对低协议层的请求与响应、对对等协议层的请求和应答、对等协议层的数据传输、设置定时器。的命令规则如下：(1)两个协议层之间的接口(垂直方向接口)使用为高层提供服务的底层协议的前缀，如L2CAP。位于相同协议层的实体之间的接口(水平方向接口)使用协议的前缀，如 L2CAP。(2)从上层来的事件称为“请求”（Req）,相应的回答称为“证实(Cfm);从低层来的事件称为“指示”(Ind)，相应的应答称为“响应”(Rsp);需要有进一步的处理过程的响应称为“中间响应”(Pnd);如果是表示否定的应答，在相应的记号后加上“Neg”后缀。(3)高层的请求信号必须有相应的证实回答(表示动作的执行成功或者不成功)，而低层对高层的指示信号并不一定需要相应的应答，例如当指示信号用于向高层通知本地触发事件的信息时。2.2.6 L2CAP层的实现过程流程图1，请求方L2CAP层建立逻辑信道过程模块流程图请求建立L2CAP逻辑信道记录返回参数Destination-CID请求方L2CAP层逻辑信道 建立模块启动 分组Connect-request？ 分组Configuration-Respon？se发送到下层HCL子模块请求方L2CAP曾逻辑信道建立模块结束反方向设置及模块向用户报错：硬件平台获蓝牙基带有误，检查后再试程序结束发送到下层HCL子模块进行HCL层打包创建connect-request分组进行HCL层打包创建Configuration-Request分组yesnoNOyes图2-6 L2CAP层的实现过程流程图RFCOMM在蓝牙协议中模拟串口，实现L2CAP层和基于RFCOMM层的PPP,TCS等协议层的数据交互。RFCOMM的目的是对两个不同设备上的应用保证一条完整的通信路径，病保持一个通信段。2.3 RFCOMM在蓝牙设备中的实现形式RFCOMM通过L2CAP连接来实现设备间的逻辑串行链路，特别是建立一条面向连接L2CAP信道，以连接两个设备RFCOMM实体，两个设备之间只允许同时存在一个RFCOMM连接，但是该链接是可多路复用，故两个设备时间可以再一条RFCOMM连接之上存在多大60条逻辑链路，但是没有规定RFCOMM多路复用实现的层次。 RFCOMM绘画过程中，客户和服务器应用可以分布在通信的两端，每一端都可以独立发起连接。在客户和服务器之间的每一条多路复用链路都用数据链路标志符来唯一标识，DLCI标识控制信道，DLCII不可用，DLCI62和DLCI63是系统保留值，在两个设备之间的RFCOMM会话期间，DLCI是唯一的。 如果蓝牙设备支持多个设备之间的串口仿真，那么RFCOMM实体必须能够运行多个TS07.10多路复用器会话，每一个多路复用器都使用期L2CAP信道ID。RFCOMM对TS07.10多路复用器多个会话的支持是可选的。 一般大多数便携式蓝牙设备在蓝牙环境下很少会需要同时使用如此多的串行连接。局域网访问规范规定在RFCOMM上使用PPP，因此一个局域网接入点设备实际上可能同时需要很多与多个设备之间的串行连接，可利用LZCAP的多路复用能力来实现RFCOMM的多路复用。2.3.1 RFCOMM的帧分析与流控制RFCOMM协议层命令的执行和数据的发送都是通过各种帧来完成的。RFCOMM将各种数据和控制信号封装在各种不同的帧中进行传输，所使用的帧来自于GSM TS07.10多路控制协议。主要包括:设置异步平衡模式帧(SABM),无序号响应帧(UA)、断开模式帧(DM),断开连接帧(DISC)和带头校验的无序号信息帧（UIH）。其中SABM、DISC为命令帧，UA、DM为响应帧，UIH既可以是命令帧，也可以是响应帧。 在建立DLCI链接时，首先需要发送的是SABM帧，其中所携带的DLCI信息就是要建立的DLCI连接。UA帧是在接收到需要响应的帧时(如SABM、DISC帧)，发送的响应帧。DM帧用来向对方确认本地当前的状态。DISC帧用来断开某个DLC帧用来装载有效用户数据，以及多路控制命令(MCC)。当为普通用户数据的时候，通过非控制信道(DLCI殉来传输;当是MCC命令时，通过控制信道(DLCIO)传输。MCC命令包括TEST、FCON、FCOFF、PN、RPN、MSC、RLS和NSC，被放在UIH的信息域字段里面传输。RFCOMM和较低层L2CAP之间的流控制依赖于设备所支持的服务接口，除了使用于基带的链路管理(LM)层提供的流控制机制外，RFCOMM也有自己的三种流控机制。 （1）RFCOMM协议定义了能对两个RFCOMM实体之间全部数据流操作的流控制指令FCON和FCOFF，它对所有的DLCI都起作用。如果本地会话不能接收更多的数据，则发送FCOFF通知远端会话实体停止发送数据，在收到确认后本地会话实体将不再接收数据，如果本地可以接收更多的数据则发送FCON命令通知远端流控打开，以使通信可以进行下去。（2）调制解调器状态命令MSC，它是对单个DLCI的流控制机制。 （3）基于信用的流控制，在这种流控方式中，通信双方在初始连接时使用PN命令协商好初始信誉量，每发送一条数据帧，远端信誉量减1，减至0时停止发送，直到接收到远端信誉量通知才可以发送数据。2.3.2 RFCOMM的通信流程RFCOMM信道是建立在L2CAP信道基础上的，建立RFCOMM链接时，首先要建立L2CAP信道，并且进行相应的配置。