基于低功耗藍(lán)牙的地溫測試系統(tǒng)及地溫測試方法
【專利說明】基于低功耗藍(lán)牙的地溫測試系統(tǒng)及地溫測試方法
[0001 ]
技術(shù)領(lǐng)域： 本發(fā)明設(shè)及一種基于低功耗藍(lán)牙的地溫測試系統(tǒng)及地溫測試方法。
[0002]
【背景技術(shù)】： 近年來，由于在寒區(qū)季凍±上進(jìn)行了大規(guī)模的工程建設(shè)(如高鐵、水利工程、高速公路、 跨江隧道等），使得對(duì)季凍±工程性態(tài)的研究越發(fā)受到重視。其中最受關(guān)注的就是季節(jié)凍± 性態(tài)隨溫度的變化規(guī)律。由于受到惡劣氣候和現(xiàn)場條件限制，季凍±內(nèi)部溫度測試手段單 一且不方便。W傳統(tǒng)的地溫測試方法一-測溫管方法而言，主要工作內(nèi)容有：地溫鉆孔鉆 探、測溫管安裝及防滲水處理、鉆孔地溫恢復(fù)、地溫測試元件安裝、數(shù)據(jù)采集和處理等等，內(nèi) 容繁瑣、測試不便、精度有限，對(duì)測試人員要求也很高。但迄今為止，由于測試介質(zhì)復(fù)雜、傳 感器尺寸效應(yīng)、電源供給W及現(xiàn)場安裝等諸多條件限制，測試裝備及手段并沒有大的進(jìn)展。
[0003] 隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日趨成熟，傳感器也向數(shù)字化、小型化方面發(fā)展，為隱蔽工程參 數(shù)測試提供了新的手段。其中，基于藍(lán)牙4.0標(biāo)準(zhǔn)的低功耗藍(lán)牙(Bluetooth Low Energy, 化E)由于可W完成許多環(huán)境惡劣、人員難W到達(dá)或隱蔽工程內(nèi)部的檢測任務(wù)，逐步受到重 視。低功耗藍(lán)牙將可靠、標(biāo)準(zhǔn)化的互兼容性與無線設(shè)備結(jié)合在一起，僅靠一顆鈕扣電池就可 維持?jǐn)?shù)年之久，運(yùn)又為不間斷、動(dòng)態(tài)化檢測提供了可能。
[0004] 傳統(tǒng)的地下溫度測量設(shè)備都需要導(dǎo)線作為信號(hào)傳輸?shù)耐?，外接?shù)據(jù)采集儀與PC 構(gòu)成整個(gè)測試系統(tǒng)，由此則需要從地下引出導(dǎo)線留在路面W備測試使用，運(yùn)不僅會(huì)暴露測 試裝置，可能造成無關(guān)人員對(duì)其的非法利用或損壞，而且從地下引出的導(dǎo)線還會(huì)破壞±體 結(jié)構(gòu)，在同時(shí)需要對(duì)±應(yīng)力變化的測試中造成很大影響，使得測試環(huán)境下的±體結(jié)構(gòu)與原 本±體差別很大，測試的應(yīng)力數(shù)據(jù)很大程度上都不能代表原本±壤的應(yīng)力變化，測試數(shù)據(jù) 失真較大。在測試過程中，傳統(tǒng)的測試設(shè)備主要有數(shù)據(jù)采集儀和PC機(jī)，在實(shí)際的野外測試 中，運(yùn)就顯得大而笨重，攜帶不便，尤其在天氣比較惡劣的環(huán)境下（比如雨、雪、風(fēng)、霜等)進(jìn) 行測試，運(yùn)就使得在測試過程需要的一系列步驟(比如設(shè)備的連接線、啟動(dòng)復(fù)位、數(shù)據(jù)采集 等操作)進(jìn)行的比較困難或者根本無法進(jìn)行，使得數(shù)據(jù)的采集極為不便。基于W上問題，運(yùn) 就使得傳統(tǒng)的有線測量方式對(duì)此要么失真很大，要么實(shí)施困難或根本無從下手。
