基于低功耗蓝牙的地温测试系统及地温测试方法
【专利说明】基于低功耗蓝牙的地溫测试系统及地溫测试方法
[0001 ]
技术领域： 本发明设及一种基于低功耗蓝牙的地溫测试系统及地溫测试方法。
[0002]
【背景技术】： 近年来，由于在寒区季冻±上进行了大规模的工程建设(如高铁、水利工程、高速公路、 跨江隧道等），使得对季冻±工程性态的研究越发受到重视。其中最受关注的就是季节冻± 性态随溫度的变化规律。由于受到恶劣气候和现场条件限制，季冻±内部溫度测试手段单 一且不方便。W传统的地溫测试方法一-测溫管方法而言，主要工作内容有：地溫钻孔钻 探、测溫管安装及防渗水处理、钻孔地溫恢复、地溫测试元件安装、数据采集和处理等等，内 容繁琐、测试不便、精度有限，对测试人员要求也很高。但迄今为止，由于测试介质复杂、传 感器尺寸效应、电源供给W及现场安装等诸多条件限制，测试装备及手段并没有大的进展。
[0003] 随着无线网络技术日趋成熟，传感器也向数字化、小型化方面发展，为隐蔽工程参 数测试提供了新的手段。其中，基于蓝牙4.0标准的低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy, 化E)由于可W完成许多环境恶劣、人员难W到达或隐蔽工程内部的检测任务，逐步受到重 视。低功耗蓝牙将可靠、标准化的互兼容性与无线设备结合在一起，仅靠一颗钮扣电池就可 维持数年之久，运又为不间断、动态化检测提供了可能。
[0004] 传统的地下溫度测量设备都需要导线作为信号传输的通路，外接数据采集仪与PC 构成整个测试系统，由此则需要从地下引出导线留在路面W备测试使用，运不仅会暴露测 试装置，可能造成无关人员对其的非法利用或损坏，而且从地下引出的导线还会破坏±体 结构，在同时需要对±应力变化的测试中造成很大影响，使得测试环境下的±体结构与原 本±体差别很大，测试的应力数据很大程度上都不能代表原本±壤的应力变化，测试数据 失真较大。在测试过程中，传统的测试设备主要有数据采集仪和PC机，在实际的野外测试 中，运就显得大而笨重，携带不便，尤其在天气比较恶劣的环境下（比如雨、雪、风、霜等)进 行测试，运就使得在测试过程需要的一系列步骤(比如设备的连接线、启动复位、数据采集 等操作)进行的比较困难或者根本无法进行，使得数据的采集极为不便。基于W上问题，运 就使得传统的有线测量方式对此要么失真很大，要么实施困难或根本无从下手。
[0005] 在测试方式上，传统的地下溫度测量设备都需要导线作为信号传输的通路，外接 数据采集仪与PC构成整个测试系统，由此则需要从地下引出导线留在路面W备测试使用， 运不仅使得测试系统本身的复杂度增加，使得测试过程繁琐，对于隐蔽工程而言，还会暴露 测试装置，可能造成无关人员对其的非法利用或损坏，而且运些埋设于±壤中的导线还会 破坏±体结构，在同时需要对±应力变化的测试中造成很大影响，使得测试环境下的±体 结构与原本±体差别很大，测试的应力数据很大程度上都不能代表原本±壤的应力变化， 测试数据失真较大。
[0006] 在测试过程中，传统的测试设备主要有数据采集仪和PC机，在实际的野外测试中， 运就显得大而笨重，携带不便，尤其在天气比较恶劣的环境下（比如雨、雪、风、霜等)进行测 试，运就使得在测试过程需要的一系列步骤(比如设备的连接线、启动复位、数据采集等操 作)进行的比较困难或者根本无法进行，使得数据的采集极为不便。基于W上问题，运就使 得传统的有线测量方式在进行地溫测量时对±体破坏较大，使得在地溫测试的同时想要再 进行±壤应力的测试受到较大影响，在恶劣环境下进行测试，实施困难或无从下手。
