基于蓝牙的可充电外挂转换模块的设计与实现

　　摘要：针对燃气流量计量现场传统的有线通信和RF、红外等短程无线的不足，伴随着现代物联网技术和低功耗技术的发展，研制了一种基于蓝牙的可充电外挂转换模块。对基于蓝牙的可充电外挂转换模块在硬件与软件方面的设计进行了介绍，并对相应的设计要点进行了阐述。

　　关键词：蓝牙;外挂;模块

　　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、GPRS\CDMA、NB-IoT、LTECat-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]。

　　1系统硬件电路结构原理

　　2系统硬件与软件方面的设计

　　2.1MCU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2.4GHzISM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-128CCM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USBType-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USBType-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]。

　　2.5MCU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]。

　　2.6手机端APP软件

　　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(MaximumTransmissionUnit,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]。

　　参考文献：

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　　刘书生,赵海.蓝牙技术应用[M].

　　沈阳:东北大学出版社,2001.

　　金纯,肖玲娜.超低功耗(ULP)蓝牙技术规范解析[M].

　　北京:北京国防工业出版社,2010.

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