工程机械蓝牙无线远程故障诊断系统研究【优秀机械机电毕业设计论文】【A6185】
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工程机械
蓝牙
无线
远程
故障诊断
系统
研究
钻研
优秀
优良
机械
机电
电机
毕业设计
论文
a6185
- 资源描述：
-
文档包括:
说明书一份,38页,22100字左右.
任务书一份.
图纸共3张,如下所示
A0-远程故障诊断总体结构图.dwg
A0-电路图.dwg
A0-拓扑图.dwg
- 内容简介：
-
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 工程机械蓝牙无线远程故障诊断系统 研究 一、设计 目的、意义 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。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 10 100 米超远的 无线连接距离，接口方面兼容 大传输速率 1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 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） 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。 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； 牙适配器 ：符 合蓝牙 规范。传输距离为 100 米 。操作频带在 间，采用 跳频展频 ) 技术，灵敏度 5. 通道：电流、油压、流量、油温、水温、电压等 1 4 通道； 时采样一次。 数据通讯链路在 10 20内建立。 支持转换的通信接口： 路通信方式：点到点，点到多点。 最高传输速率 1 三、设计完成后应提交的 成果 图纸总量不少于 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 确设计任务，查找文献资料，完成开题报告； 体方案的拟定； 牙远程无线故障诊断，嵌入式蓝牙网关设计 ； 络通信结构与实现，远程故障诊断系统的结构及运行模式 ； 制 蓝牙无线传 输原理 图 ； 写设计说明书； 成设计准备答辩。 五、 主要参考资料 1 郁滨，卢小亮 J2009,30. 2 任小洪 ,傅成华 ,胡科 J2009,28(1):163 梁宏倩 ,车鹏飞 J2008,(23):524宁甲琳 ,丁养燕 ,王旭 ,张彦生 J2006,（ 6） :39 5 谢红辉 通信技术 J. 2008,41(7):1336 唐志航 , 唐北平 , 陈世清 . 基于 远程故障诊断系统的研究与设计 J. 机床与液压 ,2009,37(2):1967韩清鹏 ,王黎 ,郭刚 J2009， 8（ 1）： 388杨瑞 J. 计算机应用与软件 9彭述清 ,王恩永 ,苗爱敏 ,施心陵 的远程数据采集 J2009,（ 5） :710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 J21、备注 指导教师签字： 年 月 日 系 主任签字： 年 月 日 本科学生毕业设计 工程机械蓝牙无线远程故障诊断系统研究 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生姓名 ： 张国平 指导教师 ： 李伟 职 称 ： 教授 黑 龙 江 工 程 学 院 二一二年六月 s 08黑龙江工程学院本科生毕业设计 I 摘 要 该项目主要研究蓝牙技术在工程机械监控及故障诊断中无线数据传感技术，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 黑龙江工程学院本科生毕业设计 he in of in of in in of in to of of be of no be in 黑龙江工程学院本科生毕业设计 目 录 摘要 . . 第 1章 绪论 . 1 述 . 1 献综述 . 2 本内容和拟解决的问题 . 3 本内容 . 3 解决的主要问题 . 3 第 2章 嵌入式蓝牙网关的研究 . 4 发环境的搭建 . 4 处理器模块 . 4 储器模块 . 5 太网接口模块 . 5 试接口模块 . 5 牙接口模块 . 5 入式蓝牙网关的协议体系结构 . 6 议的实现 . 7 互操作 . 8 数据处理方式 . 8 数据包 . 8 状态流程 . 9 实现的过程流程图 . 10 蓝牙设备中的实现形式 . 10 帧分析与流控制 . 11 通信流程 . 12 状态过程 . 12 黑龙江工程学院本科生毕业设计 数据处理流程 . 12 拟串口设备的管理 . 13 域网接入模型的实现 . 14 域网接入模型中的协议 . 14 域网接入模型的通信过程 . 15 议 . 16 议的状态转移 . 16 议的实现 . 17 据终端对局域网的访问 . 17 章小结 . 17 第 3章 水温蓝牙无线传感器 . 18 片机的简介 . 18 于单片机的温度传感器设计数字温度计的发展现状 . 18 路介绍 . 19 作所需原件及其功能 . 19 度传感器的总体设计 . 19 件说明 . 19 温蓝牙无线传感器的总体结构框图 . 20 介绍 . 20 片机的选择 . 21 据的读取 . 22 . 23 牙模块的选择 . 24 章小结 . 24 第 4章 蓝牙网络及其拓扑结构 . 25 牙微微网 . 25 牙散射网 . 25 试系统的拓扑结构 . 29 章小结 . 30 第 5章 故障诊断专家系统 . 32 障诊断专家系统的结构 . 31 黑龙江工程学院本科生毕业设计 程机械故障诊断系统构成 . 31 群现场监控中心体系结构 . 32 章小结 . 33 结论 . 34 参考文献 . 36 致谢 . 38 黑龙江工程学院本科生毕业设计 1 第 1 章 绪 论 述 该项目主要研究蓝牙技术在工程机械监控及故障诊断中无线数据传感技术，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 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 10 100 米远的 无线 连接距离，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 10 100 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，蓝牙黑龙江工程学院本科生毕业设计 2 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 献综述 1998 年 5 月，爱立信、诺基亚、东芝、 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。该系统以蓝牙模块核心，通过对蓝牙 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 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 50G 计算机监控系统还配备有 导诊断系统和以维修工具为基础的 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。 