基于蓝牙4.0技术的液舱遥测系统设计

李卫强，董良雄，严闻奇，杨雨滨

（浙江海洋学院海运与港航建筑工程学院，浙江舟山 316000）

0 引言

在船舶机舱管理中，为了有效地解决对液舱的多方位监控，可通过手持的LCD数据显示装置，实时液舱内液位高度、温度、液体密度、油舱表面燃气密度等重要数据。在加油现场，值班人员既要在机舱外及时控制加油速度和油泵开关，又需要及时掌握油舱液位变化情况，但在目前的船舶设计中，都不可能在加油现场布置液位监测装置，现在一般都是由多人分别对油舱液位监控监测和相应的加油操作控制，加油的准确性较大程度依赖人员之间的信息的传递与交流。因此，本设计从船舶液舱数据采集分析和传送入手，通过借鉴其他蓝牙产品和软件开发的设计，将数据采集装置、蓝牙等硬件和手持移动设备结合在一起，开发了一套基于蓝牙4.0传输数据的液舱数据实时采集和数据分析系统以辅助液舱监控设备的监控，可提高轮机管理人员对液舱舱的实时严控，最大限度地减少了机舱安全管理的盲区。

1 遥测系统整体结构设计

在供油现场进行加油操作时，要求无线传输设备必须具备高稳定性的特点。本设计以单片机和RF-BM-S01低功耗蓝牙4.0模块为主，包含前端数据采集、传送部分以及末端的数据接受部分等装置。数据采集系统一般应包括接收装置，传感器（以及调理电路），驱动电路三个主要的部分。传感器的主要功能是液位参数或状态，它将非电量的有关参数或状态转化成电信号，然后不失真地将有关信息提供给控制单元。控制单元由单片机、外围接口电路等硬件组成，主要完成信息的采集、处理、传输和时序的控制。本设计的前端数据采集部分由位于现场的HV201数字型液位传感器、A/D转换器、单片机、串口通信等构成,传送部分主要利用自带微带天线的蓝牙4.0模块进行数据的无线传输；末端通过蓝牙4.0模块、串口通信传输、手持LCD液晶显示。小型移动设备可以根据指令来控制数据的获取。在本系统中，可以采集液舱液位、温度、及锅炉液位等信号，在手持的液晶显示器上显示，具有良好的人机“对话界面”，还可以通过与上位机的通讯技术，实现在机舱集中监控台上实现对系统的控制，提高液舱运行管理及故障处理能力。本系统的结构框架如图所示。

2 遥测系统硬件设计

2.1 数字型液位传感器

数据采集通常有两种，一种是从数据源收集、识别和选取数据的过程。另一种是数字化、电子扫描系统的记录过程以及内容和属性的编码过程。本设计采用HV201数字型液位传感器。它是一种代码型传感器，电气部分输出的信号是数字代码，每一个码道的高低电平状态（高电平代码为“1”，低电平代码为“0”）随机械部分输入量的变化而变化，HV201脉冲数字型液位传感有四个码道，每两个码道占用一个字节。而其机械部分是一种线性电阻和磁铁组合成的一种传感器，当液位发生变化时，套在磁体上的浮子会上下移动与磁体一起产生信号，它具有连续测量液位的特点，其机械部分的安装形式如图所示。

HV201脉冲数字型液位传感器的电气部分由信号鉴别、编码整形、译码锁存和 BCD码输出组成，根据液位不同高度而导致磁体与浮子的不同组合，HV201数字型液位传感器输出“0”到“9”十个BCD码，其中A、B、C、D引脚分别于单片机的I/O口相连接。

2.2 发送与接收模块的设计

本设计采用UART方式在蓝牙设备和移动设备之间传输数据。UART具有通信可靠的特点，这对于复杂的机舱环境是非常重要的；由于采用TI的CC2540作为核心处理器，使得RF-BM-S01蓝牙模块具有低功耗的的特点，2 MHz 间隙能更好地防止相邻频道的干扰，宽输出功率调节(-23 dBm～4 dBm)，-93 dBm高增益接收灵敏度。鉴于机舱环境恶劣及 BLE特性特点，RF-BM-S01蓝牙模块首当其选。同时相对 WIFI，Bluetooth 2.0 等无线技术，有着能耗低，连接迅速，通讯距离更远等优势。

