基于 Zigbee 技術的地磅砝碼檢定系統(tǒng)設計

本文設計了一種基于 Zigbee 的地磅砝碼檢定系統(tǒng)，包括無線數據傳輸系統(tǒng)、砝碼檢定數據自動計算及數據庫等，實現(xiàn)了砝碼檢定數據的無線傳輸、自動處理及存貯功能。解決了地磅砝碼在檢定校準工作中存在人工記錄砝碼檢定數據或采用多臺衡量儀器需配備多臺 PC 機連接串口處理數據效率低下等問題。

1.引言

地磅砝碼計量在質量量值傳遞中占有極其重要的地位，其檢定結果的正確與否直接關系到質量乃至力學測量的各個領域。而在我國的計量技術機構中，大多仍是由檢定員對著多臺電子天平或質量比較儀等衡量儀器手工記錄檢定數據，不僅效率低下，而且容易在工作強度高的情況下出現(xiàn)差錯，從而影響工作質量。衡器儀器的使用因受量程的限制，如檢定 F1 等級的砝碼，從常用的 1mg ～ 20kg 的測量范圍，至少需配備 5 到 6 臺衡量儀器，而利用無線技術通過每臺衡量儀器的 ＲS232 接口連接檢定系統(tǒng)是一個優(yōu)化選擇方案，在檢定效率和工作質量上都會有所提高。

國內也出現(xiàn)基于藍牙技術的砝碼檢定系統(tǒng)，但藍牙的傳輸效率及抗干擾能力在復雜條件下不甚理想，相比藍牙、GPＲS 等其他無線數據傳輸方式，基于 Zigbee 的無線傳輸平臺具有穩(wěn)定性好、成本低、協(xié)議簡單、抗干擾能力強、功耗低等優(yōu)點。本文設計了一種基于 Zigbee 的砝碼檢定系統(tǒng)，可以將多臺電子天平或質量比較儀等衡量儀器組成無線網絡，完成砝碼的檢定校準工作。

2.系統(tǒng)工作原理及結構

如圖 1 所示，該系統(tǒng)由若干臺衡器儀器及一個無線數據收發(fā)平臺組成。衡量儀器在檢定過程中產生的數字信號通過 ＲS232 接口連接到無線發(fā)送裝置，再由無線接收終端將信號接收，再通過 ＲS232 接口傳輸到控制平臺，由控制平臺將信號進一步處理。

該無線數據傳輸系統(tǒng)基于 IEEE802. 15. 4 規(guī)范的無線技術，采用了基于 Zigbee 技術的 CC2530 芯片，該芯片功耗低，發(fā)送狀態(tài)工作電流為 29mA，接收狀態(tài)工作電流為 24mA，該芯片工作頻率為 2. 4GHz。CC2530 使用 EMＲXDO、EM TXDO、EM CTSO 和 EM ＲTSO 四個引腳表示收發(fā)數據的狀態(tài); 串口有五個功能引腳，分別是 GND、T10UT、Ｒ1IN、T20UT 和 Ｒ2IN。在訪問過程中，CC2530接收指定的時鐘信號和片選信號，并在處理器的控制下執(zhí)行輸入輸出操作。衡量儀器為電子天平或質量比較儀，在砝碼檢定時能夠通過 ＲS232 接口發(fā)出實時示值的數字信號，將無線收發(fā)模塊與 ＲS232 接口連接，構成了網絡中的一個子節(jié)點。在接收端，利用 PC 機的串口與無線接收端連接，使用基于 VC + + 語言開發(fā)的檢測系統(tǒng)對數據進行分析處理。

3 .基于 Zigbee 的數據通信平臺設計

由于 Zigbee 技術具有強大的無線組網能力，可以組成星型、樹型和網狀網，本設計根據系統(tǒng)特點，選用了組網結構簡單的星型網絡結構，即點對多點的通信方式。

心節(jié)點為 Zigbee 協(xié)調器，子節(jié)點為 Zigbee 終端設備，所有數據經過中心節(jié)點。Zigbee 聯(lián)盟為每個獨立網絡定義了一個唯一的網絡標識符(  Personal Area Network Identi-Fair : PANID ) ，以標識自己的網絡。設備間通信時，根據 PANID 選擇合適的設備。

