低功耗蓝牙模块在智能水表中的应用探讨

2021-12-27许洁莹李建民

科学与信息化 2021年18期

许洁莹李建民

三川智慧科技股份有限公司江西鹰潭 335200

引言

低功耗蓝牙相较于普通蓝牙，二者之间存在一定的区别，前者可以在达到简单数据传输的同时，降低功耗。简言之，就是在性能上优于低耗能蓝牙。传统蓝牙模块的供电方式为纽扣电池供电，与低功耗要求不符，而低功耗蓝牙模块可以使这个问题得到解决。因此对此项课题进行研究，具有十分重要的意义。

1 低功耗蓝牙的系统结构和功能特点

1.1 低功耗蓝牙的系统结构

低功耗蓝牙由三个部分组成，主要包括控制器、主机和应用程序。对无线电信号的来源进行传播和接收，并在此基础上，翻译信息使其成为完整的数据载体，是控制器的主要功能。主机管理是指对于两台或两台以上设备之间进行信息通信，以及如何使用无线电，为设备之间提供多种服务项目。应用程序功能的实现，需要借助应用程序和控制器。主机中还存在三个协议，分别是逻辑链路的有效控制和适配协议、属性协议和安全管理器协议和通用性规范。基于上述三个协议，控制器可以通过天线与外界相连，之后通过控制连接口连接主机。

1.2 低功耗蓝牙的功能特点

低功耗蓝牙模块的实质为高性能物联网无线收发器，具有分布无线通信领域的作用，与普通蓝牙模块相比，低功耗蓝牙模块的特点主要体现在以下方面：第一，功耗低；第二，体积小；第三，传输距离远和抗干扰能力强。此外，低功耗蓝牙模块在运行期间所运用的电流主要以低发射和接收电流为主，这种电流属于睡眠电流，因此在人们的居住场所中较为适用，不会使人们正常生活受到影响[1]。

2 低耗能蓝牙在智能水表中的应用

2.1 硬件电路设计

2.1.1 电池电压检测电路。电池电压的检测方式为ADC模块检测，该模块的参考电压数量为两个，分别为芯片内部自带参考电压和经过稳压芯片后为系统提供的电压，其中前者的电压值为1.225V。电池电压检测方式包括两种，一种是掉电检测，另一种是低电压检测。在检测低电压的同时，还要做好负载检测。

2.1.2 计量。用水量计量需要借助双干簧管实现，供电方式以脉冲供电为主，频率为1Hz，采样延时为5ms，在干簧管吸合时间不超过2s时，断开时间如果同样少于2s，则表明该脉冲有效，而两个脉冲的间隔时间应大于3s。假设用水计量计为0.1m3，电子计量最大范围可达6.5万m3。

2.1.3 阀门控制。本文所研究的智能蓝牙水表，将H桥式电路作为阀门硬件驱动，通过这种方式对电机正反转进行控制，H桥式驱动电路由6个三极管构成，该电路可以提供驱动电流。在执行开阀操作的过程中，由驱动电路输出高电平，驱动电机正转，在执行闭阀操作时，则驱动电机反转。

2.1.4 低功耗蓝牙。为提高数据传输的效率，智能蓝牙水表对BLE模块和安卓系统进行了应用，单片机的通信，主要依靠串口和模块。在研究后得知，BLE模块的有效传输距离多达10m，最低工作电压为2V，而最大工作电压为3.6V。为节约耗能可以把模块设置成从机广播模式，关闭内部EN，将广播间隔调整为2s。

2.2 软件设计

水表的充值模式为预付费模式，简言之，就是先交钱后用水，而表内的扣费模式为实时扣费，计算公式如下：预存金额-累计用水量×单价=剩余金额。水表所支持的模式包括两种，分别为阶梯水价和单一水价，其中，前者以月阶梯为主。在余额不足时，水表会在报警后关闭阀门，让用户接收到充值消息。水表还具备维护阀门的功能，避免阀门因故障而停止运行。水表采用低耗能设计，其芯片运行模式为活跃停机，简言之，就是芯片在进入睡眠模式前会保存配置，并在睡眠模式结束后还原配置，这里所说的配置主要是指ADC模块、引脚配置和模块时钟。智能蓝牙水表的连接方式被分为两种，一种是低功耗蓝牙；另一种是手机蓝牙连接，数据交互方式为无线网。其中，帧头和帧尾都有固定的数值，前者为0×5A，后者为0×4A。长度为功能码与校验码之间的字节数，可以用3+N进行表示，其中N的取值范围由发送内容所决定，通常情况下不会超过6。功能码主要为水表的各项参数，比如：用水量、价格等。智能蓝牙水表的校验方式为CRC-8，为使数据传输过程中的准确性得到保证，校检数据范围是长度到内容间的全部数据。为确保数据传输安全，在设计过程中应用了加密算法[2]。

2.3 测试结果

在智能蓝牙水表设计完成后，对其各项性能进行了检测，包括数据传输是否可靠、阀门开关性能、功耗、电池电量性能等。实践结果表明，在通信距离≤6m时，数据传输质量和阀门控制效果最佳。在应用低功耗蓝牙模块之前，智能水表的耗能为16.2mA，在应用后，水表耗能下降到了25mA。由此可见，本文所研究的智能水表，在性能和功耗方面均符合要求。