基于蓝牙5.0低功耗通信技术的智能流量计APP设计与实现

2021-10-09赵荣泳李咪渊李翠玲包伟华

自动化仪表 2021年9期

赵荣泳，贾萍，王妍，李咪渊，李翠玲，包伟华

(1.同济大学电子与信息学院,上海 201804；2.上海自动化仪表有限公司,上海 200120)

0 引言

在网络技术和现代工业化快速发展过程中，工业自动化仪表等设备已成为工业生产中不可或缺的现场设备，智能自动化仪表(如智能流量计等)的应用也更加广泛[1]。为了满足实时数据传送、云端查询历史信息等需求，实现实时用户应用程序(application，APP)、远程专家APP多屏同步、远程数据监控等问题，本文运用蓝牙5.0技术，设计一款基于蓝牙5.0低功耗通信技术的智能流量计APP，实现智能仪表与手机APP数据交互，便于专家和用户查看智能流量计实时数据、历史数据等内容[2]。同时，远程专家可以通过APP实时监控和管理接入设备的状态与运行情况，据此调整控制指令并更改设备参数，再通过云系统下达到仪表，对设备进行远程操作。该APP具有支持无线蓝牙通信、远距离控制及数据传输功能，适用于各种危险、操作不便的场合；可靠的实时状态报告、报警及故障诊断功能，可及时应对突发问题的出现；数据记录采集功能可记录环境参数和产品运行情况，具有便于预防性维护优化和故障分析等优点。

1 电磁流量计原理

电磁流量计主要由电极、转换器、励磁线圈和测量管等部分组成，利用法拉第电磁感应定律实现其测量功能。通电中的励磁线圈可以产生磁场，在电磁流量计的液体流量测量工作过程中，导电流体流过磁场时会切割磁感线，从而产生微小的电动势。电磁流量计中的电极将采集产生的感应电动势，并将其传送到流量计的转换器中，通过系列操作，在转换器内完成对信号的放大和修正等，最后再通过相应的计算公式转换成有效的流量数据信息，并将其输出显示到仪表中[3]。电磁流量计组成如图1所示。

图1 电磁流量计组成图

感应电势的方向由右手定则判定。感应电势的大小为：

Ex=BDv

(1)

式中:Ex为感应电势,V；B为磁感应强度,T;D为管道内径,m;v为液体的平均流速,m/s。

(2)

由式(2)可知，当磁感应强度B恒定且管道内径D的数值可测时，被测体积流量QV的数值大小与感应电势Ex的大小呈现线性关系。

电磁流量计具有以下特点。

①测量精度高。与传统流量计相比，电磁流量计在抗外部干扰(如压力、温度等)影响方面更具优势。

②电磁流量计具有独特的适应性。电磁流量计的测量管结构简单，形式较为单一且内部无阻碍液体流动的部件。

③转换器使用16位的高性能微处理器，因此电磁流量计可实现设定参数和编程等功能。

④采用双向测量系统。电磁流量计可以利用积算器显示正流量与反流量，并且可以产生脉冲、电流、HART和数字通信等多种输出。

⑤采用高品质材料、独特的生产工艺。

2 流量计的低功耗蓝牙通信模块设计

电磁流量计常应用于较为复杂的地下管道、核电领域等环境较为恶劣的场景中，造成工作人员或用户的流量抄表工作操作困难。工业上为了解决远距离数据传输问题，经常采取接入双绞线、RS-485模块等措施[4]。RS-485模块具有接收信息较灵敏、支持多个分节点、数据传输性能良好等优点，传输距离可达3 000 m。但在一些特殊环境(如封闭的核电环境)中，应尽量避免人员接触，设置RS-485模块较为困难，不易实现抄表。为实现电磁流量计远距离智能抄表，本文提出了基于蓝牙5.0的解决方案。该方案利用蓝牙5.0技术通信速度快、功耗小、传输距离可达300 m等独特优势，可实现延长抄表周期、减少维护设备的资源消耗等目标[5]。

2.1 蓝牙5.0技术的发展历程

蓝牙是一种适用于短距离数据传输的无线连接技术，多应用于消费电子、通信、汽车等领域[6]。蓝牙技术的产生是为了解决有线电缆的缺陷，实现数据信息的无线传输、设备的无线连接。蓝牙从早期的蓝牙1.0A版本、蓝牙1.1版本，形成蓝牙1.1标准；到蓝牙2.0、蓝牙3.0，实现双工模式并可以进行设备间的简单配对；从蓝牙4.0开始，蓝牙技术解决了功耗大等缺陷；到最新的蓝牙5.0，蓝牙技术根据用户需求和科技进步不断地进行技术更新和优化升级，以解决产品设备通信中的缺陷。

2.2 低功耗蓝牙5.0的技术特征

①低功耗蓝牙由5.0协议栈开发完成，与蓝牙4.2相比，在通信速率、通信距离与广播包内容长度上有了极大的提高与改善。

②与以往蓝牙技术相比，低功耗蓝牙带宽增加至原来的两倍并支持手动自主整理物理层带宽。

③串口数据包长度，可以是1 024 B以下(含1 024 B)的任意长度(大包自动分发)。

④支持AT指令调整蓝牙连接间隔，控制不同的转发速率(动态功耗调整)。

⑤支持AT指令调整发射功率、修改广播间隔、自定义广播数据、自定义设备识别码、修改串口波特率，修改模块名[7]。

2.3 低功耗蓝牙通信模块的优势

低功耗蓝牙通信模块最强优势在于丰富的外围、超宽的工作电压和极低的能耗。低功耗蓝牙设备主要状态为睡眠状态，因此与传统蓝牙技术相比，具有耗电少的优点。在调制方面，低功耗蓝牙设备以10 dBmW的无线芯片组实现了高达300 m的连接范围，与传统蓝牙技术相比具有传输距离更远、功耗更低等特点。

