低功耗蓝牙温度计的设计

何诚刚

（西安交通大学城市学院电气与信息工程系，陕西西安710018）

蓝牙技术联盟于2010年7月7日正式推出蓝牙4.0规范（称为BluetoothSmart）。它包括高速蓝牙、蓝牙低功耗（Bluetooth Low Energy，BLE）和经典蓝牙协议。高速蓝牙基于Wi-Fi，经典蓝牙则包括旧有蓝牙协议。蓝牙低功耗是蓝牙4.0版本的一个子集，它有着全新的协议栈，可快速建立简单的蓝牙连接。蓝牙4.0主要面向功耗需求极低、传输数据量小、使用纽扣电池供电的应用。蓝牙4.0芯片设计有两种模式：双模和单模。双模情况下，Bluetooth Smart功能整合入既有的经典蓝牙控制器，双模架构芯片共享所有经典蓝牙既有的射频和功能。单模情况下，只能执行低功耗的协议栈，单模芯片的成本降低，拥有成本极低的高级节能和安全加密连接，它具有轻量级的链路层和简易的设备发现协议，可提供低功耗待机模式操作以及可靠地点对多数据传输。2011年10月蓝牙技术联盟为蓝牙4.0推出新的商标，即用于主设备的“Bluetooth Smart Ready”和用于传感器的“Bluetooth Smart”。

1 BL620-SA低功耗蓝牙模块

BL620-SA是美国莱尔德公司生产的单模低功耗蓝牙模块，支持蓝牙4.0BLE协议栈，可广泛地应用于医疗电子、物品定位、智能家居等领域，支持安卓及苹果IOS操作系统，方便使用手机、平板电脑采集数据，BL620-SA内部集成nRFS1822ARM处理器，拥有16K的数据存储器以及256 K的非易失程序存储器，提供28个双向GPIO引脚，提供SPI、I2C、UART接口以及6路精度为10 bit的A/D转换通道，方便连接外围器件，BL620-SA在进行数据传输时仅消耗10 mA的电流，在待机状态仅消耗5 μA的电流，而在休眠状态仅消耗0.4 μA的电流，在开阔场地的传输距离可达20米。BL620-SA使用BASIC语言编程，利用莱尔德公司提供的免费BASIC语言编译和编程工具UWTerminal可以方便地进行软件调试和下载并实现产品快速上市，图1为BL620-SA内部架构图。

图1 BL620-SA内部架构图

2 蓝牙低功耗温度计的设计

由BL620-SA构成的低功耗蓝牙温度计的电路图如图2所示，温度数据的采集由BL620-SA的A/D转换通道以及TDK公司生产的NTC热敏电阻S891完成，NTC（Negative Temperature Coefficient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻。系统的电源电压由xxx型号的纽扣电池供电，BL620-SA的GPIO引脚的输出电压与系统电源电压一致，但当系统工作于低功耗待机状态或休眠状态时，GPIO引脚消耗的电流仅分别为5 μA及0.4 μA，GPIO接口输出的电压提供给由精密电阻R1与热敏电阻RT1组成的分压电路，当环境温度发生变化时，热敏电阻阻值改变，分压电路输出的电压值改变，分压电路输出的电压值送入BL620-SA的第一路A/D转换通道，同时，电源的电压值也经GPIO接口采样后直接送入BL620-SA的第二路A/D转换通道，插座J1用于PC机经串口对BL620-SA进行编程，跳线插座J2用于设置BL620-SA的在线编程，短接时系统工作于调试方式，此时LED闪烁，允许外部设备通过UART接口在线编程，正常工作状态下不使用跳线，LED只在上电时闪烁，跳线插座J3用于设置BL620-SA的工作模式，插座引脚1、2短接时，系统工作于Autorun模式，此时系统上电或复位后自动运行用户应用程序，当需要擦除BL620-SA的内部程序，并重新对BL620-SA编程时，可将J3插座引脚2、3短接，此时系统工作于Command模式。两路A/D转换通道采集到的模拟电压值经量化后经蓝牙模块发送给手机或平板电脑，由手机或平板电脑依据一定的算法计算出实时环境温度值并显示在屏幕上。

热敏电阻RT1与电阻R5组成的分压电路中，可以计算出某一环境温度下热敏电阻两端的电压值与热敏电阻之间的关系为：

因此，如果知道热敏电阻阻值与环境温度的关系就可以计算出当前环境温度。

NTC热敏电阻阻值与环境温度的关系式为：

式中RT是环境温度为T℃时的热敏电阻阻值，RTx为最接近温度T℃的某一标准温度Tx℃的热敏电阻阻值（Tx＜T），αx为热敏电阻在温度Tx℃时的温度系数，其中RTx、αx可由该热敏电阻的电阻-温度特性表查表计算获得，由式（2）可知NTC热敏电阻阻值与环境温度成指数函数关系，根据式（2），进一步可以求出：

为了更容易根据热敏电阻阻值求解出环境温度，热敏电阻生产商会依据每种热敏电阻的电阻-温度特性给出不同种类热敏电阻阻值与环境温度的对应关系表，通过查表的方式可以方便地计算出环境温度。例如；某一热敏电阻的阻值-温度关系表如表1。

表1 某热敏电阻的阻值-温度关系表（部分）

图2 低功耗蓝牙温度计原理图

表中RT/R25为温度为T℃时的热敏电阻阻值与温度为25℃时的热敏电阻阻值的比值，温度为25℃时的阻值称为热敏电阻的额定零功率电阻值，这个电阻值就是NTC热敏电阻的标称电阻值。根据上表，某一温度T℃的热敏电阻阻值可通过下式计算：

假设图2中从BL620-SA的第一路A/D转换通道采集到的分压电压值为0.397 V，根据式（1）就可计算出此时热敏电阻的阻值为1.5252kΩ，若已知25℃时热敏电阻阻值为10kΩ，查表可知当环境温度为80℃时热敏电阻阻值为

而当环境温度为85℃时热敏电阻阻值为

根据计算结果可知R80＜RT＜R85

3 蓝牙低功耗温度计的软件设计

低功耗蓝牙温度计的软件设计包括BL620-SA以及终端侧两部分的软件设计，BL620-SA的软件开发基于BASIC语言，软件主要完成系统的初始化，蓝牙通信的建立以及A/D转换通道数据的读取与发送，BL620-SA内置标准的低功耗蓝牙4.0协议栈，莱尔德公司提供了编程所需要的蓝牙通信函数，编程时只需调用即可，大大缩短了产品上市时间。

图3为低功耗蓝牙温度计的BL620-SA的软件流程图。BL620-SA在终端侧支持苹果IOS系统以及安卓系统编程，终端侧的软件主要完成蓝牙数据的接收，环境温度的计算等工作，为此编程时需要将热敏电阻阻值与环境温度的对应关系表内置于终端程序内，方便终端计算环境温度值，用户界面可显示当前环境温度以及电池电量使用情况等参数，图4为安卓系统用户界面截图。

4 结论

蓝牙4.0专为极低电池量的装置而设计，仅通过普通纽扣电池供电便可确保长达一年的正常使用，因此在包括医疗设备、工业控制、无线外设、远程遥控等领域都得到了广泛得应用。由BL620-SA构成的低功耗蓝牙温度计具有价格低、测温范围宽（-55℃～155℃）、功耗低、无线传输、用户界面友好等特点，可支持苹果IOS和安卓系统，在工农业生产、户外运动、智能家居等领域有着广泛的应用前景。

图3 BLA620-SA软件流程图

图4 蓝牙温度计安卓系统终端应用截图

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