通过查询SDP数据得到使用该服务所需要的通道信号。2.3.3 RFCOMM的状态过程通过状态机可以清楚的分析RFCOMM的通信流程，状态机共六种状态，包括DISCONNECTED(断开状态)、CONNECTED(连接状态)、DISCONNECTING(正断开连接过程中状态)、CONNECTING(连接过程中状态)、CONFIG(配置状态)、FLOW STOP(流控停止状态)。系统开机后，所有的状态都是链路断开状态，主机发送完建立连接请求到配置结束的过程中，系统一直处在链路建立连接过程中。当收到对方确认连接响应后，系统的状态变为参数配置状态，需要协商配置的参数有L2CAP卫信道的参数配置和RFCOMM的DLCI建立以及参数的配置。当双方参数协商配置完后，系统转为链路建立状态，此时用户可以进行数据的传输，当主机发送断开连接请求后，系统转为链路断开连接过程中，收到对方断开确认响应后，系统转为链路断开状态。 需要注意的是，在连接状态中，如果收到FCOFF命令，则进入FLOW STOP状态，在FLOW STOP状态中，收到FCON命令，则进入连接状态。在任何状态中，收到L2CAP链路丢失通知，RFCOMM实体将从新初始化，释放所有数据连接，回到最初的链路断开状态。2.3.4 RFCOMM的数据处理流程 1链路连接串口设备是一种字符设备，可以方便地和PPP建立连接，这个特性对于本设计来说是必要的，因此必须为应用程序提供虚拟串口，虚拟串日可以在不占用真实串口的情况下创建任意数量并互为连接的纯虚拟串口对，其在功能和使用上与真实串口无异。这些虚拟串口并不跟具体的物理硬件打交道，而是将应用程序的请求转发到对蓝牙系统的请求，还有将从蓝牙系统来的数据和事件转发给应用程序，它起到了一个中继者的作用。开始存在rfcommSession?no发送L2CAP连接请求 yes发送SABM数据，启动定时器等待直到响应到达阻塞直到连接响应到达发送L2CAP配置请求发送PN数据帧阻塞，等待直到响应到达。错误处理阻塞直到请求确认到达结束连接是否超时yesno图2-7 RFCOMM的数据处理流程 本设计中采用虚拟串口技术可以缩短开发周期，减少开发成本，通过建立虚拟串口连接可以使用Linux上很多现有的应用程序来快速构建嵌入式蓝牙网关的各种应用，即使没有现成的应用程序也可以很方便地对串口进行编程以构建新的蓝牙应用。2.4虚拟串口设备的管理 在虚拟串口设备与蓝牙模块交互中，可能存在多个虚拟串口设备，因此需要建立一个串口管理设备，负责对串口设备和蓝牙模块的交互进行管理，其中管理任务包括以下四部分内容（1）虚拟串口设备发送消息 当一个虚拟串口设备被打开、关闭、写数据等的时候，它要向蓝牙协议模块发送消息。设备不是和蓝牙协议模块直接通信的，它是通过串口管理设备和蓝牙协议模块通信的。在串口管理设备的数据结构中，维护了一个消息链表，所有的串口设备要向协议模块发送的消息都要先插入到这个消息链表中。（2）蓝牙协议模块发送消息蓝牙协议模块向虚拟串口设备发消息，使用IOCTI统调用发送消息。（3）蓝牙协议模块接收消息在蓝牙协议模块中，专门有一个线程来接收来自驱动程序的消息，这些消息不是直接来自虚拟串口设备而是来自串口管理设备。如果当前消息队列里有消息，或一旦有消息被添加到消息队列，蓝牙模块将消息从管理串口设备中读出，然后根据消息类型进行相应的处理。例如，收到了打开串口消息，蓝牙模块就要和远端的设备去建立蓝牙的RFCOMM连接。 （4）串日设备接收消息 如果蓝牙协议模块向串口管理设备发送了消息，串口管理设备要将这些消息转发给虚拟串口设备。由于串口管理设备和虚拟串口设备的驱动程序都是编译成内核模块，运行在内核空间。它们可以共享全局变量。这样串日管理设备直接修改虚拟串口设备的全局变量就可以完成它们之间的通信。2.5局域网接入模型的实现 嵌入式蓝牙网关的实现基于蓝牙局域网接入模型（LAP），该模型通过建立在蓝牙无线链路之上的网络协议使计算机连接到网络上。局域网接入模型中定义了使用蓝牙无线技术的设备如何接入到一个局域网的服务，此局域网使用在RFCOMM上的点对点协议(PPP)。其次，显示了如何使用同一个PPP机制来构成由两个蓝牙设备组成的网络。在这个应用模型中，数据终端使用局域网接入点作为一个局域网无线连接。一旦连接上，数据终端运行如同它们与LAN拨号网络连接，并且可以访问LAN提供的所有访问。 PPP是一种允许接入到网络的普遍配置方式。PPP提供鉴权、加密、数据压缩和多协议便利。在RFCOMM之上的PPP己经被选为给蓝牙设备提供LAN接入的方式，因为具有给设备配置PPP软件的大型安装基础。在PPP可以支持多种网络协议，由于在现有网络中lP协议被公认为最重要的协议，因此在PPP上支持lP协议。2.5.1局域网接入模型中的协议从图中可以看看出，在局域网接入模型中，蓝牙设备有两种角色：局域网接入点和数据终端。局域网接入点是提供PPP服务并连在LAN上的设备而。PPP连接在RFCOMM上传送，RFCOMM可以用来传输PPP数据包并且可以作为PPP数据流的流控，数据终端是使用LAP服务的设备，典型的DT设备有蓝牙笔记本电脑，蓝牙PC，蓝牙PDA等。ME为管理实体，在初始化，配置和连接过程中起着协调作用。