2.4 通信流程

蓝牙通信主要分为基于广播方式和交互式两种。

基于广播方式蓝牙通信是一种无连接的单向通信方式，指在蓝牙通信网络中只有一个数据发送者，可以将数据发送到通信网络中的任意接收器，供在此网络中所有用户端共享信息。

交互式蓝牙通信是一种具有交互作用、可实现信息查询与接收的信息处理方式，常应用于设备操作人员和系统之间。在使用时，操作人员通过终端设备输入需要查询的信息或需要系统发送相应信息的指令。系统接收到来自终端设备的信息和指令后作出反应并及时处理，同时通过蓝牙将所需信息传送至用户端，即可完成一次信息的查询与接收。交互式蓝牙通信可以保障操作人员输入的信息和指令方便、快捷地传送至系统，并且系统能够及时处理与反馈，使处理结果完整地传送到用户端并被用户及时使用[8]。通过这种操作人员与系统之间一问一答人机对话的形式，可以充分地利用设备的优势。

①智能流量计的广播式通信方式中，用户可以在手机端按下抄表按钮，用户手机通过智能流量计的蓝牙信号接收用户ID、流量计瞬时流量φt、流量计总流量φtotal和流量瞬时速率Vt等实时、有效的仪表信息。

②智能流量计的交互式通信方式中，用户可以自主选择查询流量计的相关内容，如流量计历史数据等信息。例如，用户通过手机端将查询历史信息的请求通过蓝牙反馈给表头；智能流量计端蓝牙模块接收信息后，将用户所需要的数据通过蓝牙发送至用户手机端，实现实时数据查询功能。智能流量计的交互式通信方式还可应用于远程实时监控、查询故障代码、程序升级等场景。

③远程专家可以通过蓝牙向云系统发送请求，以获得历史数据、实时数据和错误等有效信息，实时监控管理接入设备的状态与运行情况，据此调整控制指令并更改设备参数；同时，再通过云系统下达到仪表，对设备进行远程操作，提高生产效率，降低运营成本，实现智能化生产管理，打造协同高效的智能流量计体系。

智能流量计系统架构设计如图2所示。

图2 智能流量计系统架构设计图

3 平台功能架构设计

设计智能流量计的互联网平台的主要目的为：支撑流量计资源泛在连接、有利于流量计产品设备管理、实现多种流量计的弹性供给和高效配置；通过云平台利用机器学习等方面技术知识对流量计仪表进行数据建模分析；通过运行优化、预防性维护等方式，实现流量计的应用创新，满足用户对流量计智能化、网络化和数字化的需求。智能流量计的云平台包括应用(工业SaaS)层、平台(工业自动化仪表PaaS)层、IaaS层、边缘层和用户层。智能流量计的互联网平台通过新型智能仪表的桥梁纽带作用，连接了“物端”(各类大型装置和设备)和“云端”[9]。同时，智能流量计兼顾传统的自动化功能和现代智能化功能，既能够保障现场设备自动运行和设备保护，又能够满足云时代设备智能化的需求。该平台通过设备运行智能化模型加载，与云端大数据协调配合，大幅简化云端计算负荷。其本质是在传统的云平台的基础上融合多类型流量计、大数据、物联网、蓝牙5.0技术以及人工智能等相关新兴技术，构建一个高精准、响应速度更快、更完善的数据采集体系，建设一种包括优化升级、存储、访问、集成、分析设计和服务等功能的智能平台，从而实现智能流量计技术、经验、知识模型化、复用化、软件化，以促进包括电磁流量计在内的多种自动化仪表制造企业的变革创新，从而适应工业智能化、数字化的需要[10]。

智能流量计互联网平台功能架构如图3所示。

图3 智能流量计互联网平台功能架构图

利用不同的通信手段(如蓝牙5.0)接入不同型号的流量计(如超声波流量计、Dalta M热式质量流量计等)，实现对多种类流量计的管理。通过智能流量计互联网云平台的资源部署和管理，实现设备、资源、运维等方面的管理。通过协议解析、边缘数据处理，实现大范围、多层次的数据采集，完成数据向云端平台的集成。

4 软件实现

基于蓝牙5.0低功耗通信技术的智能流量计的APP部分功能页面如图4所示。

图4 APP部分功能页面

基于蓝牙5.0低功耗通信技术的智能流量计APP，可提供用于用户智能抄表、版本程序升级、故障代码查找和实时监控等的流量计新型智能化仪表产品综合技术服务。用户登录智能流量计APP,通过APP页面查看流量计实时数据信息以及出现错误时的诊断信息。出现错误时，用户可立即利用APP申请远程专家诊断，并通过云平台的云端大数据系统发送到远程专家手中。远程专家可以实时监控管理接入设备的状态与运行情况，据此调整控制指令并更改设备参数，再通过云系统下达到仪表，对设备进行远程操作，并在APP中更新诊断单详情。这样就在现场用户和远程专家之间形成了高效的服务调动体系，节约了现场用户原本用于售后调试的宝贵时间和经济成本[11]。整个过程中，所有数据流都可以通过数据模板可视化地展示出来。仪表支持多种网络接入协议，可满足不同系统供应商的特殊要求。