基于蓝牙的可充电外挂转换模块的设计与实现

董文润，易会磊，黄书成

（天信仪表集团有限公司，浙江 温州 325800）

0 引言

目前能源紧张与环境污染问题日趋严重，全球正在推进高效、清洁、多元化能源转型，天然气作为一种清洁、廉价的能源成为首选，未来将成为全球第一大消费能源。天然气和水、电能源一样，在贸易计量结算时，传统抄表方式往往采用外勤人员上门巡检、抄表，人工抄表频次低、效率低、管理成本较高，且对仪表本身来说，仪表状态、故障反馈的实时监控度差等产生的供销差问题一直存在。而在非贸易的工业计量、过程监控领域，传统多采用有线的通信方式，例如RS485总线、4mA～20mA、HART等。有线方式存在架设成本较高、传输距离有限、易受外部干扰、可靠性较低等缺点。

随着互联网和无线通信技术的不断发展，物联网技术成为又一次信息产业的革命，于是基于新一代物联网技术的智能燃气表应运而生。应用于智能仪表的物联网业务的无线通信技术按距离可分为两类，一种为广域低功耗的物联网技术以LoRa、Sigfox、GPRSCDMA、NB-IoT、LTE Cat-m等为代表，一种为短程无线技术以Zigbee、Bluetooth、Wi-Fi、RF射频等为代表。综合考虑应用场景和技术特点认为作为新物联网技术的NB-IoT和BLE低功耗蓝牙更符合无线通信修正仪的应用要求。基于此设计了一种基于蓝牙的可充电外挂转换模块[3-5]。

图1 蓝牙模块原理框图Fig.1 Bluetooth module schematic

图2 指示灯原理图Fig.2 LED schematic

1 系统硬件电路结构原理框图

2 系统硬件与软件方面的设计

2.1 MCU选型

由于蓝牙转换模块要求体积小，所以微处理器需为小封装，再从性价比稳定性方面考虑，PIC24FV32KA301可为不错的选择。PIC24FV32KA301是Microchip公司生产的一款具有XLP技术的20脚SSOP封装通用16位闪存单片机，具备双串口，FLASH空间32K，SRAM空间2K，并且具有以下一些特点：

1）超低功耗

PIC24FV32K301工作在8MHz时钟条件下时，休眠模式(CPU、闪存以及外设不工作，SRAM工作)电流为8uA，工作电压为2.0V～5.5V。

2）模拟特性

最多16路通道的12位模数转换器，100ksps转换速率，休眠和空闲期间可进行转换，可选择片内参考电压。

3）其他特殊性能

用于休眠/深度休眠的超低功耗唤醒（ULPWU）功能；标准看门狗定时器（WDT），带片上低功耗RC振荡器以便可靠工作；通过两个引脚进行在线编程（ICSP）和在线调试（ICD）。

蓝牙转换模块的串口二通过UART接口与蓝牙模组相连，串口一通过RS485芯片实现与流量计相连[2]。

2.2 蓝牙模组选型

选用绿鲸科技有限公司的E66A标准透传模组，小尺寸（21mm×12.6mm），板载天线，模块功耗低，支持BLE4.0/4.2通信协议。经过前期的反复测试，最后将模组参数配置确定为2s间隔广播、100ms间隔连接、19200串口波特率、-12dBm发射功率、TANCY+6个字节设备名称，模组2s间隔广播时（一直有信号）功耗为10uA，处于100ms连接状态时功耗为60uA，该参数模式下蓝牙信号覆盖范围约为2m。

该蓝牙模组具有以下特点：

跳频：使用所有蓝牙规范版本通用的自适应跳频，最大程度地减少和其他2.4GHz ISM频段无线技术的串扰。

主控制：更加智能，可以休眠更长时间，只在需要执行动作的时候才唤醒。延迟：最短可在3ms内完成连接设置并开始传输数据。健壮性：所有数据包都使用24-bitCRC校验，确保最大程度抵御干扰。

