1 引言
近年來，近距離的數(shù)字化智能數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)得到了普遍應用，流行的結(jié)構(gòu)是以 PC機、筆記本電腦、工控機等作為上位機，以單片機、嵌入式系統(tǒng)作為下位機，通過串行通信、 488總線、 CAN總線、以太網(wǎng)等多種方式進行數(shù)據(jù)傳輸。這些有線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有布線不便、通信電纜容易受損等弊端。
隨著無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)的日益成熟，在工業(yè)控制、檢測與測量領(lǐng)域，無線自動化（Wireless Automation）已經(jīng)成為人們關(guān)注的焦點，迫切需要低成本、高可靠、低功耗的無線數(shù)據(jù)傳輸方案代替有線系統(tǒng)。藍牙作為一種電纜替代技術(shù)，可以方便地實現(xiàn)設(shè)備之間的無線連接，具有低成本、低功耗、高速率、抗干擾能力強、組網(wǎng)靈活等特點，是實現(xiàn)近距離無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦硐脒x擇 [1]。當前主要的掌上電腦（ Pocket PC）和智能手機（Smartphone）均支持藍牙協(xié)議。
同時，隨著掌上終端處理能力的不斷增強，以掌上終端作為上位機控制中心成為可能，掌上終端攜帶方便，尤其適用于野外或復雜條件下的現(xiàn)場控制。

本文基于掌上智能終端實現(xiàn)對分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的藍牙無線控制，在掌上終端的主流操作系統(tǒng) Windows Mobile上實現(xiàn)基于不同藍牙協(xié)議棧的終端設(shè)備控制與數(shù)據(jù)通信，完成數(shù)據(jù)的實時無線傳輸。能夠設(shè)置多個采集終端的數(shù)據(jù)采集參數(shù)并實時無線回收數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)采集的實時性、數(shù)據(jù)可靠性和軟件系統(tǒng)穩(wěn)定性。 2掌上終端控制的藍牙微微網(wǎng)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
如圖 1所示，多個藍牙無線數(shù)據(jù)采集器組成藍牙微微網(wǎng)，與掌上終端通過藍牙連接進行控制信令傳輸及數(shù)據(jù)通信。掌上終端識別網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集器，發(fā)送控制命令并實時顯示回收的數(shù)據(jù)。藍牙無線數(shù)據(jù)采集器在掌上終端的控制下設(shè)置數(shù)據(jù)采集參數(shù)，啟動或停止數(shù)據(jù)采集，實時采集所需要的現(xiàn)場信號，并通過藍牙微微網(wǎng)，將數(shù)據(jù)無線回傳至掌上系統(tǒng)。

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圖 1掌上終端控制的藍牙微微網(wǎng)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
2.2藍牙無線數(shù)據(jù)采集器
各數(shù)據(jù)采集器通過距離、壓力、溫度等傳感器將目標物理量轉(zhuǎn)換為電信號，并由 A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)據(jù)采集器上配接藍牙模塊，通過 UART與藍牙模塊連接，數(shù)據(jù)的收發(fā)通過讀寫 UART寄存器來完成。采集器通過藍牙鏈路接收來自掌上控制器的命令及采集參數(shù)，并將各時刻的數(shù)據(jù)組織為幀結(jié)構(gòu)，發(fā)送至掌上控制終端。
2.3掌上智能控制終端系統(tǒng)
掌上終端代替 PC機、筆記本電腦、工控機等作為現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的上位機，是現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制中心及數(shù)據(jù)接收中心，主要任務包括：藍牙數(shù)據(jù)采集器管理及傳感器校正、數(shù)據(jù)采集器參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集控制、無線數(shù)據(jù)接收、實時顯示與數(shù)據(jù)存儲、回放。
基于掌上智能終端內(nèi)嵌的藍牙模塊，調(diào)用相應的協(xié)議棧庫函數(shù)即可完成藍牙的相關(guān)操作。數(shù)據(jù)采集器管理模塊負責設(shè)備查找與設(shè)備安全認證；采集參數(shù)攝制及控制模塊向采集器發(fā)送工作控制命令；無線數(shù)據(jù)接收模塊實時接收采集器數(shù)據(jù)并提供圖形化顯示；實時采集的數(shù)據(jù)按照約定格式存放在指定文件中，并根據(jù)需要提供歷史數(shù)據(jù)回放。
2.4藍牙微微網(wǎng)無線數(shù)據(jù)通信
 