局域网接入的协议栈如图所示:ApplicationsTCPUDPIPApplicationsTCPUDP PPP NetworkingIPMEPPPLANMEPPPRFCOMM SDPLMP L2CAPBasebandSDP RFCOMMLANBasebandL2CAP LMP Data Terminal LAN Access Point图2-8 局域网接入协议栈 局域网接入模型中主要的协议有：(1)PPP协议：PPP是IETF的点到点协议，它属于数据链路层协议的一部分。PPP协议主要负责粗无检测，实现网络层协议复用，协商连接时的IP地址，进行身份验证等。(2)SDP协议：负责移动数据终端接入时的服务发现，包含服务的登记，搜索，抽取服务信息等。(3)RFCOMM协议：负责仿真RS-232的传输信道和控制方式，为PPP层提供一个类似串口的通道。(4)L2CAP协议：负责支持高层的协议复用。数据包打包，拆包，传递QoS信息等。(5)LMP和基带协议：这部分属于蓝牙底层协议，与硬件紧密结合。负责物理链路的管理，基带PDU的形成，检纠错，加密和鉴权。LAP中，PPP的使用是关键，它用于再说数据终端和接入点之间建立连接，PPP建立在RFCOMM之上，一旦PPP连接建立后，传统的IP解决方案就可以建立在其之上，从而完成一些诸如获得IP资质等网络功能。2.5.2局域网接入模型的通信过程在局域网接入模型中，终端设备和网关之间的通信大体包括查询，建立连接，鉴权，通信几个过程。详细过程如下：(1)数据终端查询是否有一个在无线网络内的LAP，当数据终端要求接入局域网时，首先启动服务发现协议，向作出回应的LAP发出查询请求。LAP此时作为SDP Server具备发现服务数据库，里面记录着接入点可以提供的服务及属性，SDP机制可以提取建立RFCOMM连接需要的所有服务信息。数据终端查询到可用的服务信息后，就可以建立连接。(2)建立物理连接。数据终端找到并选定合适的LAP后，若二者间无物理连接，则DT向LAP请求建立基带物理连接。若已存在物理连接，则进行蓝牙配对，鉴权过程，并在所建链路上进行加密传输。(3)依次建立PPP/RFCOMM/L2CAP链路。(4)作为可选安全措施，LAP可以适当的采取PPP的鉴权机制。(5)建立连接后数据终端和LAP即可通过IP数据流进行网络通信。(6)任何时候，DT和LAP都可以终止已经建立的连接。拆除各层连接的操作顺序与建立时正好相反。 LAP在上电之后所做的第一件事情就是进行初始化工作，实质上就是软硬件自启动过程，系统起来之后，LAP需要发起若干任务，主要有：查询扫描任务，负责监视有无DT需要与其通信；向前任务，负责将串口数据转至网口并完成必要的格式转换；向后通信功能，负责监视网口并完成向前通信任务的逆过程，任务是并发的，因此LAP能够同时支持与多个DT保持通信。2.6 PPP协议 使用PPP协议是LAP应用模型中非常重要的一点，也是LAP的关键所在，因为PPP协议很好的解决了点对点通信的问题，PPP协议属于数据链路层协议，主要用来完成在串行连接上封装数据报，监视链路连接质量，建立和配置及测试数据连接，在不同的网络层协议上建立连接和配置IP选项等功能。2.6.1 PPP协议的状态转移数据通信设备的两端如果希望通过PPP协议建立点对点的通信，无论哪一端的设备都需发送LCP数据报文来配置链路(测试链路)。一旦LCP的配置参数选项协商完后，通信的双方就会根据LCP配置请求报文中所协商的认证配置参数选项来决定链路两端设备所采用的认证方式。协议缺省情况下双方是不进行认证的，而直接进入到NCP配置参数选项的协商，直至所经历的.几个配置过程全部完成后，点对点的双方就可以开始通过己建立好的链路进行网络层数据报文的传送了，整个链路就处于可用状态。只有当任何一端收LCP或NCP的链路关闭报文时(一般而一言协议是不要求NCP有关闭链路的能力的，因此通过情况下关闭链路的数据报文是在LCP协商阶段或应用程序会话阶段发出的);物理层无法检测到载波或管理人员对该链路进行关闭操作，都会将该条链路断开，从而终止PPP会话。2.6.2 PPP协议的实现 如果使用公开的PPP代码实现PPP协议，那么针对操作系统而进行的移植工作不仅需要熟练的技术，而且需要较长的时间。鉴于此，决定选用成熟的PPP产品。 由于嵌入式操作系统选用的是Linux所以可以使用Linux中己经实现的PPP服务功能，在Linux下对PPP的支持需要在内核编译时配置内核选项Networking support加入对PPP(Point一to一point)support等选项。同时，由于在设计中加入了虚拟串口的支持，可采用Linux上很多现有的应用程序，在嵌入式蓝牙网关(LAF端)可以使用Linux操作系统上的mgetty+AutoPPP来接收进入的连接请求，使用pppd+kppp来构建客户端，从而实现网关与数据终端PPP连接。2.7数据终端对局域网的访问当LAP与DT间建立PPP链路后，在链路的两端将产生一对IP地址，这是由PPP协议中的网络控制协议(NCP)分配协商得到的。但这里的IP地址与一般意义上的Iternet上的IP地址是不同的。这里每个拨号网络终端的IP地址是由LAP(PPP Server)临时动态分配的。每个终端在连接过程中拥有IP地址，在连接结束时释放，从而可以再被分配给其他的终端。