[0005] 在測試方式上，傳統(tǒng)的地下溫度測量設(shè)備都需要導(dǎo)線作為信號(hào)傳輸?shù)耐罚饨?數(shù)據(jù)采集儀與PC構(gòu)成整個(gè)測試系統(tǒng)，由此則需要從地下引出導(dǎo)線留在路面W備測試使用， 運(yùn)不僅使得測試系統(tǒng)本身的復(fù)雜度增加，使得測試過程繁瑣，對(duì)于隱蔽工程而言，還會(huì)暴露 測試裝置，可能造成無關(guān)人員對(duì)其的非法利用或損壞，而且運(yùn)些埋設(shè)于±壤中的導(dǎo)線還會(huì) 破壞±體結(jié)構(gòu)，在同時(shí)需要對(duì)±應(yīng)力變化的測試中造成很大影響，使得測試環(huán)境下的±體 結(jié)構(gòu)與原本±體差別很大，測試的應(yīng)力數(shù)據(jù)很大程度上都不能代表原本±壤的應(yīng)力變化， 測試數(shù)據(jù)失真較大。
[0006] 在測試過程中，傳統(tǒng)的測試設(shè)備主要有數(shù)據(jù)采集儀和PC機(jī)，在實(shí)際的野外測試中， 運(yùn)就顯得大而笨重，攜帶不便，尤其在天氣比較惡劣的環(huán)境下（比如雨、雪、風(fēng)、霜等)進(jìn)行測 試，運(yùn)就使得在測試過程需要的一系列步驟(比如設(shè)備的連接線、啟動(dòng)復(fù)位、數(shù)據(jù)采集等操 作)進(jìn)行的比較困難或者根本無法進(jìn)行，使得數(shù)據(jù)的采集極為不便?；赪上問題，運(yùn)就使 得傳統(tǒng)的有線測量方式在進(jìn)行地溫測量時(shí)對(duì)±體破壞較大，使得在地溫測試的同時(shí)想要再 進(jìn)行±壤應(yīng)力的測試受到較大影響，在惡劣環(huán)境下進(jìn)行測試，實(shí)施困難或無從下手。
[0007]在如今的無線通信技術(shù)中，比較成熟且流行的有WIFI ,ZIGBEE，藍(lán)牙 S種協(xié)議。WIFKWireless Fidelity,無線保真技術(shù))是IE邸802.11的簡稱，是一種可 支持?jǐn)?shù)據(jù)，圖像，語音和多媒體且輸出速率高達(dá)54Mb/s的短程無線傳輸技術(shù)，Wifi的電波覆 蓋范圍半徑高達(dá)100m，但是其功耗大，體積大，且安全性不高，不適合±壤中的測試。ZIG肥E (紫蜂協(xié)議)是IE邸802.15.4協(xié)議的簡稱，它來源于蜜蜂的八字舞，蜜蜂(bee)是通過飛翔和 "嗦嗦"（Zig)抖動(dòng)翅膀的"舞蹈"來與同伴傳遞花粉所在的方位信息，而ZIGBEE協(xié)議的方式 特點(diǎn)與其類似而命名，一般的有效傳播距離為l〇m-75m，功耗低，安全性高，但其傳輸速率 低，只有250Kb/s，在隨機(jī)接入MAC層的同時(shí)不支持時(shí)分復(fù)用的信道接入方式，因此在支持一 些實(shí)時(shí)的應(yīng)用時(shí)會(huì)因?yàn)榘l(fā)生多跳和沖突會(huì)產(chǎn)生延時(shí)，且目前電子設(shè)備中配備其模塊的比例 幾乎為零，運(yùn)就使得其應(yīng)用不便。
[000引
【發(fā)明內(nèi)容】
： 本發(fā)明的目的是提供一種基于低功耗藍(lán)牙的地溫測試系統(tǒng)及地溫測試方法。
[0009] 上述的目的通過W下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)： 一種基于低功耗藍(lán)牙的地溫測試系統(tǒng)，其組成包括:溫度采集裝置、信號(hào)接收裝置，所 述的溫度采集裝置包括紐扣電池，所述的紐扣電池分別與藍(lán)牙裝置、溫度傳感器連接，所述 的藍(lán)牙裝置包括藍(lán)牙主忍片CC2541，所述的藍(lán)牙主忍片CC2541連接PCB天線，所述的信號(hào)接 收裝置為智能手機(jī)。