92G 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 (司的 L 系列装载机上也安装有 件包，用以监控和分析装载机的工作状态；其小型装载黑龙江工程学院本科生毕业设计 3 机上配有电子伺服控制及信息系统 (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 (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 （ 宣布，采用低能量蓝牙无线技术，这是蓝牙核心规格 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， 远程医疗系统。 本内容和拟 解决的问题 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。 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 。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 4 第 2 章 嵌入式蓝牙网关的研究 发环境的搭建 嵌入式蓝牙硬件的部 分以 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 口的蓝牙模块组成。硬件总体框图如图所示： 图 2入式蓝牙网关硬件平台框图 处理器模块 硬件平台采用韩国三星的 理器 为微处理器，这是一款基于 核，采用 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。 持两种指令集 :令集和 令集，其中 ， 令集为 32 位的长度， 6 位 长度。 令集为 令集的功能子集，但与等价的 以节省 30%上的存储空间，同时具备 32 位代码的所有优点。 同时， 片集成了大量的功能单元，包括 :16令和 16据的缓存 ( 置外部存储器控制器、 制器 、 4 个带外部请求线的3 个通用异步串行端口、 1 通道的 个多主 线、一个 线控制器、两个 主机 (元，一个 设备 (口、 1 17 个通太网接口模块 制接口模块 存储模块 蓝牙模块 黑龙江工程学院本科生毕业设计 5 用 I/O、触摸屏接口和 8 个通道的 10及实时时钟单元 等。 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。 储器模块 存储器模块包括一片 16 两片 16于固化 序和 核映像文件和文件系统以及蓝牙协议栈和所有应用程序， 程序运行的区域。 开发板的 由两片 16M16 位数据宽度的成，两片拼成 32 位模式，共 64M，公用 址范围为00始物理实地址： 0 射后地址为 0的是一片 8M16 位数据宽度的 28址范围为 00照 理器手册 ， 装在 址应该为 0，但由于 址是循环映射，0是 0 地址，其中引导代码 烧写在地址 0 处，内核写在 0始处，根文件系统烧写在 0址处。 太网接口模块 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 展的 10M 以太网接口和通过 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。 试接口模块 通常硬件调试接口有 种， 列芯片所需要的测试工具接口是 以用该接口进行在线仿真、调试、下载和烧写 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 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。 牙接口模块 硬件平台采用外扩 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 计生产的蓝牙适配器。 蓝牙适配器的特性如下 : 黑龙江工程学院本科生毕业设计 6 (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（ 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 范支持全新的 高数据传输速率 )，最高带宽将高达 36在对蓝牙语音的支持上面， 牙设备也有更大的优势，可提供更优良的音质。 (3)新增的 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 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 2内存。提供蓝牙通信缓冲及蓝牙固件存储，确保通信可靠度。 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： 图 2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 议来支持上层网络应用（ P 等网络协议 拟串口 2B 题实现 黑龙江工程学院本科生毕业设计 7 P 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行通信。 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 B 协议已经固化到硬件中，无需开发。 2议的实现 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 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 接。为了实现这一点它必须与上层协议、下层协议和对等 议进行各种交互。 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， 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 (不支持同步面向连接的服务 ( 据包是利用基带的 据包来传输 。 议的主要功能有： (1)协议复用 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 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 (传输高层协议，将会限制带宽的利用率。因此 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 组。 （ 3） 在 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 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。 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。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 8 2互操作 客户端蓝牙设备 服务器端蓝牙设备 求 认 应 示 求 底层请求 底层确认 应 底层响应 底层指示 物理链路 图 2的互操作 图 2示了 的互操作过程， 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 体信令命令。 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数据处理方式 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 而提高通信的效率。从 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 送数据时，执行重组处理，组合成适合 数据格式， 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数据包 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 体间的数据流。 