但是，这样通过LAP上网的DT来说，其IP地址对网络是不可见的，可以说是虚拟的IP地址，只有LAP才能从外部获得一个真正有效的IP地址。因此，为了与局域网进行通信，必须在LAP端设置地址转换功能。对于DT端向外发送的IP包，将源地址转成LAP端的有效IP地址，而由局域网发回的IP包，则将其目的地址转换为响应的内部IP地址。在多对一的情况下，为了能区分发送到不同DT的数据包，可以在LAP端设置一个地址转换表，将不同的DT发到外部的IP包对应于LAP上不同的虚拟串口端口送出，而从局域网发回的IP包而可以按照此表，对应到相应的DT，从而实现多个DT通过LAP访问局域网。2.8 本章小结本章是嵌入式蓝牙网关的所有内容，深入研究了蓝牙协议栈中L2CAP协议、RFCOMM协议、SDP协议，对各层协议的数据处理方式、实现流程、状态转移做出详尽的分析。同时，在RFCOMM层上建立虚拟串口作为数据中继，实现与上层应用程序的连接，最后，研究了蓝牙规范中局域网接入模型的实现。第3章 水温蓝牙无线传感器3.1单片机简介单片机全称为单片微型计算机。单片机发展始于70年代，经过30多年的发展，由于其具有高集成度、低功耗、工作电压范围宽、价格便宜、使用方便等诸多优点而在广泛使用。到目前为止将单片机发展阶段分为三个阶段，分别为初级阶段、高性能阶段、以及高位单片机的推出。通常单片机内部含有中央处理部件（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM、EPROM、Flash ROM）、定时器、计数器和各种输入输出接口等。目前8位单片机是目前品种最丰富、应用最广泛的单片机。今天我所使用的就其中比较典型的一种8位单片机AT89C52。3.2基于单片机和温度传感器设计数字温度计的发展现状随着人们生活水平的不断提高,单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中数字温度计就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。数字温度计与传统的温度计相比，具有读数方便，测温范围广，测温准确，其输出温度采用数字显示，主要用于对测温比较准确的场所，或科研实验室使用。检测是控制的基础和前提，而检测的精度必须高于控制的精确度，否则无从实现控制的精度要求。不仅如此，检测还涉及国计民生各个部门，可以说在所以科学技术领域无时不在进行检测。科学技术的发展和检测技术的发展是密切相关的。现代化的检测手段能达到的精度、灵敏度及测量范围等，在很大程度上决定了科学技术的发展水平。同时，科学技术的发展达到的水平越高，又为检测技术、传感器技术提供了新的前提手段。目前温度计的发展很快，从原始的玻璃管温度计发展到了现在的热电阻温度计、热电偶温度计、数字温度计、电子温度计等等。目前的温度计中传感器是它的重要组成部分，它的精度灵敏度基本决定了温度计的精度、测量范围、控制范围和用途等。传感器应用极其广泛，目前已经研制出多种新型传感器。3.3 电路介绍该电路是由18B20温度传感器作为温度传感元件，并由AT89C52单片机进行数据处理输出，有蓝牙模块与计算机进行数据传输，此电路可由外接3V12V的直流电电源提供。 温度显示和控制的范围为：55125之间，精确度到达1，即数码管显示温度为整数。如果设定的报警温度为30，则当温度到达30的时候，报警发光二极管发光同时蜂鸣器发出响声，此时继电器发生动作。如果不需要对温度控制报警，可以将报警温度设置提高。如果是为了控制局部温度，可以把18B20用引线引出，但是距离不宜过大，注意引脚要绝缘。3.4制作所需电子元件及其功能表3-1 制作所需原件及其功能电子元件名称规格编号主要功能作用电容30pC1、C2单片机的时钟振荡电容10ufC3单片机复位温度传感器DS18B20IC2感应温度变化数据采集单片机AT89c52IC1数据处理传输等电阻10KR1单片机复位电源5VUSB开关电源开关电源晶体12MCRYSTAL单片机的时钟震荡3.5温度传感器总体设计此次所讨论的数字水温蓝牙无线传感器主要应用单片机技术、温度传感器技术、蓝牙无线传输技术等，把所有硬件集成在一起以便于在工程施工现场应用。先由温度传感器将工程机械的实时温度采集处理传送给单片机，单片机经过储存经由蓝牙模块与计算机连接，最后现场工作人员根据计算机显示的数据判断工程机械的工作状态是否正常以便采取及时的措施。3.5.1硬件说明传感器的选择设计单片机数字温度计需要考虑以下3个方面 温度传感器的选择温度传感器的选择单片机和温度传感器的接口电路； 控制温度传感器实现温度信息采集以及数据传输的软件。单片机的接口信号是数字信号。要想用单片机获取温度这类非电信号的信息，必须使用温度传感器,将温度信息转换为电流或电压输出。如果转换后的电流或电压输出是模拟信号,还必须进行A/D转换，以满足单片机接口的需要。传统的温度检测大多以热敏电阻作为温度传感器。但是,热敏电阻的可靠性较差、测量温度准确率低,而且还必须经专门的接口电路转换成数字信号后才能由单片机进行处理。20世纪90年代中期出现了智能温度传感器(亦称数字温度传感器)。智能温度传感器的内部都包含温度传感器、A/D转换器、信号处理器、存储器(或寄存器)和接口电路,其特点是能直接输出数字化的温度数据及相关的温度控制量,适配各种微控制器(MCU)。