 
藍牙是一種短距離低功耗無線傳輸技術(shù)，工作于 2.4GHz的 ISM頻段[2]。藍牙通信協(xié)議棧分為四層，其中核心層為基帶協(xié)議層（ BaseBand）鏈路管理協(xié)議（ LMP）、邏輯鏈接控制和適配協(xié)議（ L2CAP）以及服務發(fā)現(xiàn)協(xié)議（ SDP），核心層之上為電纜替代協(xié)議（RFCOMM）與電話傳送控制協(xié)議（ TCS-Binary）[2]。本系統(tǒng)藍牙無線傳輸工作在 RFCOMM協(xié)議上，利用 Serial Port Profile將藍牙設(shè)備虛擬成串口設(shè)備，數(shù)據(jù)的傳輸操作與串口操作相同，開發(fā)方便。

3掌上控制系統(tǒng)的工作流程
掌上控制系統(tǒng)的主要功能包括采集參數(shù)設(shè)置、采集器系統(tǒng)自檢、傳感器校正、采集控制以及數(shù)據(jù)回顯。參數(shù)設(shè)置模塊設(shè)置采樣間隔、保存文件路徑、工程信息等參數(shù)；采集器系統(tǒng)自檢模塊以預采集的方式啟動采集器，檢測整個系統(tǒng)軟硬件工作狀態(tài)；傳感器校正模塊實現(xiàn)各傳感器的零漂糾正及系數(shù)率定；采集控制模塊控制采集器的數(shù)據(jù)采樣啟動與結(jié)束，接收并處理數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的實時顯示及保存；數(shù)據(jù)回顯模塊從文件讀取歷史數(shù)據(jù)并顯示。

 4 主要功能實現(xiàn)
4.1 數(shù)據(jù)幀藍牙數(shù)據(jù)通信中，命令幀結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)幀的約定如下：命令幀由兩位命令標識、四位命令參數(shù)和兩位結(jié)束符組成，如 IT0001ZZ，IT代表設(shè)置采樣間隔命令， 0001約定為采樣間隔為 0.01ms，ZZ為統(tǒng)一結(jié)束符。數(shù)據(jù)幀由兩位機器識別碼、兩位數(shù)據(jù)和兩位結(jié)束符組成，如 A1HLZZ；其中 H表示 16進制數(shù)據(jù)的高位 ,L代表低位。
每次采集傳輸數(shù)據(jù)時，終端無間隔采集并傳送 5組數(shù)據(jù)，在掌上控制終端進行中值濾波，以減小誤差。
4.2藍牙設(shè)備發(fā)現(xiàn)與連接實現(xiàn)
4.2.1 基于微軟協(xié)議棧的藍牙傳輸實現(xiàn)基于微軟的藍牙驅(qū)動，開發(fā)簡單。通過使用 Socket實現(xiàn)通信連接。

