藍牙在施工機械在線(xiàn)監測中的應用

摘要：在對藍牙技術(shù)及其原理討論的基礎上，結合施工機械狀態(tài)監測現場(chǎng)的具體特點(diǎn)，提出了一種新型的施工機械狀態(tài)無(wú)線(xiàn)監測系統，實(shí)現了對施工機械狀態(tài)的實(shí)時(shí)監控，提高了施工機械的智能化水平。 

關(guān)鍵詞：藍牙技術(shù) 施工機械 在線(xiàn)監測
 
    在線(xiàn)狀態(tài)監測也叫機載式故障預報，是通過(guò)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，從而進(jìn)行分析、處理，實(shí)時(shí)控制施工進(jìn)度，提高施工質(zhì)量的一種監測。當前施工機械的發(fā)展方向是智能化，這就對計算機系統的信息采集、復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據進(jìn)行無(wú)電纜可靠傳輸，并能利用非機載設備(如高檔微機及功能完善的軟件)對采集的信號進(jìn)行復雜有效的處理，從而合理地控制施工全過(guò)程。
 
    1、藍牙技術(shù)簡(jiǎn)介 

    藍牙(Bluetooth)技術(shù)是一種近距離無(wú)線(xiàn)通信設備標準，由愛(ài)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(shí)現最高數據傳輸速率為1Mb／s(有效傳輸速率為721kb／s)、最大傳輸距離為10m的無(wú)線(xiàn)通信，并形成世界統一的近距離無(wú)線(xiàn)通信標準。藍牙技術(shù)可提供低成本、低功耗的無(wú)線(xiàn)接人方式，被認為是近年來(lái)無(wú)線(xiàn)數據通信領(lǐng)域的重大進(jìn)展之一，其程序寫(xiě)在一個(gè)9mm×9mm的微芯片中［1］。 

    藍牙系統一般由四個(gè)功能單元組成：天線(xiàn)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)的系統結構［2～4］ 

    藍牙技術(shù)的系統結構如圖1所示。從圖1可以看出藍牙的體系結構由兩大部分組成，即：底層協(xié)議部分和高層應用協(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)應用的基礎，有著(zhù)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(gè)小型芯片來(lái)完成，這些功能主要包括： 

    Radio／RF：進(jìn)行頻帶的信道定義和信號的發(fā)送與接收； 
    BaseBand：實(shí)現基帶部分協(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(xiě)，實(shí)現高層協(xié)議復用、包的組裝和拆分等功能； 
    SDP：是Service Discover Protocol的縮寫(xiě)，發(fā)現并識別底層設備所能提供的服務(wù)，以便高層應用調用。

    1．1．2 高層應用協(xié)議

    高層應用協(xié)議主要包括以下幾種應用協(xié)議： 
    RFCOMM：是ETSI TS 07．10標準的一個(gè)子集； 
    TCP／IP Over Bluetooth：通過(guò)這個(gè)協(xié)議可以支持TCP／IP服務(wù)； 
    IrOBEX Over Bluetooth：這個(gè)協(xié)議提供了藍牙與紅外傳輸的兼容性；Files Transfer Over Bluetooth：通過(guò)這個(gè)協(xié)議可以支持FTP服務(wù)。 
    值得注意的是，還有一種高層應用協(xié)議可以支持WAP(Wireless Application Protoc01)應用，通過(guò)它可以有效實(shí)施一個(gè)廣域范圍內的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )。 

    根據上面的討論，總的來(lái)講，一個(gè)完整的藍牙應用解決方案是由軟、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-醫學(xué))頻段，數據傳輸速率為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?xún)鹊膬x表資料">儀器設備之間成功實(shí)現無(wú)線(xiàn)連接，數據傳輸速率可達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(gè)采用了藍牙技術(shù)的儀器設備(簡(jiǎn)稱(chēng)“藍牙設備”)一旦搜尋到另一個(gè)藍牙設備，馬上就可與之建立聯(lián)系，無(wú)需用戶(hù)進(jìn)行任何設置，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(wú)線(xiàn)數據傳輸。

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(lái)自Baseband的信息進(jìn)行高頻處理，然后由天線(xiàn)發(fā)射出去，在這個(gè)過(guò)程中，由于采用了快速跳頻以及前向糾錯方案來(lái)保證鏈路的穩定和傳輸的可靠性，所以其抗干擾能力很強；與這個(gè)過(guò)程相反，Receiver模塊把從天線(xiàn)中接收到的數據進(jìn)行處理后，通過(guò)Baseband傳送給主機。所以，任何兩個(gè)支持藍牙標準的設備都可以在短距離內進(jìn)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(shí)際應用