其中DS18B20就是一种应用相当广泛的单总线数字温度传感器,它结构简单、不需外接元件,采用一根I/O数据线既可供电又可传输数据、并可设置温度报警界限等特点,广泛用于工业、民用等领域的温度测量中。3.5.2水温蓝牙无线传感器总体结构框图温度传感器单片机蓝牙模块计算机 图3-1 水温蓝牙无线传感器总体结构图3.5.3 DS18B20的介绍DS18B20是单总线数字化智能集成温度传感器。单总线它采用单根信号线,既传输时钟又传输数据,而且数据传输是双向的,具有节省I/O口线资源、结构简单、成本低廉、便于总线扩展和维护等诸多优点。与其它温度传感器相比,DS18B20具有以下特性:独特的单线接口方式,在与微处理器连接时仅需要一条接口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信。DS18B20支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的信号线上,实现多点测温。DS18B20在使用中不需要任何外围元件。测温范围-55+125,固有测温分辨率0625。测量结果以912位数字量方式串行传送。 DS18B20内部结构 DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM,温度传感器,非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。64位光刻ROM是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列号。 DS18B20的管脚排列如图所示。 图3-2 DS18B20引脚分布图引脚功能如下NC:空引脚,悬空不使用; VDD:可选电源脚,电源电压范围35.5V。工作于寄生电源时，此引脚应接地; DQ:数据输入/输出脚,漏极开路,常态下高电平。 DSl8820的核心功能部件是它的数字温度传感器,其分辨率可配置为9、10、11和12位,出厂默认设置为12位分辨率,对应的温度值分辨率分别为0.5、0.25、0.125和0.0625。温度信息的低位、高位节内容中,还包括了符号位S(是正温度还是负温度)和二进制小数部分。3.6单片机的选择AT89C52 ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机片内含8K byTES的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256 byTES 。的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052 产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU ）和FLASH由存储单元，功能强大AT89C52单片适用于许多较为复杂控制应用场合。 89C52单片机中文资料主要性能参数：与Mcs-51产品指令和引脚完全兼容。8字节可重擦写FLASH闪速存储器1000 次擦写周期全静态操作：0HZ-24MHZ三级加密程序存储器256X8字节内部RAM32个可编程I/0口线3个16 位定时计数器8个中断源功能特性：AT89C52 提供以下标准功能：8字节FLASH闪速存储器，256字竹内部RAM , 32个I/O口线，3个16 位定时计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89c52可降至OHz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电上作模式。空闲方式停止CPU 的工作，但允许RAM，定时计数器串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3.7数据的读取大致流程图如图：开始键盘扫描键盘扫描相关参数设置温度检测超过极限？报警结束并显示温度温度显示延时图3-2 数据读取流程图3.8 DS18B20单片机实现温度转换读取温度数值程序的流程图如图：开始初始化DS18B20应答脉冲 否发起读取的命令 是发起转换命令延时1s等待温度转换完成初始化DS18B20应答脉冲否 是发起读取命令读取第一二字节即为温度数据图3-3 单片机实现温度转换读取温度数值程序的流程图3.9蓝牙模块的选择BF10-A蓝牙通信 模块为深圳蓝色飞舞科技有限公司自主开发的智能型无线数据传输产品，是一款非常方便用户使用AT命令进行修改蓝牙参数的模块。 BF10-A模块支持： 1200bps2764800bps等多种接口波特率。 修改波特率、蓝牙名称、设备类型码及配对码 支持主从模式，灵活用在不同领域 SPP蓝牙串行服务，非常方便和手机、PC等连接 更详细参数参考蓝牙模块BF10手册 技术特征 ：工作频段：2.40 GHz2.48GHz 蓝牙规范：v2.0 CompliantEDR EDRV2.0，最高可支持3M调制模式 支持7个从设备 USB 2.0和UART接口 低电压电源，2.7V to 3.6V 正常供给电压：3.30.1V 内置 8Mbit Flash 工业级设计尺寸：27 x 14 x 2.5mm 可以替代串口线操作 可以与手机蓝牙进行串行通信3.10本章小结 水温蓝牙无线传感器的设计主要在于单片机和传感器的选择，因为施工现场条件有限，所以蓝牙无线传输起了很大作用，对及时的故障诊断与解决起决定性作用。