藍牙技術(shù)在施工機械在線監(jiān)測中的應(yīng)用

   摘要：在對藍牙技術(shù)及其原理討論的基礎(chǔ)上，結(jié)合施工機械狀態(tài)監(jiān)測現(xiàn)場的具體特點，提出了一種新型的施工機械狀態(tài)無線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對施工機械狀態(tài)的實時監(jiān)控，提高了施工機械的智能化水平。

在線狀態(tài)監(jiān)測也叫機載式故障預(yù)報，是通過把高可靠性的傳感器像觸角一樣分布到施工機械的有關(guān)部位，直接獲取各運行部分的工況參數(shù)，從而進行分析、處理，實時控制施工進度，提高施工質(zhì)量的一種監(jiān)測。當(dāng)前施工機械的發(fā)展方向是智能化，這就對計算機系統(tǒng)的信息采集、復(fù)雜信號處理與控制等能力提出了較高的要求。利用藍牙芯片可對各傳感器采集的數(shù)據(jù)進行無電纜可靠傳輸，并能利用非機載設(shè)備(如高檔微機及功能完善的軟件)對采集的信號進行復(fù)雜有效的處理，從而合理地控制施工全過程。

1 藍牙技術(shù)簡介

藍牙(Bluetooth)技術(shù)是一種近距離無線通信標準，由愛立信、英特爾、諾基亞、東芝和IBM等五大公司組成的特殊利益集團(SIG，Special Interests Group)于1998年5月聯(lián)合制定。SIG推出藍牙技術(shù)的目的在于實現(xiàn)最高數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mb／s(有效傳輸速率為721kb／s)、最大傳輸距離為10m的無線通信，并形成世界統(tǒng)一的近距離無線通信標準。藍牙技術(shù)可提供低成本、低功耗的無線接人方式，被認為是近年來無線數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的重大進展之一，其程序?qū)懺谝粋€9mm×9mm的微芯片中［1］。

藍牙系統(tǒng)一般由四個功能單元組成：天線單元、鏈路控制(固件)單元、鏈路管理(軟件)單元和藍牙軟件(協(xié)議)單元。

1．1 藍牙技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)［2～4］

藍牙技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。從圖1可以看出藍牙的體系結(jié)構(gòu)由兩大部分組成，即：底層協(xié)議部分和高層應(yīng)用協(xié)議部分。下面分別對兩部分作一粗略的介紹。

    1．1．1 底層協(xié)議

底層協(xié)議作為藍牙技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，有著十分重要的作用。以目前的技術(shù)水平，部分協(xié)議功能可以由一個小型芯片來完成，這些功能主要包括：

Radio／RF：進行頻帶的信道定義和信號的發(fā)送與接收；

BaseBand：實現(xiàn)基帶部分協(xié)議和其它底層鏈路功能；

Link Manager(LM)：用于鏈路的建立和管理；

L2CAP：是Logical Link Control and Adaptation Protocol的縮寫，實現(xiàn)高層協(xié)議復(fù)用、包的組裝和拆分等功能；

SDP：是Service Discover Protocol的縮寫，發(fā)現(xiàn)并識別底層設(shè)備所能提供的服務(wù)，以便高層應(yīng)用調(diào)用。

1．1．2 高層應(yīng)用協(xié)議

高層應(yīng)用協(xié)議主要包括以下幾種應(yīng)用協(xié)議：

RFCOMM：是ETSI TS 07．10標準的一個子集；

TCP／IP Over Bluetooth：通過這個協(xié)議可以支持TCP／IP服務(wù)；

IrOBEX Over Bluetooth：這個協(xié)議提供了藍牙與紅外傳輸?shù)募嫒菪裕?/p>

Files Transfer Over Bluetooth：通過這個協(xié)議可以支持FTP服務(wù)。

值得注意的是，還有一種高層應(yīng)用協(xié)議可以支持WAP(Wireless Application Protoc01)應(yīng)用，通過它可以有效實施一個廣域范圍內(nèi)的移動網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)上面的討論，總的來講，一個完整的藍牙應(yīng)用解決方案是由軟、硬件兩部分組成的，其中硬件部分包括RF、Baseband和Link Manager，軟件部分包括L2CAP以上的功能。

1．2 工作原理

藍牙技術(shù)工作在全球通用的2．4GHz ISM(I-工業(yè)；S-科學(xué)；M-醫(yī)學(xué))頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mb／s。從理論上講，以2．4GHz ISM頻段運行的技術(shù)能夠使相距30m以內(nèi)的儀器設(shè)備之間成功實現(xiàn)無線連接，數(shù)據(jù)傳輸速率可達2Mb／s；如果再加入功率放大器，發(fā)射距離有效范圍可達100m。藍牙技術(shù)采用了“Plug & Play”技術(shù)，即任意一個采用了藍牙技術(shù)的儀器設(shè)備(簡稱“藍牙設(shè)備”)一旦搜尋到另一個藍牙設(shè)備，馬上就可與之建立聯(lián)系，無需用戶進行任何設(shè)置，可謂能做到“即連即用”[5]。所以，藍牙技術(shù)比較適用于短距離無線數(shù)據(jù)傳輸。