[0007]在如今的无线通信技术中，比较成熟且流行的有WIFI ,ZIGBEE，蓝牙 S种协议。WIFKWireless Fidelity,无线保真技术)是IE邸802.11的简称，是一种可 支持数据，图像，语音和多媒体且输出速率高达54Mb/s的短程无线传输技术，Wifi的电波覆 盖范围半径高达100m，但是其功耗大，体积大，且安全性不高，不适合±壤中的测试。ZIG肥E (紫蜂协议)是IE邸802.15.4协议的简称，它来源于蜜蜂的八字舞，蜜蜂(bee)是通过飞翔和 "嗦嗦"（Zig)抖动翅膀的"舞蹈"来与同伴传递花粉所在的方位信息，而ZIGBEE协议的方式 特点与其类似而命名，一般的有效传播距离为l〇m-75m，功耗低，安全性高，但其传输速率 低，只有250Kb/s，在随机接入MAC层的同时不支持时分复用的信道接入方式，因此在支持一 些实时的应用时会因为发生多跳和冲突会产生延时，且目前电子设备中配备其模块的比例 几乎为零，运就使得其应用不便。
[000引
【发明内容】
： 本发明的目的是提供一种基于低功耗蓝牙的地溫测试系统及地溫测试方法。
[0009] 上述的目的通过W下的技术方案实现： 一种基于低功耗蓝牙的地溫测试系统，其组成包括:溫度采集装置、信号接收装置，所 述的溫度采集装置包括纽扣电池，所述的纽扣电池分别与蓝牙装置、溫度传感器连接，所述 的蓝牙装置包括蓝牙主忍片CC2541，所述的蓝牙主忍片CC2541连接PCB天线，所述的信号接 收装置为智能手机。
[0010] -种利用权利要求1所述的基于低功耗蓝牙的地溫测试系统的地溫测试方法，在 离地面距离小于或等于30cm的地溫测试中，直接将所述的溫度采集装置埋设于将要测试的 ±壤中，测试人员站在地面上使用带蓝牙4.0的智能手机打开蓝牙，扫描到设备广播后向模 块发送采样命令，所述的溫度采集装置收到命令后执行溫度采集动作，溫度采集开始，测试 人员通过手机中的APP接收蓝牙广播数据，完成数据的读取，测试完成后，使用手机向模块 发送停止采样命令，溫度采集停止； 在离地面距离大于30cm的地溫测试中，分别在离地面30cm处和所需测试点埋设所述的 溫度采集装置，分别称之为一级节点和二级节点，两节点间距离不大于30cm，测试人员站在 地面上使用智能手机打开蓝牙，扫描到设备广播后向模块发送命令，使其主动连接二级节 点蓝牙，并命令二级节点蓝牙采集数据，且同时将其采集到的数据传递给一级节点蓝牙，一 级节点蓝牙再W广播的形式将采集到的数据发送出去，另一端则使用带蓝牙4.0的智能手 机通过扫描广播的形式接收。
[0011] 所述的基于低功耗蓝牙的地溫测试系统的地溫测试方法，所述的广播时间间隔设 置为10秒，即低功耗睡眠时间为10秒。
[0012] 所述的基于低功耗蓝牙的地溫测试系统的地溫测试方法，所述的溫度采集装置的 溫度采样周期，是将采样周期设置为30秒，在需要测试时，通过手机向其发送命令使其开始 采样，采样周期为所设置值，不需要测试时，再通过发送命令使其停止采样W降低能耗，在 此低功耗模式下，模块的待机电流小于lOuA，降低了模块的能耗。
[0013] 所述的基于低功耗蓝牙的地溫测试系统的地溫测试方法，所述的蓝牙主忍片 CC2541通过软件修改蓝牙协议找代码，在预编译宏中定义POWER SAVING开启低功耗模式， 在此模式下，软件会自动根据事件中的定时器定义睡眠时间，W减少能耗，所述的蓝牙主忍 片CC2541内置了4个不同大小的振荡源用W实现不同的任务来节约能耗，频率分别为 32M监、16M监、32K监、16K监。