第4章 蓝牙网络及拓扑结构4.1蓝牙微微网蓝牙系统包括点对点连接方式和点到多点连接方式。在点到多点的连接方式中，多个蓝牙单元共享通信信道。共享通信信道的蓝牙单元构成微微网，微微网中的成员设备之间采用蓝牙无线通信技术进行通信。在蓝牙射频操作中的跳频同步序列系统(FHSS)，通信信道是由已定义的伪随机跳频序列组成，跳频速率为1600跳秒。基带操作定义了微微网的跳频序列是如何产生，设备如何获知并遵循跳频序列并随即加入微微网，在微微网中的设备如何以同等通信方式发送和接收数据分组。蓝牙微微网以一种特殊的方式形成，不依赖于蜂窝网络中的基站或WLAN网络等设备的专门支持，设备之间可以通过查询方式相互通信。基带协议建立了规则，按照这些规则建立了一些特殊连接，设备以同等方式相互通信。主单元从单元从单元从单元从单元从单元从单元蓝牙最基本的网络组成是微微网(Pico net)，同一微微网上的单元之间共享一条信道，一个微微网必须有而且只有一个主单元(master unit)，其余为从单元(slave unit)，主单元控制微微网从建立到数据传送以及到最后结束通信的整个过程，如图3-1所示。 图4-1 蓝牙微微网结构为了简化网络的控制，蓝牙限定了微微网的单元数量，同一时间一个微微网最多只可以有7个从单元处于活动状态，其余从单元处于休眠状态。4.2蓝牙散射网为了消除限制数量对通信的影响，也为了提高频谱的利用效率，蓝牙允许同一区域同时存在多个微微网，这样的多个微微网就构成一个分布式散射网(Scatter net)，如图3-2所示。各微微网拥有自己的信道，微微网之间不做任何协调。这样蓝牙利用简单的网络控制就达到多对多的通信。但也增加了蓝牙器件之间相互干扰的可能性。微微网中的通信信道的跳频序列是用微微网的伪随机序列来定义，每个微微网信道的跳频序列互不相同。由于微微网中数据传输的跳频特性，同一区域可以同时存在多个在时间和空间上部分或完全重叠的微微网，这几个微微网就构成散射网。每个微微网有自己的主单元，跳频序列相互独立。各个微微网的跳频序列和状态由各自的主单元决定。Master Slave图4-2 散射网结构当设备成为散射网的成员后，便可以在多个微微网中进行内部通信。一个微微网的主单元通过呼叫，可以使其他微微网的主单元或从单元成为这个微微网的一个从单元。另外，属于某个微微网的单元可以呼叫其他微微网的主单元或从单元。所以，在散射网中，一个蓝牙单元可以同时属于一个或多个微微网，既可以作为某些微微网的主单元，同时又可以作为另外一些微微网中的从单元。因为发起呼叫的单元总是一个微微网的主单元，所以在需要的时候会发生主从角色的转换。1.机群微微网调度策略机群蓝牙无线监控系统的目的是将所有的单机监控的监控数据都汇总到现场监控中心计算机。因此蓝牙无线监控系统网络拓扑结构采用星形结构。每个单机监控子系统通过点对点链路连接到现场监控中心，采用集中式访问控制策略。蓝牙设备开机后处于待机状态，是蓝牙设备的默认状态，以本地时钟运行。若要建立连接状态，如图4-5所示，蓝牙设备需要经过一系列中间状态，即查询(Inquiry)阶段和寻呼(Page)阶段。其中，查询、查询扫描、查询应答状态等属于查询阶段，寻呼、寻呼扫描、呼叫应答、主设备应答等属于寻呼阶段。进入连接状态后，主设备和从设备之间可以相互通信。另外，蓝牙设备从连接状态也可以进入到中间状态，邀请另外一些设备加入到该微微网，或主动加入到其他的微微网中，因此可以动态地组网，在信号的处理方面比较复杂。蓝牙设备工作状态的转换如图4-6所示。端口初始化开始检测接收端口，有上层信息吗？接收传感器端口检测信号读入故障极限值，超限分析第i个参数超限吗单机状态参数标准值数据库数据存入RAM数据送入显示模块，参数显示系统时钟端口选择及控制结束检测上层接收端口上层信息解码，结果送显示缓存显示器操作者声光报警NNYY 图4-4 单机监控系统工作流程只有主设备和从设备之间可以直接通信，从设备之间没有直接建立连接，而必须通过主设备中转。并且规定，主从设备间的分组传输采用时分双工形式，时隙（625s）根据蓝牙微微网中主设备的时钟来编号，主设备在偶数时主设备 从设备待机查询寻呼连接查询（ID）查询阶段 查询回应（FHS）寻呼（ID）寻呼阶段 寻呼回应（FHS）主设备回应（FHS）回应（ID）连接阶段 图4-5蓝牙主-从设备连接过程 图4-6 蓝牙设备工作状态转换隙上发送信息，而从设备在奇数时隙上发送信息。主设备发送的分组长度最多可达35个时隙，在同一个分组发送期间，频率保持不变。采用公平彻底轮询策略（FEP）的调度机制，在FEP中，从设备被分成两组：活跃节点组和非活跃节点组。在活跃节点组内的从设备以循环轮询策略（RR）方式被轮询（不论从设备是否有数据发送，主设备都以周期循环的方式轮询从设备。其中循环次序是事先已经约定好的）。从设备中连续未使用的轮询数量或者轮询的平均成功率可以作为从设备活跃性的衡量标准。