如前所述，藍牙技術(shù)在硬件上的主要模塊有：基帶(Baseband)和射頻(RF)兩部分，如圖2所示。

其中，Transmitter模塊對來自Baseband的信息進行高頻處理，然后由天線發(fā)射出去，在這個過程中，由于采用了快速跳頻以及前向糾錯方案來保證鏈路的穩(wěn)定和傳輸?shù)目煽啃裕云淇垢蓴_能力很強；與這個過程相反，Receiver模塊把從天線中接收到的數(shù)據(jù)進行處理后，通過Baseband傳送給主機。所以，任何兩個支持藍牙標準的設(shè)備都可以在短距離內(nèi)進行信息傳遞，而不需要使用電纜鏈接，而且它的功耗非常低。

2 實際應(yīng)用

傳統(tǒng)的在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，無論是主動式還是微機自動監(jiān)控系統(tǒng)，均需要將各傳感器提供的在線信號實測值通過相應(yīng)的有線電纜傳輸至微機，并與微處理器內(nèi)存的標準值進行比較，由此判斷機況是否良好。由于各種工況條件的限制，需要機載設(shè)備具有高可靠性和簡單性(通過使用單片機來處理這些信息)，這樣，只能對現(xiàn)場施工信號進行簡單的處理，無法進行全面、系統(tǒng)的分析，可能誤檢、漏檢各種潛在的故障隱患，造成不必要的經(jīng)濟損失；同時，現(xiàn)行的作業(yè)管理缺少統(tǒng)一的施工工藝模式，無完整的施工操作記錄，不能很好地控制施工進度和質(zhì)量?？梢?，傳統(tǒng)的在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)需要改進。

2．1 基于藍牙技術(shù)的傳統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備的改造

經(jīng)過上面的分析得知，在進行傳統(tǒng)的在線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的實施時，存在一些不足之處。如果把藍牙技術(shù)應(yīng)用到這個領(lǐng)域中來，可以在很大程度上解決這個問題。其中一個比較基本的作法就是將傳統(tǒng)型傳感器、數(shù)據(jù)采集器等設(shè)備利用藍牙技術(shù)進行改造，使之具備無線信息傳輸能力。圖3給出了一個無線傳感器的功能結(jié)構(gòu)示例。

從圖3可以看出，采用這種結(jié)構(gòu)的新型傳感器，由于采用了無線傳輸?shù)男问饺〈芯€電纜連接，在具體應(yīng)用中使得監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整和重組變得非常方便；而且對于一些特殊場合，例如高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備運行時，利用傳統(tǒng)的有線方式很難進行一些關(guān)鍵部位的測量，而采用這種基于小型藍牙芯片的新型傳感器就可以做到在任意位置安裝與測量，并且利用其無線優(yōu)勢，可以進行移動監(jiān)測；在高溫、高腐蝕等惡劣環(huán)境下，無線監(jiān)測方式的可靠性也要高得多，造價又低?？偠灾愃平Y(jié)構(gòu)的監(jiān)測系統(tǒng)將會有非常大的應(yīng)用空間。

2．2 藍牙技術(shù)在施工機械在線監(jiān)測中的應(yīng)用

藍牙技術(shù)可以支持物體與物體之間的通信，它是以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ)，為固定與移動設(shè)備之間的通信環(huán)境建立了一個特別連接的短程無線電技術(shù)。利用藍牙技術(shù)可將傳感器在線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到計算機進行處理，而經(jīng)過計算機處理后的信息可再經(jīng)藍牙技術(shù)傳至各臺設(shè)備。

基于藍牙協(xié)議的設(shè)備之間支持點到點 (Point toPoint)和點到多點(Point to Multi-Point)這兩種通訊模式，與之相對應(yīng)，由藍牙設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)也有兩種，分別稱為微微網(wǎng)(Piconet)和分散網(wǎng)(Scattemet)，如圖4所示。

    一個微微網(wǎng)中的所有設(shè)備單元共享同樣的信道，每一個藍牙設(shè)備最多可以同時與七個設(shè)備進行通訊。而且每一個設(shè)備同時還可能是其它微微網(wǎng)的組成單元。分散網(wǎng)是建立在微微網(wǎng)的基礎(chǔ)之上的由多個微微網(wǎng)組成的功能單元，這些微微網(wǎng)之間可以進行通訊，每一個微微網(wǎng)的識別是靠各自的調(diào)頻頻率來決定的。

在采用藍牙技術(shù)并對傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)進行改造的基礎(chǔ)上，結(jié)合日益發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，針對施工機械的具體應(yīng)用特點，提出了一種新型的分布式無線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，如圖5所示。

本方案針對施工機械狀態(tài)監(jiān)測現(xiàn)場的具體特點，側(cè)重于藍牙技術(shù)和新型無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用。在一定工作環(huán)境的要求下，應(yīng)盡量采用具有無線通訊能力的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以避免有線電纜的使用。其中，對于每一臺被監(jiān)測施工機械上的所有傳感器，可以與數(shù)據(jù)采集器一起可以組成一個微微網(wǎng)，所有的微微網(wǎng)又可以組成一個可以覆蓋整個現(xiàn)場的分散網(wǎng)(如圖5所示)。可以看出，數(shù)據(jù)采集器同時屬于多個微微網(wǎng)，能與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的各個單位監(jiān)測單元一起協(xié)調(diào)工作，對監(jiān)測信息進行實時采集，然后以無線通訊的方式通過局域網(wǎng)接人點把信息傳送至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。同時，Web用戶在交付一定費用后，可以通過Internet共享這些數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的異地共享。