基于蓝牙通信的流速流向采集系统设计

2015-07-28崔东鹏山东省水文仪器研制中心山东潍坊261031

山东水利 2015年9期

关键词：水文测验

崔东鹏，郇　冲（山东省水文仪器研制中心，山东潍坊 261031）

基于蓝牙通信的流速流向采集系统设计

崔东鹏，郇冲
（山东省水文仪器研制中心，山东潍坊 261031）

【摘要】针对传统流速流向测量仪器存在着信号易受干扰、测量误差大、电路复杂且故障率高的缺点，利用蓝牙技术设计了一种简单易用的流速流向采集系统，并对蓝牙通信、各功能模块及上位机软件的设计，以及在水文测验工作中的使用效果进行了阐述。

【关键词】流速流向；蓝牙通信；水文资料；水文测验

流速的测量大都采用单点或多点非同步检测的方法,测量结果需人工数据处理,易出现差错。传统流速流向测量仪器存在着信号易受干扰、测量误差大、电路复杂且故障率高的缺点，而ADCP等类进口断面监测设备，价格偏高，不利于推广使用。

随着科学技术的发展，对于水流模型不断提出新的要求。新研制开发的测量仪器和系统是把流速测量和流向测量整合到一个仪器中，内部集成了一个流速仪和一个三维电子罗盘（流向测量），通过微处理器控制，可实时采集流速和流向，自动存储测点的流速流向数据，并可与计算机通讯，由计算机提取测量记录，供监控中心进行各种数据处理和计算。该仪器参数设置操作简单，多行中文显示，测点的流速、历时、转数及流速仪特征参数显示直观。

1　蓝牙通信设计

1.1蓝牙通信软硬件设计

蓝牙技术是一种全球统一的短距离无线通信标准，非常适用于水利水文仪器的短距离传输，本系统提出了一种基于蓝牙主机控制接口的短距离通信方案。

蓝牙技术的主要功能就是完成电缆替代，实现实时数据从传感器到上位机的无线通信。蓝牙功能共分两部分：一是硬件部分，包括蓝牙协议栈的无线收发层、基带层和链路管理层；二是软件部分，即蓝牙高层协议栈。在非操作系统下，开发蓝牙HCI协议，实现电缆替代功能。在应用中，系统可以利用这种方法直接控制蓝牙模块、建立两蓝牙模块之间的ACL链路，从而实现HCIACL数据的传输。系统组成结构如图1所示：

图1蓝牙数据传输系统组成结构图

测流现场得到的流速流向数据存入数据转换器，数据转换器集成了CSR8635蓝牙模块，依照蓝牙3.0规范对射频、基带、链路管理层进行控制，通过HCI层将实时数据传入装载嵌入式系统的平板电脑，通信采用透明协议，底层接口使用RS-232。在野外的水文测验工作中，使用蓝牙通信可解决接线不便的问题，避免短路、断路情况的发生，提高系统的可靠性。

1.2蓝牙系统性能的改善

本设计借鉴调频通信中常用的自适应跳频技术，使蓝牙模块在工作中自动避开被干扰的频点，保持良好的通信性能。通过实验，发现系统在普通环境中通信误码率可以控制在1%以内，强磁强电环境中通信误码率能达到90%，使用过程中应尽量远离此类环境。水文测流工作多在野外，干扰源比较少，但需多注意高压线、变电站等干扰源，尽量远离。

2　硬件设计

硬件系统以STC12C5A32S2单片机为核心，并配以外围电路及各功能模块。考虑到流速流向仪的应用环境及可靠性要求，在具体的电路设计和芯片选型方面充分考虑了仪器的实际需求及抗干扰性能。

流速流向仪的硬件系统以STC12C5A32S2为核心控制器，采用模块化设计方法，将整个硬件电路分成6大模块：处理器模块、流速监测模块、流向监测模块、蓝牙通信模块、电源模块和监控系统。其中，流向监测模块通过串口与微处理器相连，流速监测模块连接到微处理器的外部中断上。流速流向仪也提供了一个串行接口与监控系统相连。

2.1流向监测模块设计

流向监测模块采用ZCC330L-232三维数字罗盘，可通过磁阻传感器感应地球磁场的磁分量，从而得出方位角度，并具有标定和倾斜补偿功能。它与微处理器之间通过RS-232进行通信，输出波特率可调，有连续输出和询问输出两种工作模式，可适应不同的工作环境。

仪器以悬索悬吊的方式入水，保证仪器在水下灵活转动；采用双尾翼结构，保证对准流向。此设计波浪影响小，动态特性良好，可最大限度地减小机械误差。

2.2流速监测模块设计

流速监测模块采用LS25-1型流速仪改造，采用干簧管在磁场中的闭合形式来传递信号,与微处理器的外部中断引脚连接。速度可由以下公式求出：

其中：T为单位时间；N为单位时间内测得的转数；K为定值，在仪器中设置为0.25，可修改；C为修正值，在仪器中设置为0.001，可修改。

2.3时钟电路设计

系统设计采用硬件日期时间电路PCF8583，是飞利浦公司生产的CMOS型实时时钟集成电路，通过I2C总线与STC微处理器连接，占有系统I/O较少，具有日历时钟、定时、可编程定时中断等功能，并提供256字节的低功耗静态RAM，通信时无需片选信号。

2.4水下信号传输

入水流速部分采用转子式流速仪采集，流向部分采用三维加速度传感器采集。保留转子式流速仪的部分身架并改装以保持入水平衡，改造尾翼，固定好流向传感器，所有接头做好防水处理。

水下信号传输采用有线方式，水下探测器各密封部位均采用双密封系统，能达到IP67的水密防护要求。传输信号线采用6芯贯芯屏蔽线缆，可有效抗干扰。

现场测流时，将数据转换器通过航空插头与承重电缆连接，承重线缆的另一端通过防水接头与流速仪、流向模块连接。数据转换器通过蓝牙发送数据给平板电脑，通过软件直读数据，后期亦可将数据传输到PC机上进行处理。

3　软件设计

Android平台的数据处理软件使用JAVA开发，C/S架构，在eclipse中进行NDK开发，并重点对键盘和显示等人机界面做了优化。软件采用主循环加中断处理程序的模式，主程序循环完成流速、流向的显示刷新任务及键盘输入命令，处理中断处理程序主要有串口中断处理程序、外部中断处理程序、定时中断处理程序等，外部中断处理程序主要用来处理测速、键盘按键接收；定时器中断处理程序用来处理液晶屏显示任务；串口中断处理程序包括串口1和串口2处理程序，分别用来处理与流向仪和监控系统的通信。

PC平台的软件采用C++Builder设计，使用Access数据库，主要通过串行口提取流速流向中存储的数据以及数据的查询、统计功能。