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藍牙技術在施工機械在線監測中的應用
摘要：在對藍牙技術及其原理討論的基礎上，結合施工機械狀態監測現場的具體特點，提出了一種新型的施工機械狀態無線監測系統，實現了對施工機械狀態的實時監控，提高了施工機械的智能化水平。關鍵詞：藍牙技術施工機械在線監測
在線狀態監測也叫機載式故障預報，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部位，直接獲取各運行部分的工況參數，從而進行分析、處理，實時控制施工進度，提高施工質量的一種監測。當前施工機械的發展方向是智能化，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行無電纜可靠傳輸，并能利用非機載設備(如高檔微機及功能完善的軟件)對采集的信號進行復雜有效的處理，從而合理地控制施工全過程。
1藍牙技術簡介
藍牙(Bluetooth)技術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，SpecialInterestsGroup)于1998年5月聯合制定。SIG推出藍牙技術的目的在于實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的無線通信，并形成世界統一的近距離無線通信標準。藍牙技術可提供低成本、低功耗的無線接人方式，被認為是近年來無線數據通信領域的重大進展之一，其程序寫在一個9mm×9mm的微芯片中［1］。
藍牙系統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(協議)單元。
1．1藍牙技術的系統結構［2～4］
藍牙技術的系統結構如圖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：底層協議部分和高層應用協議部分。下面分別對兩部分作一粗略的介紹。
1．1．1底層協議
底層協議作為藍牙技術應用的基礎，有著十分重要的作用。以目前的技術水平，部分協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送與接收；
BaseBand：實現基帶部分協議和其它底層鏈路功能；
LinkManager(LM)：用于鏈路的建立和管理；
L2CAP：是LogicalLinkControlandAdaptationProtocol的縮寫，實現高層協議復用、包的組裝和拆分等功能；
SDP：是ServiceDiscoverProtocol的縮寫，發現并識別底層設備所能提供的服務，以便高層應用調用。
1．1．2高層應用協議
高層應用協議主要包括以下幾種應用協議：
RFCOMM：是ETSITS07．10標準的一個子集；
TCP／IPOverBluetooth：通過這個協議可以支持TCP／IP服務；
IrOBEXOverBluetooth：這個協議提供了藍牙與紅外傳輸的兼容性；
FilesTransferOverBluetooth：通過這個協議可以支持FTP服務。
值得注意的是，還有一種高層應用協議可以支持WAP(WirelessApplicationProtoc01)應用，通過它可以有效實施一個廣域范圍內的移動網絡。
根據上面的討論，總的來講，一個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LinkManager，軟件部分包括L2CAP以上的功能。
1．2工作原理
藍牙技術工作在全球通用的
2．4GHzISM(I-工業；S-科學；M-醫學)頻段，數據傳輸速率為1Mb／s。從理論上講，以2．4GHzISM頻段運行的技術能夠使相距30m以內的儀器設備之間成功實現無線連接，數據傳輸速率可達2Mb／s；如果再加入功率放大器，發射距離有效范圍可達100m。藍牙技術采用了“Plug&Play”技術，即任意一個采用了藍牙技術的儀器設備(簡稱“藍牙設備”)一旦搜尋到另一個藍牙設備，馬上就可與之建立聯系，無需用戶進行任何設置，可謂能做到“即連即用”[5]。所以，藍牙技術比較適用于短距離無線數據傳輸。
如前所述，藍牙技術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定和傳輸的可靠性，所以其抗干擾能力很強；與這個過程相反，Receiver模塊把從天線中接收到的數據進行處理后，通過Baseband傳送給主機。所以，任何兩個支持藍牙標準的設備都可以在短距離內進行信息傳遞，而不需要使用電纜鏈接，而且它的功耗非常低。
2實際應用
傳統的在線狀態監測系統，無論是主動式還是微機自動監控系統，均需要將各傳感器提供的在線信號實測值通過相應的有線電纜傳輸至微機，并與微處理器內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，只能對現場施工信號進行簡單的處理，無法進行全面、系統的分析，可能誤檢、漏檢各種潛在的故障隱患，造成不必要的經濟損失；同時，現行的作業管理缺少統一的施工工藝模式，無完整的施工操作記錄，不能很好地控制施工進度和質量。可見，傳統的在線狀態監測系統需要改進。
2．1基于藍牙技術的傳統監測設備的改造
經過上面的分析得知，在進行傳統的在線狀態監測系統的實施時，存在一些不足之處。如果把藍牙技術應用到這個領域中來，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型傳感器、數據采集器等設備利用藍牙技術進行改造，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，由于采用了無線傳輸的形式取代有線電纜連接，在具體應用中使得監測網絡的調整和重組變得非常方便；而且對于一些特殊場合，例如高速旋轉設備運行時，利用傳統的有線方式很難進行一些關鍵部位的測量，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，并且利用其無線優勢，可以進行移動監測；在高溫、高腐蝕等惡劣環境下，無線監測方式的可靠性也要高得多，造價又低。總而言之，類似結構的監測系統將會有非常大的應用空間。
2．2藍牙技術在施工機械在線監測中的應用
藍牙技術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，為固定與移動設備之間的通信環境建立了一個特別連接的短程無線電技術。利用藍牙技術可將傳感器在線監測數據傳送到計算機進行處理，而經過計算機處理后的信息可再經藍牙技術傳至各臺設備。
基于藍牙協議的設備之間支持點到點(PointtoPoint)和點到多點(PointtoMulti-Point)這兩種通訊模式，與之相對應，由藍牙設備組成的網絡拓撲結構也有兩種，分別稱為微微網(Piconet)和分散網(Scattemet)，如圖4所示。
一個微微網中的所有設備單元共享同樣的信道，每一個藍牙設備最多可以同時與七個設備進行通訊。而且每一個設備同時還可能是其它微微網的組成單元。分散網是建立在微微網的基礎之上的由多個微微網組成的功能單元，這些微微網之間可以進行通訊，每一個微微網的識別是靠各自的調頻頻率來決定的。
在采用藍牙技術并對傳統監測系統進行改造的基礎上，結合日益發展的網絡技術，針對施工機械的具體應用特點，提出了一種新型的分布式無線狀態監測系統，如圖5所示。
本方案針對施工機械狀態監測現場的具體特點，側重于藍牙技術和新型無線數據采集系統的應用。在一定工作環境的要求下，應盡量采用具有無線通訊能力的傳感器和數據采集系統，以避免有線電纜的使用。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微微網，所有的微微網又可以組成一個可以覆蓋整個現場的分散網(如圖5所示)。可以看出，數據采集器同時屬于多個微微網，能與網絡內的各個單位監測單元一起協調工作，對監測信息進行實時采集，然后以無線通訊的方式通過局域網接人點把信息傳送至數據庫服務器中。同時，Web用戶在交付一定費用后，可以通過Internet共享這些數據，從而實現實驗數據的異地共享。
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