[0010] -種利用權(quán)利要求1所述的基于低功耗藍(lán)牙的地溫測試系統(tǒng)的地溫測試方法，在 離地面距離小于或等于30cm的地溫測試中，直接將所述的溫度采集裝置埋設(shè)于將要測試的 ±壤中，測試人員站在地面上使用帶藍(lán)牙4.0的智能手機(jī)打開藍(lán)牙，掃描到設(shè)備廣播后向模 塊發(fā)送采樣命令，所述的溫度采集裝置收到命令后執(zhí)行溫度采集動(dòng)作，溫度采集開始，測試 人員通過手機(jī)中的APP接收藍(lán)牙廣播數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的讀取，測試完成后，使用手機(jī)向模塊 發(fā)送停止采樣命令，溫度采集停止； 在離地面距離大于30cm的地溫測試中，分別在離地面30cm處和所需測試點(diǎn)埋設(shè)所述的 溫度采集裝置，分別稱之為一級(jí)節(jié)點(diǎn)和二級(jí)節(jié)點(diǎn)，兩節(jié)點(diǎn)間距離不大于30cm，測試人員站在 地面上使用智能手機(jī)打開藍(lán)牙，掃描到設(shè)備廣播后向模塊發(fā)送命令，使其主動(dòng)連接二級(jí)節(jié) 點(diǎn)藍(lán)牙，并命令二級(jí)節(jié)點(diǎn)藍(lán)牙采集數(shù)據(jù)，且同時(shí)將其采集到的數(shù)據(jù)傳遞給一級(jí)節(jié)點(diǎn)藍(lán)牙，一 級(jí)節(jié)點(diǎn)藍(lán)牙再W廣播的形式將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，另一端則使用帶藍(lán)牙4.0的智能手 機(jī)通過掃描廣播的形式接收。
[0011] 所述的基于低功耗藍(lán)牙的地溫測試系統(tǒng)的地溫測試方法，所述的廣播時(shí)間間隔設(shè) 置為10秒，即低功耗睡眠時(shí)間為10秒。
[0012] 所述的基于低功耗藍(lán)牙的地溫測試系統(tǒng)的地溫測試方法，所述的溫度采集裝置的 溫度采樣周期，是將采樣周期設(shè)置為30秒，在需要測試時(shí)，通過手機(jī)向其發(fā)送命令使其開始 采樣，采樣周期為所設(shè)置值，不需要測試時(shí)，再通過發(fā)送命令使其停止采樣W降低能耗，在 此低功耗模式下，模塊的待機(jī)電流小于lOuA，降低了模塊的能耗。
[0013] 所述的基于低功耗藍(lán)牙的地溫測試系統(tǒng)的地溫測試方法，所述的藍(lán)牙主忍片 CC2541通過軟件修改藍(lán)牙協(xié)議找代碼，在預(yù)編譯宏中定義POWER SAVING開啟低功耗模式， 在此模式下，軟件會(huì)自動(dòng)根據(jù)事件中的定時(shí)器定義睡眠時(shí)間，W減少能耗，所述的藍(lán)牙主忍 片CC2541內(nèi)置了4個(gè)不同大小的振蕩源用W實(shí)現(xiàn)不同的任務(wù)來節(jié)約能耗，頻率分別為 32M監(jiān)、16M監(jiān)、32K監(jiān)、16K監(jiān)。
[0014] 有益效果： 1.本發(fā)明使用一塊集成RF(射頻，Radio化equency)收發(fā)器和業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型 8051MCU(Microcontroller Unit,單片機(jī)）的片上系統(tǒng)（SOC，System-〇n-a-CMp)作為本模 塊的主忍片，用來處理從傳感器采集來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)W射頻廣播的形式發(fā)送出去，另一 端則使用帶藍(lán)牙4.0的智能手機(jī)通過掃描廣播的形式接收，智能手機(jī)上的接收客戶端為專 口編寫的Amlroid APP。