Beige 網絡的發(fā)起和新設備的加入也是根據 PANID進行的。當一個具有完整功能的設備上電之后，它會建立一個自己的網絡，并將自身設置成協(xié)調器，然后選定一個區(qū)別于其它網絡的 PANID。協(xié)調器在確定 PANID 后，就會允許其它從設備的加入，從設備可以根據自己選定的 PANID 加入到相應的網絡。無論是完整功能設備，還是簡化功能設備都可以加入到這個網絡中。本項目中采用了使用 IEEE 地址作為參數調用適當的 API 來實現(xiàn)通信，這種方法需要通過協(xié)調器轉發(fā)。

由于協(xié)議棧紛繁復雜，為了做到層次清楚，采用狀態(tài)機的方式對協(xié)議棧的各個動作進行轉換。使用服務調用的方式為協(xié)議棧傳達指令，每一次的服務調用都會引起協(xié)議棧自頂而下的服務響應，但是每次協(xié)議棧只能進行一項服務，協(xié)議棧通過 aPsBusy(  ) 函數判斷當前服務是否結束。

系統(tǒng)的數據交換方式為半雙工方式，為了避免同頻干擾的問題，且在檢定校準時通常只有一臺衡量儀器在工作，其他的處于非工作狀態(tài)，故通信采用時分復用技術，檢測主機通過掃描的方式與各個發(fā)送端進行點對點雙向通信。檢測主機收到上位機發(fā)出的檢測命令后向系統(tǒng)中某一遠程檢測分機發(fā)出分機地址代碼，每個分機收到地址代碼后被尋址的分機返回本機地址給主機，其他分機進入休眠狀態(tài)。在判斷地址相符后主機給被尋址的分機再發(fā)送請求數據控制命令，被尋址分機根據其命令進行檢測數據，并將檢測數據向主機發(fā)送，檢測和數據發(fā)送結束后發(fā)出結束代碼。主機接收數據包后進行校驗，若校驗正確 則發(fā)送握手信號 否則重新請求數據 直到數據全部正確為止。一臺分機檢測結束后主機把扭矩數據通過 ＲS232 接口傳送到計算機，然后進行下一個分機檢測，直到所有分機掃描一遍。在掃描過程中某一個分機規(guī)定時間內沒有應答，則重新發(fā)送該機地址代碼，仍無應答信號，就顯示通信失敗或分機故障報警。采集完畢后由系統(tǒng)上的 Zigbee 終端節(jié)點發(fā)送請求，等待協(xié)調器接受采集到的信號，接受完畢后，協(xié)調器將數據上傳給計算機。

4 .砝碼檢定系統(tǒng)軟件設計

砝碼檢定系統(tǒng)與無線數據傳輸平臺傳輸數據時，首先對設備進行初始化，尋找網絡。與無線傳輸平臺聯(lián)網成功后，登陸到系統(tǒng)界面，通過按鍵觸發(fā)進行扭矩信息在無線傳輸平臺上的傳送。當各個終端節(jié)點的示值通過平臺傳送到終端之后，終端通過串口將接收的數據傳送給PC 機處理。設計選擇的數據庫為 Access2003，程序開發(fā)工具為 VC ++ 6. 0。系統(tǒng)使用 VisualC ++ 6. 0 中 MSComm控件進行串口數據接收，并且使用事件驅動法進行程序設計。利用 MSComm 控件引發(fā) OnComm 事件，應用程序在捕獲該事件后，通過檢查 MSComm 控件的 COmmEveni屬性若為接收屬性則接收數據，并進行數據處理。

數據處理則是按 JJG99 － 2006《砝碼檢定規(guī)程》編寫，具備數據處理功能。在檢定時，檢定員根據砝碼的等級、標稱值選擇的相應的砝碼檢定測量循環(huán)模式，系統(tǒng)自動選擇相應的衡量儀器，隨后根據實際檢定的示值自動記錄數據，并在全部所需測量數據記錄完成后自動計算砝碼的折算質量修正值，并與相應等級的砝碼允差進行比較，判斷是否在相應等級誤差范圍內，并給出判斷結果，原始記錄可打印、存為 word 文檔及存于數據庫中，方便查看或及出具檢定校準證書。

5 .結論

Beige 技術是一種短距離、低功耗、低成本的無線網絡技術。本系統(tǒng)將 Zigbee 技術與砝碼檢定結合起來，最終實現(xiàn)了多臺衡量儀器使用一臺 PC 機實時處理檢定數據的工作，降低了人為因素在檢定校準工作中粗大誤差產生的概率，并大大提高了工作效率。