基于蓝牙技术的绝缘电阻表检定装置

唐绪伟，滕召胜，王　永

(1．湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙　410082；2．怀化职业技术学院，湖南怀化　418000)

0　引言

绝缘电阻表是设备绝缘性检测的专用工具，也是国家强制要求定期进行检定的测量仪表，而检定设备的智能化和网络化程度是影响检定效率的主要因素。现有的绝缘电阻表检定装置均采用PC+MCU架构模式，通过有线通信方式完成信息互联。系统虽然能满足检定的智能化要求，但对PC机和通信电缆的依赖性较大，使用场地和效率受到一定限制。文中提出了一种MCU+智能手机的便携式绝缘电阻表检定装置架构方案。以蓝牙技术替代常规有线通信完成近距离数据传输；以Qt/Embedded为系统软件开发平台，将用户界面植入智能手机，以蓝牙模块为桥梁实现MCU与智能手机之间的信息交互；检定信息经XML方式解析后，可方便地通过手机互联网上传至控制中心服务器，供用户及时获知绝缘电阻表的工作状况。通过智能手机即可完成绝缘电阻表的检定，也可完成检定信息的处理、存储、上传、查询和与绝缘电阻表检定设备的互联，使操作更为简单方便，进一步提高了系统的便携化、微型化程度。

该系统性能稳定、使用方便、组网灵活和检定可靠、实用性和抗干扰能力强、检定效率高[2]。蓝牙技术也能有效地嵌入到智能仪器仪表，实现了对传统有线工业控制总线延伸[3]。

1　系统总体设计方案

绝缘电阻表检定装置采用MCU+智能手机的嵌入式系统架构，主要由检定信息检测端 (MCU端)、信息管理端 (智能手机端)2部分组成。其中，信息检测端主要用于检定信息的采集，完成信息的就地显示、报警和传输功能，也是整个系统的前端装置；信息管理端主要用于检定信息的管理，完成检定信息的处理、存储，具备信息查询和信息发布功能；检测端与管理端之间采用蓝牙技术实现数据通信。系统组成结构如图1所示。

图1　系统结构框图

蓝牙(Bluetooth)技术是一种开放性的、短距离无线通信技术标准，也是国际上最新的一种公开的无线通信技术规范。在较小的范围内，可实现固定设备和移动设备之间灵活、安全、低成本、低功耗的网络互联，遵循Bluetooth协议的各类数据和语音设备均能接入到公共网络系统中[2]。

Qt/Embedded是图形化界面开发工具Qt的嵌入式版本，可通过Qt API与Linux I/O和Frame Buffer直接交互，具有较高的运行效率。整体面向对象的编程方式使其拥有良好的体系架构和编程模式。采用C++ 封装类库，使其具有丰富的控件资源和良好的移植性。Qt Designer可直接开发基于Qt/Embedded的用户操作接口界面。信息管理端采用Qt4设计绝缘电阻表检定装置的手持终端接口界面，符合友好化、人性化的接口界面设计理念。

2　系统中蓝牙通信的实现

2．1硬件设计

系统硬件主要由BF10蓝牙模块、单片机集成系统、连接接口3部分组成。蓝牙模块可完成数据的打包、拆包、通信等功能，单片机集成系统主要用于完成电阻信息的采集，连接接口是实现信息交互的主体，也是实现无线通信的关键部分。

蓝牙模块以BLUECORE4-EXTERNAL为主芯片，同时集成了射频收发、基带控制和管理以及蓝牙主控制器接口协议HCI等功能。核心工作电压为1．8 V，输入输出端口工作电压3．3 V．芯片内硬件和固件均符合蓝牙规范V1．2。内部集成了32Kbytes RAM，支持外扩8 MB的FLASH ROM．发射功率为CLASS2(2．5 mW)或CLASS3(1 mW)。提供了HCI USB接口和UART接口(速率1．5Mband)两种接口，用作蓝牙主芯片可使外围元件数减少到最低[4]。其内部通信原理的协议栈模型如图2所示。

图2　蓝牙主机-蓝牙控制器协议栈模型

BF10蓝牙模块与单片机集成系统的接口电路，如图3所示：

图3　BF10蓝牙模块与单片机系统的连接

BF10蓝牙模块内置SPP协议，通过串口可与嵌入式系统进行数据通信，故只需将BF10的TXD引脚与单片机的RXD相连，RXD引脚与单片机的TXD相连，即可将蓝牙通信变为更为通用的串口通信，完成单片机系统与BF10的数据互传。

系统通过智能手机的蓝牙发送命令至BF10，BF10将命令传送给单片机，命令经单片机分析处理后将信息回送给BF10，最后由智能手机完成信息的就地显示、互传[3]。检定信息只需通过XML解析，即可上传至互联网中。

工业环境的干扰因素非常复杂，故电磁兼容设计十分重要[9]，无线通信系统的要求更加严格。因金属会削弱天线的功能，故布板时，模块天线下面要求不覆铜和走线，若能挖空效果将更好。采用跳频扩频技术来提高系统的抗干扰能力和数据传输的安全性。

2．2软件设计

蓝牙之间的通信是通过HCl分组实现的[3]，HCI是蓝牙软件协议栈中软件与硬件之间的接口[4]，它为上层提供了访问和控制蓝牙硬件的统一接口[5]。HCI是通过分组(Packet)的方式来进行信息交互的，有指令分组(Command Packet)、事件分组(Event Packet)和数据分组(Data Packet)3种分组类型。