安全：使用AES-128 CCM加密算法进行数据包加密和认证[4,5]。

2.3 升压和充电电路

蓝牙转换模组在与流量修正仪进行通讯的同时，还需要为流量修正仪提供24V外电源，采用AIC1896升压芯片将3.7V锂电池电压升压成24V，升压芯片不使能时输出电压等于输入的锂电池电压，锂电池电压通过LT1521-3.3稳压芯片给蓝牙芯片和MCU提供电源。TP4056是一款完整的单节锂电池线性稳压器，可以通过USB Type-C数据线和电源适配器对电池进行充电。当电池电压小于3.4V时，就需要用USB Type-C数据线给蓝牙模块充电，2～3个小时即可充满，充满电时电池电压为4.1V[1]。

2.4 模组状态指示灯

蓝牙转换模组上面一共有3个模组状态LED指示灯，D12灯亮起时表示模块成功连上手机，熄灭时表示与手机断开；D14灯亮起时表示蓝牙模组有数据发给MCU；D13灯亮起时，表示蓝牙模组处于唤醒状态，此时MCU正有数据传输给蓝牙模组，熄灭时蓝牙模组处于休眠模式[5]。

2.5 MCU软件设计

蓝牙转换模组采用低功耗方式进行通信处理，利用串口中断唤醒MCU。当蓝牙转换模组与手机APP没有数据通讯时，MCU处于休眠模式，此时蓝牙转换模组有两种状态：一种是处于广播状态，但未与手机APP连接，整个电路板功耗为100uA；一种是处于广播状态，并与手机APP连接，整个电路板功耗为150uA。在没有与手机APP进行数据通讯状态下电池可以运行2年。

当MCU检测到手机APP有报文数据下传，串口二在接收数据时，MCU同时使能升压电路输出24V给修正仪供电，并退出休眠模式，打开内部定时器，唤醒蓝牙模组，定时1.5s后通过串口一转发串口二接收的命令报文数据(例如读实时数据命令、读历史数据命令等)，当流量计接收到命令后，回传数据包给串口一。串口一接收的数据如果超过200个字节，则需要分包发送(蓝牙模组单次最多只能发送200个字节，而后需要延时至少5ms，否则会导致蓝牙模组拥塞造成数据不能成功发送)，即串口一每接收200个字节，串口二就用查询方式转发这200个字节，同时串口一持续在接收新的数据，等最后接收到的不大于200个字节的一帧数据接收发送完，则MCU将一些标志字节恢复为初始状态并执行不使能升压电路、休眠蓝牙模组、定时器关闭、进入Sleep模式等操作以保证低功耗，如果超过3s串口一没有收到回传数据，则认为数据掉线，MCU执行以上同样的操作。软件使用芯片内部看门狗，2.5s溢出，在主函数中执行喂狗指令，有数据通讯时打开内部看门狗，无数据通讯时MCU处于休眠模式时，关闭内部看门狗[1,2]。

图3 MCU软件流程图Fig.3 MCU Software flowchart

2.6 手机端APP软件

图4 手机APP界面Fig.4 Mobile APP interface

手机APP是基于安卓系统开发的智能手机应用程序，打开软件后要先搜索蓝牙信号，当搜到蓝牙模块的ID“TANCY +6个字节”时，点击连接，一个蓝牙模块只能同时被一个手机APP连接，即点对点网络，手机APP是主机，蓝牙模块是从机。前期经过反复测试，当修正仪上传的数据量比较大时，例如上传小时记录往往有几十K或者几百K个字节，这时将蓝牙模组的连接间隔设置为100ms就可以完整地将这么多数据发送给手机。连接间隔100ms的意思就是E66蓝牙模组每隔100ms将收到的数据发送出去，还有一个MTU参数(Maximum Transmission Unit,最大传输单元)以设置为100为最佳，这个参数需要主机手机APP设定。

3 结束语

为了响应国内燃气计量和仪表智能化、物联网化的号召，本文设计了一款基于蓝牙的可充电外挂转换模块。该模块采用蓝牙无线技术，具有低发射功率、低成本和短距离通信以及PIC单片机稳定低功耗的特点，可方便快捷地对气体流量计修正仪进行参数配置和数据读取。相信随着蓝牙无线通信和移动互联技术的普及，该模块会得到广泛的应用[2,3,5]。