如果个从设备被发现处于非活跃状态，则它不再是活跃组的成员，并将成为非活跃组的成员49。每一个从设备都有一个轮询间隔Tpoll。一般来说，最大的轮询间隔被FEP用于轮询非活跃状态的从设备节点，以检查是否这个从设备已经成为活跃节点。如果事先知道业务的需求，则FEP可以用比RR更有效的方式在从设备之间划分带宽。2.机群散射网的调度策略在平面结构中，相邻微微网之间通过共享从设备进行通信，共享的从设备在保持或休眠模式与活动模式之间切换，可以在这些微微网中交替地处于活动状态，实现微微网之间的通信。如图4-7所示属于这种结构。这种结构是分布式的，利于负载平衡，也更为健壮。蓝牙散射网中各个微微网的跳频序列和状态由各自的主设备决定，是相互独立的，会随机地在相同频率上发生冲突，因此，同个区域内的微微网越多，相互之间的干扰就越大。散射网中存在互连两个或两个以上微微网的桥接设备，它们为多个微微网共享。由于桥接设备在整个蓝牙网络中的特殊性，使得桥接设备只能作为一个微微网的主设备，但是可以同时成为多个微微网的从设备。这样，微微网之间的业务只有通过桥接设备来处理。微微网2微微网3微微网1 主设备 从设备 从设备/主设备 主从设备关系图4-7 蓝牙散射网的平面拓扑结构蓝牙散射网采用跳模式调度策略，其结构是完全分布式的，通过给节点提供灵活性，保证它在不同微微网中的行为与业务条件相适应，而且分布式的结构可以很容易地实现节省功率。跳模式允许节点“跳进”或“跳出”跳模式链路。在跳模式的一条链路上，从设备和主设备都可以作为跳节点。跳模式链路默认跳节点的存在。当跳节点要在链路上出现时，它必须通知链路上的对端节点。每个跳节点把自己的活动时间划分为伪随机长度的时间窗口，规定为约会窗口。在跳节点跳到其他微微网之前，它要花费一个或者更多的约会窗口，而且还要通知其他所有相关的节点。在一个约会窗口中，如果跳节点在跳模式链路中出现，则容量由常规的微微网间的调度机制来分配。跳主设备像往常一样轮询它的从设备，而跳从设备可以和主设备的轮询方案结合起来。在跳模式中，跳节点在所有与之相关的微微网中都使用相同的约会窗口序列。约会窗口的概念加上简单的信令协议就可以使跳节点的对端知道在每个约会窗口中跳节点是否会出现在它们的链路中。尽管约会窗口是伪随机长度的，但是固定的带宽还是能够得到保证。跳节点用伪随机长度的约会窗口来安排节点的操作，每个跳节点使用惟一的约会窗口序列。连接多条链路的跳节点只能定义一个惟一的约会窗口序列，它对所有链路按时间进行分配。使用伪随机长度约会窗口的主要原因是为了避免约会点的冲突。约会窗口的伪随机序列可以通过多种方式产生，其基本过程包括下列3个步骤：把时间划分为长度为Nsf的间隔；在每个间隔内以伪随机方式选择帧成为约会点；相邻约会点的间隔就构成了约会窗口。在跳模式调度算法中，微微网内部的调度机制仍然像往常一样工作，它可以在微微网内部进行带宽公平有效的分配，同时为了避免被轮询的节点不存在，也兼顾微微网间的调度。4.3测试系统的拓扑结构1拓扑结构的总体设计 测试系统的拓扑结构是由智能检测装置、现场设备、网络设备及计算机设备等互联布局而成，跟据系统的需要可将系统分为智能检测装置层、现场设备层、网络设备层。这种分层标准符合当前工程机械现场安装设备及调试等的应用，即实现了数据的及时采集、传送、分析、反馈等功能。 各个层的具体形式如下：（1）智能检测装置层 位于工程机械特定装置上，由传感器、单片机、蓝牙模块组成，负责将工程机械的实时状态数据由传感器采集，由单片机整理储存控制，再由蓝牙模块传送给工程现场设备。（2）现场设备层 位于工程机械现场，由计算机等智能装置组成。负责将蓝牙模块通过无线连接传输到计算机，通过计算机分析处理显示当前工程机械的工作状态以及是否符合健康工作标准，及时显示在屏幕，给工作人员的设备维护提供正确的指导与及时帮助。（3）网络设备层 网络设备层由嵌入式蓝牙网关组成。主要负责工程机械的故障不能由现场设备检测或处理，经过嵌入式蓝牙网关与互联网联网，把实时数据传送到云端的专家故障诊断系统及时的做出判断与故障诊断结果。拓扑结构的总体框图如图所示：数据采集在线监控（单片机或数据采集芯片）数据采集在线监控（单片机或数据采集芯片）现场工程机械1现场监控中心蓝牙适配器现场工程机械2现场工程机械n客户计算机远程故障诊断中心故障诊断专家系统Web服务器设备信息数据库历史数据服务器Internet嵌入式蓝牙网关蓝牙无线数据传输模块蓝牙无线数据传输模块蓝牙无线数据传输模块 数据采集在线监控（单片机或数据采集芯片）图4-8拓扑结构的总体框图4.4本章小结 测试系统的拓扑结构的应用可以缓解工程机械现场面积大而限制蓝牙无线连接的问题，对工程机械整体规划起了很大作用。第5章 故障诊断专家系统 现今制造与施工过程中,多品种、多数量机械设备协同作业情况越来越普遍。对于整个机群进行故障诊断是现代工程机械诊断技术和现代化施工技术的发展方向。为了保证机群有效运行,研制了一种多功能、智能化的机群故障诊断系统。该系统采用了人工智能技术、计算机技术、信息技术、传感器技术等,对工程机械机群设备的运行进行状态监测,及时诊断故障原因并提出解决方案。最终实现减少工程机械故障停机,提高工作效率。并且该系统在高等级公路施工工程中得到有效的应用。5.1 故障诊断专家系统的结构工程机械故障诊断专家系统主要由监测数据库、诊断知识库、推理机、解释系统等组成，其故障诊断专家系统基本结构见图3-8。 