因系统中仅涉及数据通信，故建立的是蓝牙异步无链接(ACL)链路。ACL数据通信流程有蓝牙模块初始化(Init Bluetooth( ))、HCI流量控制设置(Flow Set( ))、查询(Inquiry( ))、建立连接(Great Connection( ))、进行数据通信、断开连接(Disconnect( ))6个步骤[6]。

初始化是指单片机每向BF10发送一个HCI命令分组，然后取回BF10返回的事件分组，判断命令执行的情况。若返回事件分组不正确，则重新初始化蓝牙，直到返回正确为止。初始化完成后，打开流量控制，对数据流量进行配置。此后，由主设备查询周围的蓝牙设备状态，匹配成功后，向其发出建立连接指令，建立ACL连接。连接成功后，两个蓝牙设备可相互发送ACL数据分组。其格式为0x0l020l20数据总长(2个字)数据[7]。每发送5个数据分组将返回一个完成事件分组，用于流量控制。通信完成后，主设备和从设备均可以发出断开连接命令Disconnect。步骤的代码如下：

(1)蓝牙配置

void Configure(){

/*将HCI配置指令、流量控制和参数放入BUFFERS中，打包后发送*/}

(2)蓝牙查询

void Inquiry(){

/*将HCI查询指令和参数放入BUFFERS中，打包后发送*/}

(3)建立ACL连接

void Great Connection(){

/*将HCI查询指令和参数放入BUFFERS中，打包后发送*/}

(4)ACL数据分组传输

void SendACLData(){

/*ACL数据分组放入BUFFERS中，打发后发送*/}

void GetACLData(){

/*将BUFFERS中ACL数据分组，拆包后送给上层软件*/}

(5)断开连接

void GetACLData(){

/*将HCI断开链路指令放入BUFFERS中，打包后发送*/}

主机方和从机方均采用基于令牌式的通信协议，其通信程序流程图如图4和图5所示：系统匹配后可根据用户设定参数，实现鉴定信息的录入，鉴定信息的上传，使主机与从机中的数据更新同步。

图4　主机方流程图

图5　从机方流程图

3　实际应用

湖南省电力研究院的检定中心为绝缘电阻表检定装置配备了网络服务器，用于绝缘电阻表检定信息的互联、查询和存储。主要由电阻值采集系统(STC89C52RC+单片机系统)、智能手机(以诺基亚N73为例)终端、蓝牙通信接口、手机互联网等组成。组成框图如图6所示。

图6　系统硬件组成框图

单片机集成系统主要用于电阻值的采集、环境温湿度的检测与控制；N73手机用于对各检测参数的监督报警、信息存储和传输；BF10是单片机系统与N73的信息交互通道；手机互联网用于检定信息的上传。BF10与单片机间采用UART通信方式，串口初始化完成后，利用串口中断方式完成信息的交互。手机互联网是指利用手机登陆互联网，完成与电脑相同的操作。系统以短信方式将检定的信息上传到网络服务器中，实现移动检定和信息互联，提高了系统检定效率；同时，也便于用户联网查询。

N73中的用户界面由基本信息设置、绝缘电阻检定、电压及其他测试、检定结果、信息查询共5个子界面组成。系统利用PC机开发好用户界面后，若N73手机中已经安装了Qt库和TRK，在主程序中添加如下代码：

symbian{

debug{MMP_RULES-=PAGED

MMP_RULES+=UNPAGED}

TARGET．UID3=0xe2d68ef8

#TARGET．CAPABILITY+=

TARGET．EPOCSTACKSIZE=0X14000

TARGET．EPOCHEAPSIZE=0x020000 0x800000}

即可方便地将PC机端的用户界面嵌入到诺基亚N73智能手机中。其用户主界面如图7所示。

图7　N73手机中用户主界面

主界面可完成检定设备信息、被检定设备信息和检定环境信息的录入功能和项目检定功能。系统在录入检定信息后，转入检定界面，面板中设置了按钮，用于实现检定信息检测端与信息管理端的联机与断开。智能手机发送信息检定命令后完成电阻值信息接收，实现信息的就地显示、处理、存储、管理和检定结论的形成。系统也可将检定结果的信息通过XML解析方法上传至手机互联网，用户通过互联网即可方便查询设备的工作状况，实现信息的复制与存储。同时，系统可以多角度进行测控数据的传输，实现多个测控仪器设备间的互连，便于进行集中监测与控制。

4　结束语

目前该便携式绝缘电阻表检定装置已投入生产使用，系统以跨平台软件开发平台Qt4为界面设计工具，SQLite3为嵌入式数据库，其模块化编程方式和标准的C++语言使系统具有较强可移植性。智能手机的引入使系统解除了对PC机的依赖；蓝牙技术使系统成功实现了绝缘电阻表检定装置的无线通信，避免了系统通信对常规电缆的依赖；真正实现了绝缘电阻表检定装置的智能化、高效化、网络化检定。装置更加微型化，易于携带，实现了信息的高效管理和无线通信。试用表明，系统界面灵活，易于维护，只需对用户界面和数据库稍加修改即可移植到其他检定系统中，它运行稳定可靠、使用方便、组网和检定灵活、抗干扰能力强、检定效率高[2]，具有一定的工程实用价值。

参考文献：

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[2]HEMJIT S，JINDONG T，YANG Q Y，et a1．Usiag blue-tooth and sensor networks for intelligent transportation systems．Proceedings，ITSC．Proceedings of the 7th International IEEE Conference on Intelligent Transportation Systems，2004，767-772．

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[4]钱志鸿，杨帆，周求湛．蓝牙技术、原理开发与应用．北京：北京航空航天大学出版社，2006．

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