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： 头 16 16 2 的数据封装格式 面向无连接信道 ： 上层协议 上层协议 层 层 长度 信道 效载 荷 黑龙江工程学院本科生毕业设计 9 16 16 16 22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， 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状态流程 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 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。 事件是指在一定时限内到达 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 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 (2)从上层来的事件称为“请求” （ ,相应的回答称为“证实 (从低层来的事件称为“指示” (相应的应答称为“响应” (需要有进一步的处理过程的响应称为“中间响应” (如果是表示否定的应答，在相应的记 号后加上“ 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。 长度 信道 效载荷 黑龙江工程学院本科生毕业设计 10 2的实现过程流程图 1，请求方 建立逻辑 信道过程模块流程图 O 22的实现过程流程图 蓝牙协议中模拟串口，实现 和基于 的协议层的数据交互。 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。 蓝牙设备中的实现形式 过 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 道，以连接两个设备 体，两个设备之间只允许同时存在一个 接，但是该链接是可多路复用，故两个设备时间可以再一条 接之上存在多大 60 条逻辑链路，但是没有规定 2辑信道 请求方 逻辑信道 建立模块启动 创 建 组 进行 打包 发送到下层 模块 分组 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 记录返回参数 建 组 进行 打包 发送到下层 模块 分组 方向设置及模块 请求方 逻辑信道建立模块结束 黑龙江工程学院本科生毕业设计 11 多路复用实现的层次。 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，识控制信道， 可用， 系统保留值，在两个设备之间的 话期间， 唯一的。 如果蓝牙设备支持多个设备之间的串口仿真，那么 体必须能够运行多个 路复用器会话，每一个多路复用器都使用期 道 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 使用 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 多 路复用能力来实现 多路复用。 帧分析与流控制 议层命令的执行和数据的发送都是通过各种帧来完成的。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 路控制协议。主要包括 :设置异步平衡模式帧 ( 无序号响应帧 (断开模式帧 (断 开 连接帧 (带头校验的无序号信 息帧 （ 。其中 命令帧， 响应帧， 可以是命令帧，也可以是响应帧。 在建立 接时，首先需要发送的是 ，其中所携带的 接。 是在接收到需要响应的帧时 (如 )，发送的响应帧。 用来向对方确认本地当前的状态。 用来断开某个 用来装载有效用户数据，以及多路控制命令 (当为普通用户 数据的时候，通过非控制信道 (来传输 ;当是 令时，通过控制信道 (输。 令包括 放在 信息域字段里面传输。 较低层 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 (提供的流控制机制外， 有自己的三种流控机制。 （ 1） 议定义了能对两个 体之间全部数据流操作的流控制指令 对所有的 起作 用。如果本地会话不能接收更多的数据，则发送 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 12 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 是对单个 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。 通信流程 道是建立在 道基础上的，建立 接时，首先要建立 道，并且进行相应的配置。通过查询 据得到使用该服务所需要的通道信号。 状态过程 通过状态机可以清楚的分析 通信流程，状态机共六种状态，包括 开状态 )、 接状态 )、 断开连接过程中状态 )、 接过程中状态 )、 置状态 )、 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 信道的参数配置和 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 令，则进入 在 态中，收到 令，则进入连接状态。在任何状态中，收到 路丢失通知， 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。 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 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 黑龙江工程学院本科生毕业设计 13 序，它起到了一个中继者的作用。 no 2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 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。 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 开始 发送 据，启动定时器等待直到响应到达 发送 据帧阻塞，等待直到响应到达。 存在 连接是否超时 结束 发送 接请求 阻塞直到连接响应到达 发送 置请求 阻塞直到请求确认到达 错误处理 黑龙江工程学院本科生毕业设计 14 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 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 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。 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（ 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 的点对点协议 (其次， 显示了如何使用同一个 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 号网络连接，并且可以访问 供的所有访问。 一种允许接入到网络的普遍配置方式。 