[0015] 本發(fā)明選用TI公司的CC2541為化E主忍片，瑞iSensirion公司的細(xì)T20作為溫度 采集設(shè)備，用一顆松下CR2032紐扣電池供電，分別構(gòu)成了本系統(tǒng)的處理器與射頻模塊，溫度 傳感器模塊與電源模塊。CC2541的射頻部分將通過無線2.4G化頻段采集信息，并將其發(fā)送 至Ij IOS或者Amlroid設(shè)備，且在對(duì)應(yīng)的APP中進(jìn)行顯示與處理。
[0016] 本發(fā)明采用貼片版的CC2541最小系統(tǒng)，為了縮小尺寸，需要在PCB正反面同時(shí)安裝 元器件，同時(shí)為了保持系統(tǒng)引腳的擴(kuò)展性，需要正反雙面同時(shí)打孔，實(shí)際尺寸僅為2.5cm* 2.5cm*0.5cm，其中包括的兩個(gè)L抓燈分別用于程序調(diào)試，Power座用于外接電源時(shí)使用，實(shí) 測空曠安靜地區(qū)有效通信距離達(dá)100米。
[0017] 本發(fā)明在20cm±層深度，我國全年最低±壤溫度出現(xiàn)在1月，1月最冷的溫度達(dá)到-13.8°C，最高±壤溫度出現(xiàn)在7月，全國絕大部分地區(qū)±壤溫度高于20°C，最高溫度出現(xiàn)在 吐魯番，達(dá)到35.6°C。此傳感器測溫范圍為-40°C~125°C，完全滿足需要。參數(shù)對(duì)比如表一 所示。
[001引表1參數(shù)對(duì)比
[0019]本發(fā)明由于傳感器要埋置于隱蔽工程內(nèi)部，與介質(zhì)完全結(jié)合在一起，必須保證在 整個(gè)測試期內(nèi)有不間斷的能量供應(yīng)，所W，如何盡可能降低能耗，延長傳感器使用壽命就成 為當(dāng)務(wù)之急。在具體實(shí)現(xiàn)上，通過軟件修改藍(lán)牙協(xié)議找代碼，在預(yù)編譯宏中定義POWER SAVING開啟低功耗模式，在此模式下，軟件會(huì)自動(dòng)根據(jù)事件中的定時(shí)器定義睡眠時(shí)間，W減 少能耗，運(yùn)是由于本化E系統(tǒng)內(nèi)置了 4個(gè)不同大小的振蕩源用W實(shí)現(xiàn)不同的任務(wù)來節(jié)約能 耗，頻率分別為32M監(jiān)，16M監(jiān)，32K監(jiān)，16K監(jiān)。由測試發(fā)現(xiàn)，在廣播時(shí)間間隔在10秒W上時(shí)，接 收器很難發(fā)現(xiàn)設(shè)備或根本無法找到設(shè)備，故將廣播時(shí)間間隔設(shè)置為10秒，即低功耗睡眠時(shí) 間為10秒。然后根據(jù)需要設(shè)置采樣周期，由于±體內(nèi)溫度變化比較緩慢，故將采樣周期設(shè)置 為30秒，在需要測試時(shí)，通過手機(jī)向其發(fā)送命令使其開始采樣，采樣周期為所設(shè)置值，不需 要測試時(shí)，再通過發(fā)送命令使其停止采樣W降低能耗。在此低功耗模式下，模塊的待機(jī)電流 小于lOuA，大大降低了模塊的能耗。經(jīng)電量衰減測試及估算，一顆紐扣電池可W支持測試系 統(tǒng)正常運(yùn)行一年W上，可W滿足季節(jié)凍±在一個(gè)凍融循環(huán)(一年）內(nèi)的溫度測試時(shí)段要求。
[0020] 本發(fā)明在單片機(jī)與IC(集成電路）的通信中，既要節(jié)省IO口資源，而又盡量要保持 通信速率在一個(gè)較高的水平，在如何兼顧通信速度與端口數(shù)量的問題上，Philips開發(fā)了一 個(gè)簡單的雙向兩線總線實(shí)現(xiàn)有效的IC之間控制運(yùn)個(gè)總線就稱為Inter IC或I2C總線。使硬 件效益最大、電路最簡單，只要求兩條總線線路一條串行數(shù)據(jù)線SDA和一條串行時(shí)鐘線SCL， 串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)lOOkbit/s快速模式