蓝牙技术在施工机械在线监测中的应用
2008-08-12
作者：康荣学 于良耀 宋 健
摘 要：在对蓝牙技术及其原理讨论的基础上，结合施工机械状态监测现场的具体特点，提出了一种新型的施工机械状态无线监测系统" title="监测系统">监测系统，实现了对施工机械状态的实时监控，提高了施工机械的智能化水平。
关键词：蓝牙技术 施工机械 在线监测
在线状态监测也叫机载式故障预报，是通过把高可靠性的传感器像触角一样分布到施工机械的有关部位，直接获取各运行部分的工况参数，从而进行分析、处理，实时控制施工进度，提高施工质量的一种监测。当前施工机械的发展方向是智能化，这就对计算机系统的信息采集、复杂信号处理与控制等能力提出了较高的要求。利用蓝牙芯片可对各传感器采集的数据进行无电缆可靠传输，并能利用非机载设备（如高档微机及功能完善的软件）对采集的信号进行复杂有效的处理，从而合理地控制施工全过程。
1 蓝牙技术简介
蓝牙（Bluetooth）技术是一种近距离无线通信标准，由爱立信、英特尔、诺基亚、东芝和IBM等五大公司组成的特殊利益集团（SIG，Special Interests Group）于1998年5月联合制定。SIG推出蓝牙技术的目的在于实现最高数据传输速率" title="传输速率">传输速率为1Mb/s（有效传输速率为 721kb/s）、最大传输距离为10m的无线通信，并形成世界统一的近距离无线通信标准。蓝牙技术可提供低成本、低功耗的无线接入方式，被认为是近年来无线数据通信领域的重大进展之一，其程序写在一个9mm×9mm的微芯片中[1]。
蓝牙系统一般由四个功能单元组成：天线单元、链路" title="链路">链路控制（固件）单元、链路管理（软件）单元和蓝牙软件（协议）单元。
1.1 蓝牙技术的系统结构[2～4]
蓝牙技术的系统结构如图1所示。从图1可以看出蓝牙的体系结构由两大部分组成，即：底层协议部分和高层应用协议部分。下面分别对两部分作一粗略的介绍。
1.1.1 底层协议
底层协议作为蓝牙技术应用的基础，有着十分重要的作用。以目前的技术水平，部分协议功能可以由一个小型芯片来完成，这些功能主要包括：
Radio/RF：进行频带的信道定义和信号的发送与接收；
BaseBand：实现基带部分协议和其它底层链路功能；
Link Manager（LM）：用于链路的建立和管理；
L2CAP：是Logical Link Control and Adaptation Protocol的缩写，实现高层协议复用、包的组装和拆分等功能；
SDP：是Service Discover Protocol的缩写，发现并识别底层设备所能提供的服务，以便高层应用调用。
1.1.2 高层应用协议
高层应用协议主要包括以下几种应用协议：
RFCOMM：是ETSI TS 07.10 标准的一个子集；
TCP/IP Over Bluetooth：通过这个协议可以支持TCP/IP服务；
IrOBEX Over Bluetooth：这个协议提供了蓝牙与红外传输的兼容性；
Files Transfer Over Bluetooth：通过这个协议可以支持FTP服务。
值得注意的是，还有一种高层应用协议可以支持WAP（Wireless Application Protocol）应用，通过它可以有效实施一个广域范围内的移动网络。
根据上面的讨论，总的来讲，一个完整的蓝牙应用解决方案是由软、硬件两部分组成的，其中硬件部分包括RF、Baseband和Link Manager，软件部分包括L2CAP以上的功能。
1.2 工作原理
蓝牙技术工作在全球通用的2.4GHz ISM（I—工业；S—科学；M—医学）频段，数据传输速率为1Mb/s。从理论上讲，以2.4GHz ISM频段运行的技术能够使相距30m以内的仪器设备之间成功实现无线连接，数据传输速率可达2Mb/s；如果再加入功率放大器，发射距离有效范围可达100m。蓝牙技术采用了“Plug & Play”技术，即任意一个采用了蓝牙技术的仪器设备（简称“蓝牙设备”）一旦搜寻到另一个蓝牙设备，马上就可与之建立联系，无需用户进行任何设置，可谓能做到“即连即用”[5]。所以，蓝牙技术比较适用于短距离无线数据传输。
如前所述，蓝牙技术在硬件上的主要模块有：基带（Baseband）和射频（RF）两部分，如图2所示。
其中，Transmitter模块对来自Baseband的信息进行高频处理，然后由天线发射出去，在这个过程中，由于采用了快速跳频以及前向纠错方案来保证链路的稳定和传输的可靠性，所以其抗干扰能力很强；与这个过程相反，Receiver模块把从天线中接收到的数据进行处理后，通过Baseband传送给主机。所以，任何两个支持蓝牙标准的设备都可以在短距离内进行信息传递，而不需要使用电缆链接，而且它的功耗非常低。