供鉴权、加密、数据压缩和多协议便利。在 上的 经被选为给蓝牙设备提供 入的方式，因为具有给设备配置 件的大型安装基础。在 以支持多种网络协议，由于在现有网络中 议被公认为最重要的协议，因此在 支持 议。 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 务并连在 的设备而。 接在 传送， 以用来传输 据包并且可以作为 据终端是使用 务的设备，典型的 备有蓝牙笔记黑龙江工程学院本科生毕业设计 15 本电脑，蓝牙 牙 。 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 : 2域网接入协议栈 局域网接入模型中主要的协议有： (1)议： 点到点协议，它属于数据链路层协议的一部分。议主要负责粗无检测，实现网络层协议复用，协商连接时的 址，进行身份验证等。 (2)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)议：负责仿真 传输信道和控 制方式，为 提供一个类似串口的通道。 (4)议：负责支持高层的协议复用。数据包打包，拆包，传递 (5)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 形成，检纠错，加密和鉴权。 ， 使用是关键，它用于再说数据终端和接入点之间建立连接，立在 上 ， 一旦 接建立后，传统的 决方案就可以建立在其之上，从而完成一些诸如获得 质等网络功能。 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 数据终端要求接入局 2 E P E 龙江工程学院本科生毕业设计 16 域网时，首先启动服务发现协议，向作出回应的 出查询请求。 时作为 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， 制可以提取建立 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 ，若二者间无物理连接，则 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 2路。 (4)作为可选安全措施， 以适当的采取 鉴权机制。 (5)建立连接后数据终端和 可通过 据流进行网络通信。 (6)任何时候 ， 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。 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 ， 要发起若干任务，主要有：查询扫描任务 ，负责监视有无 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 够同时支持与多个 持通信。 议 使用 议是 用模型中非常重要的一点，也是 关键所在，因为 议很好的解决了点对点通信的问题， 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 项等功能。 议的状态转移 数据通信设备的两 端如果希望通过 议建立点对点的通信，无论哪一端的设备都需发送 据报文来配置链路 (测试链路 )。一旦 配置参数选项协商完后，通信的双方就会根据 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 置参数选项的协商，直至所经历的 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 链 路关闭报文时 (一般而一言协议是不要求 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 商阶段或应用程序会话阶段发出的 );物理层无法黑龙江工程学院本科生毕业设计 17 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，从而终止话。 议的实现 如果使用公开的 码实现 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 由于嵌入式操作系统选用的是 务 功能，在 对 入对 选项。同时，由于在设计中加入了虚拟串口的支持，可采用 很多现有的应用程序，在嵌入式蓝牙网关 (可以使用 作系统上的 接收进入的连接请求，使用 构建客户端，从而实现网关与数据终端 接。 据终端对局域网的访问 当 建立 路后，在链路的两端将产生一对 址，这是由 议中的网络控制协议 (配协商得到的。但这里的 址与一般意义上的 的 址是不同的。这里每个拨号网络终端的 址是由 时动态分配的。每个终端在连接过程中拥有 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 网的 说，其 址对网络是不可见的，可以说是虚拟的 址，只有 能从外部获得一个真正有效的 址。因此，为了与局域网进行通信，必须在 设置地址转换功能。对于 向外发送的 ，将源地址转成 的有效 址，而由局域网发回的 将其目的地址转换为响应的内部 址。在多对一的情况下，为了能区分发送到不同 数据包，可以在 设置一个地址转换表，将不同的 P 包对应于 不同的虚拟串口端口送出，而从局域网发回的而可以按照此表，对应到相应的 而实现多个 过 问局域网。 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 议、议、 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 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。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 18 第 3 章 水温蓝牙无线传感器 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（ 、数据存储器（ 程序存储 器（ 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 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。 黑龙江工程学院本科生毕业设计 19 路介绍 该电路是由 18度传感器作为温度传感元件，并由 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 3 温度显示和控制的范围为： 55 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 18引线引出，但是距离不宜过大，注意引脚要绝缘。 作所需电子元件及其功能 表 3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 30p 片机的时钟振荡 电容 103 单片机复位 温度传感器 应温度变化数据采集 单片机 据处理传输等 电阻 10K 片机复位 电源 5关电源 开关电源 晶体 12M 片机的时钟震荡 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。 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 ， 必须使用温度传感黑龙江工程学院本科生毕业设计 20 器 ,将温度信息转换为电流或电压输出
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