机群监测数据库是保专家、开发人员知识获取和学习系统解释系统推理机诊断知识库人机接口用户机群监测数据库诊断结果数据库图5-1故障诊断专家系统基本结构存组成工程机械机群的单机在线监测得到的数据信息，主要用来作为后续诊断的依据。诊断知识库主要包括专家经验知识、待诊断对象的知识等。诊断知识数据库包含诊断知识、故障对策和动态数据库；动态数据库包含中间结论、最终结论和症状信息。远程故障诊断中心主要由用户管理及登陆模块、 故障诊断专家系统、 技术交流、专家会诊、故障词典等模块组成。由于工程机械故障的多样性、突发性、成因的复杂性、工程机械移动作业的特点和进行故障诊断所需要的知对领域专家实践经验和诊断策略的依赖，使专家系统的方法是诊断的首选。5.2工程机械故障诊断系统构成工程机械机群故障诊断系统主要包括三部分:单机监测与故障诊断、工程机械机群监测与故障诊断和远程网络故障诊断。（1）单机监测与故障诊断它是整个故障检测与诊断系统的重要环节。在每台单机上都配备单机控制系统，该系统利用各种传感器，对单机的主要动态参数信号进行在线实时监测。对于单机上的一些简单参数,当单机控制器检测到信号异常时,立即点亮警示灯并进行报警,同时将此信息传至工程机械机群故障诊断系统。此外,完成人工故障信息的输入与传输。即当单机操作者通过感官和经验发现故障时,可通过单机控制器将故障信息输入,然后将此信息传至工程机械机群故障诊断系统。有经验的操作者可以直接参与诊断。（2）工程机械机群故障诊断系统该部分是整个系统的主要部分,包括一个故障诊断专家系统,可以针对当前的问题提供解决方案。当单机控制器将故障信息传至故障诊断专家系统后,专家系统需要完成四项工作:一是对故障信息进行分析处理,判断故障原因,提出解决方案,预测停机时间;二是将故障原因及处理意见传至单机控制器,指导操作者作业;三是根据发生故障的机种在工程机械机群中的权值、故障部位在单机上的权值以及故障严重程度的权值判断该故障对整个工程机械机群工作的影响,并将此信息传至工程机械机群中央控制系统,便于调度管理;四是当专家系统无法做出故障原因及处理意见的判断时,及时将此信息传至远程状态故障诊断系统,进一步判断。（3）远程网络故障诊断远程网络故障诊断是计算机科学、通讯技术与故障诊断技术相结合的一种新的设备故障诊断模式。它基于GSM/GPRS无线通讯网络完成整个过程:从监测现场提取诊断信息,对诊断信息进行加工,通过网络远距离传输给远程诊断中心,中心对监测信息分析诊断,把诊断结果经网络传输至监测现场用以指导维修。5.3机群现场监控中心体系结构工程机械施工机群通常由挖掘机、摊铺机、压路机、装载机、拌和站、推土机等主要设备组成。如果距离在100米范围内，在整体布局上可采用分布式结构，如图5-2所示。整个机群可使用便携式电脑作为监控中心，通过蓝牙技术将单机与监控中心联网。单机上装设车载嵌入式智能监控器，重点完成单机的状态参数、故障征兆、地理位置和特殊事件等信息的采集、处理和状态识别功能,并提供键盘、显示屏等人机接口设备,实现与操作人员的交互。数据采集模块数据采集模块数据采集模块数据采集模块装载机摊铺机压路机拌和站现场监控中心（便携式电脑）单机监控子系统（嵌入式监控器）蓝牙无线数据传输模块蓝牙无线数据传输模块蓝牙无线数据传输模块蓝牙无线数据传输模块单机监控子系统（嵌入式监控器）单机监控子系统（嵌入式监控器）单机监控子系统（嵌入式监控器） 图5-2 机群现场监控中心体系结构各台单机共享机群监控中心同一套诊断专家系统和不同的数据库。使机群设备实现实时监控；单机监控子系统要实时监视单机的各参数运转状态，异常情况下发出报警指示；同时，还要能接收机群监控中心发出的调度指令。5.4本章小结以上阐述的工程机械机群故障诊断系统,实现了对工程机械设备进行实时状态监测,及时发出故障警告和进行故障诊断,最终提高被测试系统的智能化程度,整体协调管理。该系统具有普遍的应用性,适用于各种工程机械机群。工程机械机群故障诊断系统在我国有广泛的应用前景和实际的经济价值,值得进一步深入研究和推广。结 论1结论蓝牙是一种低功耗的无线技术，可应用于多种通信场合。为了实现互操作，应遵循蓝牙协议规范，在远程设备上的对应应用程序必须以同一协议栈运行。主机控制器接口(HCI)处于蓝牙协议栈的中间层，它提供了蓝牙主机访问蓝牙主机控制器的基带与链路控制器、链路管理器、状态寄存器等硬件的统一接口。HCI的物理接口包括USB、RS232、UART、PC卡4类，使用较多的是USB、RS232和UART接口。UART和RS232传输层都采用UART异步串行通信方式在蓝牙模块和蓝牙主机间进行数据传输。各台单机共享机群监控中心或远程的同一套诊断专家系统和不同的数据库，使机群设备实现实时监控。现场技术人员将反映设备状态的数据通过现场监控中心计算机经由蓝牙适配器和蓝牙手机与Internet网络连接，发送给远程故障诊断中心，并提请故障诊断及远程信息咨询等服务。使用工程机械自身的传感器、智能传感器或无线传感器，装备了蓝牙模块，使之具有无线通讯能力。对于每一台被监测工程机械上的所有传感器，可以与数据采集
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