2 实际应用
传统的在线状态监测系统，无论是主动式还是微机自动监控系统，均需要将各传感器提供的在线信号实测值通过相应的有线电缆传输至微机，并与微处理器内存的标准值进行比较，由此判断机况是否良好。由于各种工况条件的限制，需要机载设备具有高可靠性和简单性（通过使用单片机来处理这些信息），这样，只能对现场施工信号进行简单的处理，无法进行全面、系统的分析，可能误检、漏检各种潜在的故障隐患，造成不必要的经济损失；同时，现行的作业管理缺少统一的施工工艺模式，无完整的施工操作记录，不能很好地控制施工进度和质量。可见，传统的在线状态监测系统需要改进。
2.1 基于蓝牙技术的传统监测设备的改造
经过上面的分析得知，在进行传统的在线状态监测系统的实施时，存在一些不足之处。如果把蓝牙技术应用到这个领域中来，可以在很大程度上解决这个问题。其中一个比较基本的作法就是将传统型传感器、数据采集器等设备利用蓝牙技术进行改造，使之具备无线信息传输能力。图3给出了一个无线传感器的功能结构示例。
从图3 可以看出，采用这种结构的新型传感器，由于采用了无线传输的形式取代有线电缆连接，在具体应用中使得监测网络的调整和重组变得非常方便；而且对于一些特殊场合，例如高速旋转设备运行时，利用传统的有线方式很难进行一些关键部位的测量，而采用这种基于小型蓝牙芯片的新型传感器就可以做到在任意位置安装与测量，并且利用其无线优势，可以进行移动监测；在高温、高腐蚀等恶劣环境下，无线监测方式的可靠性也要高得多，造价又低。总而言之，类似结构的监测系统将会有非常大的应用空间。
2.2 蓝牙技术在施工机械在线监测" title="在线监测">在线监测中的应用
蓝牙技术可以支持物体与物体之间的通信，它是以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备之间的通信环境建立了一个特别连接的短程无线电技术。利用蓝牙技术可将传感器在线监测数据传送到计算机进行处理，而经过计算机处理后的信息可再经蓝牙技术传至各台设备。
基于蓝牙协议的设备之间支持点到点（Point to Point）和点到多点（Point to Multi-Point）这两种通讯模式，与之相对应，由蓝牙设备组成的网络拓扑结构也有两种，分别称为微微网" title="微微网">微微网（Piconet）和分散网（Scatternet），如图4所示。
一个微微网中的所有设备单元共享同样的信道，每一个蓝牙设备最多可以同时与七个设备进行通讯。而且每一个设备同时还可能是其它微微网的组成单元。分散网是建立在微微网的基础之上的由多个微微网组成的功能单元，这些微微网之间可以进行通讯，每一个微微网的识别是靠各自的调频频率来决定的。
在采用蓝牙技术并对传统监测系统进行改造的基础上，结合日益发展的网络技术，针对施工机械的具体应用特点，提出了一种新型的分布式无线状态监测系统，如图5所示。
本方案针对施工机械状态监测现场的具体特点，侧重于蓝牙技术和新型无线数据采集系统的应用。在一定工作环境的要求下，应尽量采用具有无线通讯能力的传感器和数据采集系统，以避免有线电缆的使用。其中，对于每一台被监测施工机械上的所有传感器，可以与数据采集器一起可以组成一个微微网，所有的微微网又可以组成一个可以覆盖整个现场的分散网（如图5所示）。可以看出，数据采集器同时属于多个微微网，能与网络内的各个单位监测单元一起协调工作，对监测信息进行实时采集，然后以无线通讯的方式通过局域网接入点把信息传送至数据库服务器中。同时，Web用户在交付一定费用后，可以通过Internet共享这些数据，从而实现实验数据的异地共享。
参考文献
1 Jaap C Haartsen, Sven Mattisson. Bluetooth－A New Low-Power Radio Interface Providing Short－Range Connectivity[A].IEEE Proceedings of The IEEE[C],2000;88(10)
2 Haartsen J. Bluetooth, the Universal Radio Interface for Ad Hoc, Wireless Connectivity[J]. Ericsson Review, 1998: 75
3 Henrik Arfwedson, Rob Sneddon. Ericsson′s Bluetooth Modules[J]. Ericsson Review, 1998: 4
4 王金涛，景敏卿，谢友柏. 一种新型分布式无线状态监测系统[J]. 计算机工程与应用，2002;（13）：55~57
5 禹 帆. 蓝牙技术[M]. 北京：清华大学出版社，2002