發(fā)現(xiàn)設(shè)備需要用到三個 Winsock的 API，分別是 WSALookupServiceBegin、 WSALookupServiceNext和 WSALookupServiceEnd。頭文件為 Winsock2.h，庫文件為 Ws2_32.lib。
使用 Socket設(shè)備發(fā)現(xiàn)的代碼如下： WSALookupServiceBegin (&querySet, LUP_CONTAINERS, &hLookup); WSALookupServiceNext (hLookup, flags, &dwSize, pwsaResults) WSALookupServiceEnd(hLookup);利用 pwsaResults返回的藍牙物理地址與 GUID做為 socket連接參數(shù)，可與目的設(shè)備
進行連接。代碼如下：
SOCKET m_socketClient = socket (AF_BT, SOCK_STREAM,
BTHPROTO_RFCOMM); connect (m_socketClient, (SOCKADDR *)&sa, sizeof(sa))進行設(shè)備連接。連接成功后，可用下列代碼進行數(shù)據(jù)收發(fā)：
recv(p->m_socketClient,buf,1024,0); send (m_socketClient, (char *)buf, nSize, 0);
4.2.2 基于 widcomm協(xié)議棧的藍牙傳輸實現(xiàn)使用如下語句啟動查詢：
StartInquiry();
Void OnDeviceResponded (BD_ADDR bda, DEV_CLASS devClass, BD_NAME bdName, BOOL bConnected)
bda為返回設(shè)備地址， bdName為返回設(shè)備名稱。當查詢時間結(jié)束時，響應查詢定時器函數(shù)，開啟服務查找線程：
StartDiscovery(m_BdAddr, m_pServiceGuid) ;
Widcomm提供了各種協(xié)議的不同連接方式，基于 RFCOMM協(xié)議的 SPP連接代碼如下：
CSppClient::CreateConnection(m_BdAddr,m_serviceName);
當設(shè)備連接成功，可以返回相關(guān)狀態(tài)：
Void OnClientStateChange(BD_ADDR bda, DEV_CLASS dev_class, BD_NAME name, short com_port, SPP_STATE_CODE state)
使用函數(shù)返回的 com_port為串口號建立串口操作
CreateFile (buff, GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,0,NULL,OPEN_EXISTING,0, NULL )。
4.3設(shè)備安全認證
無線信道具有開放性的特點，在有效的距離范圍內(nèi)任何符合頻率的接收機都能將信號捕獲。所以，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩允窍到y(tǒng)設(shè)計的重點問題之一。本系統(tǒng)通過三種途徑確保無線數(shù)傳的安全。
一是利用藍牙標準中的信道標準來保障。藍牙的工作頻率為 2.4GHZ，覆蓋范圍是相隔 1MHz的 79個通道（從 2.402GHz到 2.480GHz ）[2]。數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)使用短封包，運用了跳頻展頻技術(shù)，跳頻頻率為 1600次/秒，這樣從物理層上防止了偷聽和避免了干擾。但是這對使用藍牙設(shè)備的竊聽和干擾是無效的。
二是使用藍牙系統(tǒng)中的 PIN碼。如果傳輸設(shè)備都沒有 PIN的認證，任何一個藍牙設(shè)備均可以連接獲取數(shù)據(jù)的傳輸。設(shè)置 PIN碼之后，只有通過 PIN碼認證的設(shè)備，才能進行藍牙設(shè)備的連接和數(shù)據(jù)傳輸。
三是通過認證命令實現(xiàn)應用層安全認證，由移動終端發(fā)起設(shè)備認證命令，等待藍牙數(shù)據(jù)采集器返回就緒狀態(tài)碼，掌上終端將生成的認證碼 A裝入特定格式的幀發(fā)送至采集器，采集器通過算法得到認證碼 B并返回發(fā)送，如果認證碼均正確，則互發(fā)確認消息，通過設(shè)備認證。
4.4輪詢模式下的偽同步與實時同步傳輸?shù)亩嗑€程實現(xiàn)掌上終端控制系統(tǒng)與藍牙數(shù)據(jù)采集器的連接可采用兩種方式：基于輪詢連接的偽同步模式與實時同步連接傳輸。輪詢模式是掌上控制終端與各采集器分時連接，同步模式是掌上控制終端與所有采集器同時連接，實現(xiàn)同步控制并完成數(shù)據(jù)傳輸。
兩種連接模式均利用 Windows多線程機制實現(xiàn)。為每一個數(shù)據(jù)采集器開啟獨立線程，完成數(shù)據(jù)處理。兩種模式均通過事件機制（ Event）進行控制，對于輪詢模式，初始化時所有數(shù)據(jù)采集處理線程處于掛起狀態(tài)，主程序依次觸發(fā)事件喚醒相應線程進行數(shù)據(jù)采集處理。同步模式工作時，主程序同時觸發(fā)所有事件，喚醒所有處理線程進行采集處理，每處理完一個數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù)，所有的線程同步一次，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)在時間上的同步。
在待采集數(shù)據(jù)變化緩慢的情況下，如在溫室內(nèi)監(jiān)測氣溫與濕度，采樣率低，采用輪詢模式可以縮短連接時間，降低設(shè)備功耗，延長工作時間。而同步模式適用于數(shù)據(jù)變化相對較快，對各個數(shù)據(jù)采集器同步要求高的情況。

5 測試結(jié)果
掌上系統(tǒng)能夠無線連接控制 4個數(shù)據(jù)采集終端，實時接收并顯示各數(shù)據(jù)采集器的數(shù)據(jù) . 在實時接收并繪制數(shù)據(jù)曲線的同時，可隨時執(zhí)行數(shù)據(jù)回顯功能，實現(xiàn)曲線縮放。
掌上終端采用華碩 A626，基于內(nèi)置的藍牙模塊，與藍牙數(shù)據(jù)采集器的通信距離達 10 m；如果將數(shù)據(jù)采集模塊藍牙芯片更換至 Class 3級別，則傳輸距離可達到 100 m。本系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)量不大，系統(tǒng)通信速率為 9.6kbps，可以更好地利用藍牙的省電模式。當連接 4個藍牙數(shù)據(jù)采集器，每個采集器發(fā)送時間間隔為 10ms時，掌上控制終端同時接收沒有出現(xiàn)丟包。 6 結(jié)論
論文基于掌上終端開發(fā)了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的藍牙無線控制系統(tǒng)，解決了藍牙微微網(wǎng)連接、安全認證、同步處理接收等關(guān)鍵問題，實現(xiàn)了上位機的可移動化、便攜化。克服了有線數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)的連線不便、安裝復雜等缺點，可廣泛應用于工業(yè)現(xiàn)場控制，醫(yī)療監(jiān)測，智能家居等多種不適宜布線的場所
本文作者創(chuàng)新點：使用移動終端作為上位機，通過藍牙微微網(wǎng)技術(shù)以及其他關(guān)鍵技術(shù)同步控制多個下位機，并能實時處理、存儲并顯示接收數(shù)據(jù)。

參考文獻
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