    傳統的在線(xiàn)狀態(tài)監測系統，無(wú)論是主動(dòng)式還是微機自動(dòng)監控系統，均需要將各傳感器提供的在線(xiàn)信號實(shí)測值通過(guò)相應的有線(xiàn)電纜傳輸至微機，并與微處理器內存的標準值進(jìn)行比較，由此判斷機況是否良好。由于各種工況條件的限制，需要機載設備具有高可靠性和簡(jiǎn)單性(通過(guò)使用單片機來(lái)處理這些信息)，這樣，只能對現場(chǎng)施工信號進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，無(wú)法進(jìn)行全面、系統的分析，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(shí)，現行的作業(yè)管理缺少統一的施工工藝模式，無(wú)完整的施工操作記錄，不能很好地控制施工進(jìn)度和質(zhì)量�？梢�(jiàn)，傳統的在線(xiàn)狀態(tài)監測系統需要改進(jìn)。

    2．1 基于藍牙技術(shù)的傳統監測設備的改造

    經(jīng)過(guò)上面的分析得知，在進(jìn)行傳統的在線(xiàn)狀態(tài)監測系統的實(shí)施時(shí)，存在一些不足之處。如果把藍牙技術(shù)應用到這個(gè)領(lǐng)域中來(lái)，可以在很大程度上解決這個(gè)問(wèn)題。其中一個(gè)比較基本的作法就是將傳統型傳感器、數據采集器等設備利用藍牙技術(shù)進(jìn)行改造，使之具備無(wú)線(xiàn)信息傳輸能力。圖3給出了一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器的功能結構示例。

    從圖3可以看出，采用這種結構的新型傳感器，由于采用了無(wú)線(xiàn)傳輸的形式取代有線(xiàn)電纜連接，在具體應用中使得監測網(wǎng)絡(luò )的調整和重組變得非常方便；而且對于一些特殊場(chǎng)合，例如高速旋轉設備運行時(shí)，利用傳統的有線(xiàn)方式很難進(jìn)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(wú)線(xiàn)優(yōu)勢，可以進(jìn)行移動(dòng)監測；在高溫、高腐蝕等惡劣環(huán)境下，無(wú)線(xiàn)監測方式的可靠性也要高得多，造價(jià)又低�？偠�言之，類(lèi)似結構的監測系統將會(huì )有非常大的應用空間。

    2．2 藍牙技術(shù)在施工機械在線(xiàn)監測中的應用

    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(wú)線(xiàn)連接為基礎，為固定與移動(dòng)設備之間的通信環(huán)境建立了一個(gè)特別連接的短程無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。利用藍牙技術(shù)可將傳感器在線(xiàn)監測數據傳送到計算機進(jìn)行處理，而經(jīng)過(guò)計算機處理后的信息可再經(jīng)藍牙技術(shù)傳至各臺設備。

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

    一個(gè)微微網(wǎng)中的所有設備單元共享同樣的信道，每一個(gè)藍牙設備最多可以同時(shí)與七個(gè)設備進(jìn)行通訊。而且每一個(gè)設備同時(shí)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)的基礎之上的由多個(gè)微微網(wǎng)組成的功能單元，這些微微網(wǎng)之間可以進(jìn)行通訊，每一個(gè)微微網(wǎng)的識別是靠各自的調頻頻率來(lái)決定的。

    在采用藍牙技術(shù)并對傳統監測系統進(jìn)行改造的基礎上，結合日益發(fā)展的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，針對施工機械的具體應用特點(diǎn)，提出了一種新型的分布式無(wú)線(xiàn)狀態(tài)監測系統，如圖5所示。

    本方案針對施工機械狀態(tài)監測現場(chǎng)的具體特點(diǎn)，側重于藍牙技術(shù)和新型無(wú)線(xiàn)數據采集系統的應用。在一定工作環(huán)境的要求下，應盡量采用具有無(wú)線(xiàn)通訊能力的傳感器和數據采集系統，以避免有線(xiàn)電纜的使用。其中，對于每一臺被監測施工機械上的所有傳感器，可以與數據采集器一起可以組成一個(gè)微微網(wǎng)，所有的微微網(wǎng)又可以組成一個(gè)可以覆蓋整個(gè)現場(chǎng)的分散網(wǎng)(如圖5所示)�？梢钥闯�，數據采集器同時(shí)屬于多個(gè)微微網(wǎng)，能與網(wǎng)絡(luò )內的各個(gè)單位監測單元一起協(xié)調工作，對監測信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，然后以無(wú)線(xiàn)通訊的方式通過(guò)局域網(wǎng)接人點(diǎn)把信息傳送至數據庫服務(wù)器中。同時(shí)，Web用戶(hù)在交付一定費用后，可以通過(guò)Internet共享這些數據，從而實(shí)現實(shí)驗數據的異地共享。