图2 HV201液位传感器机械部分

RF-BM-S01低功耗蓝牙模块的引脚如图3，本设计第1引脚即BRTS引脚（作为数据发送请求用来唤醒模块），低电平时：主机有数据发送，模块将等待接收来自主机的数据,此时模块不睡眠；高电平时：主机无数据发送，或主机数据发送完毕之后）接单片机的中断INT0（中断），3引脚即蓝牙的TX（发送）接单片机的RX，4引脚即蓝牙模块的RX（接收）接单片机的TX，5引脚接地，6引脚接3.3 V电源。

图3 RF-BM-S01蓝牙模块引脚图

3 测控软件设计

主机与蓝牙模块用指令--应答方式进行通信，当油舱液位发生变化时，传感器会感受到这种变化，并将物理信号转化为微弱的电信号并发送给单片机主控器，且当小型移动设备向蓝牙发送指令要求通信后，建立连接接收数据，否则等待；主机控制器执行某一指令后，大多数情况下会返回给主机一个指令完成事件分组，该分组携带有指令完成的信息。单片机和蓝牙模块间通信的过程是通过键入HCI指令，观察收到的HCI事件。当两个蓝牙模块建立链路成功后，就可以按照蓝牙规范规定的HCI数据包格式收发数据，其结构流程如图所示。

本设计的软件主要包括两部分：信号采集和蓝牙通信，采用Keil C51设计软件，它是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil则为其提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统，发送部分蓝牙4.0模块部分程序如下：

图4 结构流程图

此外在软件方面还进行了去抖动和可靠性设计，它应用方便，不需要增加成本，是经常使用的一种可靠性设计的方法。设计采用常用的状态检测的方式控制外部 I/O口的输出和看门狗技术。

1)状态检测的方式控制外部I/O口的输出：在 HV201液位传感器采集到液位变化的信号后发送至下位机，而下位机并不立即执行与蓝牙4.0的串口通信，而是继续执行接收HV201液位传感器的信号，在执行了已设次数的接收信号后，确保液舱液位是真正的升高或是下降，则下位机执行与蓝牙4.0的串行通信，由于下位机扫描时间只有几百毫秒，所以执行的效率非常高。这样，便可去除因船舶在航行时晃动而导致的液舱液位的不稳定和偶然因素。

2)看门狗技术：通过计数器对下位机主控器的运行进行监督，若下位机系统运行正常，则通过程序指令定时对计数器清零；若下位机系统运行出现故障，则计数器会溢出，而一旦溢出，则下位机必须重新执行，并且不会改变内部的RAM，直到下位机运行正常。

4 系统安全性能设计

为提高装置的可靠性，就必须对来自装置本身故障进行有效的识别，本装置要求具备自检及传感器断线、短路等在线诊断功能。

传感器输入通道不正常时，采集点的电压可能会出现0 V～5 V之间的某个值，而数据采集部分自检结果会显示正常。针对这种情况采用了传感器短路断路自检，当执行自检时。

鉴于船舶在加油时存在一定的摇晃，可能会降低液位测量的准确度。经过试验，由下位机内部的组成系统所产生的内部干扰，主要是由于HV201液位传感器电气部分输出线之间的串扰、数字信号与模拟信号及交流地的影响、相邻 I/O口的耦合等因素造成的，针对这些干扰，可通过硬件设计予以消除：采用0.1μF的瓷片电容或独石电容，这些电容对类似“毛刺”的干扰信号特别有效；印刷线路板的设计要防干扰，PCB板的大小要合适，又要考虑经济型，尽量把同一性质的电气元件放置在一个模块；采用更加可靠地电子元件，由于本设计的电路工作频率不高，可采用CMOS电路，它比TTL电路有更强的抗干扰能力。

5 结论

本设计选取HV201数字型液位传感器并解释其工作原理，说明了在液位遥测的基础上，监测船舶燃油舱液位的变化是可行的。将蓝牙4.0模块用于液舱液位的实时监测并与手持移动LCD设备监测系统的完美配合可提供更好的便携性及操控性，提高了船舶自动化程度，极大限度地减少了管理的盲区。可进行各舱内液体的液位、液体温度等的监测和显示，有效改善船员的工作环境。具有结构简单、使用方便、性能可靠等优点，适合各类船舶。试验也证明，该系统具有良好的数据传输精度和响应特性，将该系统运用到油轮以及货舱等安全要求较高的船舶上，能预防火灾的发生甚至等安全事故，具有一定的现实意义。

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