[0014] 有益效果： 1.本发明使用一块集成RF(射频，Radio化equency)收发器和业界标准的增强型 8051MCU(Microcontroller Unit,单片机）的片上系统（SOC，System-〇n-a-CMp)作为本模 块的主忍片，用来处理从传感器采集来的数据，并将数据W射频广播的形式发送出去，另一 端则使用带蓝牙4.0的智能手机通过扫描广播的形式接收，智能手机上的接收客户端为专 口编写的Amlroid APP。
[0015] 本发明选用TI公司的CC2541为化E主忍片，瑞iSensirion公司的細T20作为溫度 采集设备，用一颗松下CR2032纽扣电池供电，分别构成了本系统的处理器与射频模块，溫度 传感器模块与电源模块。CC2541的射频部分将通过无线2.4G化频段采集信息，并将其发送 至Ij IOS或者Amlroid设备，且在对应的APP中进行显示与处理。
[0016] 本发明采用贴片版的CC2541最小系统，为了缩小尺寸，需要在PCB正反面同时安装 元器件，同时为了保持系统引脚的扩展性，需要正反双面同时打孔，实际尺寸仅为2.5cm* 2.5cm*0.5cm，其中包括的两个L抓灯分别用于程序调试，Power座用于外接电源时使用，实 测空旷安静地区有效通信距离达100米。
[0017] 本发明在20cm±层深度，我国全年最低±壤溫度出现在1月，1月最冷的溫度达到-13.8°C，最高±壤溫度出现在7月，全国绝大部分地区±壤溫度高于20°C，最高溫度出现在 吐鲁番，达到35.6°C。此传感器测溫范围为-40°C~125°C，完全满足需要。参数对比如表一 所示。
[001引表1参数对比
[0019]本发明由于传感器要埋置于隐蔽工程内部，与介质完全结合在一起，必须保证在 整个测试期内有不间断的能量供应，所W，如何尽可能降低能耗，延长传感器使用寿命就成 为当务之急。在具体实现上，通过软件修改蓝牙协议找代码，在预编译宏中定义POWER SAVING开启低功耗模式，在此模式下，软件会自动根据事件中的定时器定义睡眠时间，W减 少能耗，运是由于本化E系统内置了 4个不同大小的振荡源用W实现不同的任务来节约能 耗，频率分别为32M监，16M监，32K监，16K监。由测试发现，在广播时间间隔在10秒W上时，接 收器很难发现设备或根本无法找到设备，故将广播时间间隔设置为10秒，即低功耗睡眠时 间为10秒。然后根据需要设置采样周期，由于±体内溫度变化比较缓慢，故将采样周期设置 为30秒，在需要测试时，通过手机向其发送命令使其开始采样，采样周期为所设置值，不需 要测试时，再通过发送命令使其停止采样W降低能耗。在此低功耗模式下，模块的待机电流 小于lOuA，大大降低了模块的能耗。经电量衰减测试及估算，一颗纽扣电池可W支持测试系 统正常运行一年W上，可W满足季节冻±在一个冻融循环(一年）内的溫度测试时段要求。
[0020] 本发明在单片机与IC(集成电路）的通信中，既要节省IO口资源，而又尽量要保持 通信速率在一个较高的水平，在如何兼顾通信速度与端口数量的问题上，Philips开发了一 个简单的双向两线总线实现有效的IC之间控制运个总线就称为Inter IC或I2C总线。使硬 件效益最大、电路最简单，只要求两条总线线路一条串行数据线SDA和一条串行时钟线SCL， 串行的8位双向数据传输位速率在标准模式下可达lOOkbit/s快速模式