基于ZigBee 的電磁流量計監測方案系統設計與實現
摘要: 以CC2430 單片機作為無線節點的核心設計, 介紹一種基于ZigBee 技術的無線電磁流量計采集數據的監控方法. 重點介紹了電磁流量計的監測系統設計, ZigBee 與電磁流量計的通信及網絡通信服務.
關.. 鍵.. 詞: 電磁流量計; ZigBee; 智能監控; 低功耗
電磁流量計在測量過程中不受被測介質溫度、黏度、密度等因素影響, 具有測量速度快、精度高、測量口徑寬、輸出線性度好, 與被測介質不接觸、耐腐蝕、抗磨損, 流體壓力損失小等優點, 因而廣泛應用于造紙廠紙漿、助劑、水等流體的測量. 傳統的電磁流量計的數據是通過有線的方式傳送, 具有布線麻煩、設備隨意移動性不強等缺點. 隨著射頻技術、集成電路技術的發展, 無線通信功
能的實現越來越容易, 數據傳輸速率也越來越快. 并且逐漸達到可與有線網絡相媲美的水平. 本研究中提出的基于ZigBee 技術的電磁流量計的監測方案, 不必鋪設電纜, 可以節省費用和時間. 數據經采集后由監測中心對網絡采集的數據統一管理和分析. 該無線傳感器網絡將采集數據傳輸到Zig.. Bee 網關, 再通過以太網發送到監測中心主機, 也可傳送數據到手抄器進行顯示, 并可與上位機或手抄器進行參數設置.
1 .. 系統組成
整個系統按照功能可以分為3 部分: 人機操作部分, 網關和終端設備. 人機操作部分指的是操作員在PC 機上通過組態軟件進行操作的部分; 網關包括了Zigbee 無線模塊中的協調器, 作為無線協議與有線協議的轉換部分, 并承擔系統管理的部分功能; 終端設備部分指的是連接了電磁流量計的無線Zigbee 模塊, 起到通信卡的作用, 負責與現場電磁流量計進行數據交換, ZigBee 數據的打包、解包、數據傳輸, 以及與時間同步等. 與現場電磁流量計的CPU 通過串口協議進行數據交換, 與協調器采用確認機制保證可靠的數據傳輸. 監測中心主機通過以太網與ZigBee 網關通信, 實時顯示每個流量節點的信息. 手持設備作為可選的配置工具, 主要是便攜操作, 方便隨時讀取數據和參數整定. 圖1 為系統結構. 圖1.. 系統結構
1. 1 .. 人機操作部分
根據工業現場中對監控對象的需求, 操作員在PC 機上通過組態軟件建立的工程, 可以模擬工業環境中的基本操作對象, 比如溫度監測, 報警和控制等. 在一個自動監控系統中, 投入運行的組態軟件是系統的數據收集/ 處理中心、遠程監視中心和數據轉發中心, 處于運行狀態的組態軟件與各種控制、檢測設備共同構成快速響應/ 控制中心. 本研究中采用的組態軟件是項目組自主研發的無線組態軟件, 它的使用對象是自動化設計人員和現場操作工程師. 自動化設計人員完成開發環境的相關操作, 包括工程管理、功能塊組態、調度組態和下載組態信息到現場設備等. 現場工程師完成圖形開發環境界面的設計, 對無線控制網絡進行實時監控. 圖
2 為組態軟件用例. 圖2 .. 組態軟件用例
1. 2 .. 網關部分
網關由下列部分組成: 內部集成符合IEEE 802. 15. 4 標準的2. 4GHz 的射頻( RF) 收發器的CC2430 無線單片機; 采用ARM7 核的AT91R4008 微控制器; AX88796 以太網控制器芯片等. AT91R4008 微控制器沒有內嵌入Flash 存儲器, 所以在外部擴展一個Flash 存儲器SST39VF160, 網關設計電路如圖3 所示. 圖3.. ZigBee 網關設計框圖
1. 3 .. 終端設備部分
智能電磁流量計是該系統中的終端部分, 即放置在現場環境中, 負責流量相關數據的獲取, 經CC2430 處理及發送到網關.
1. 3. 1 .. 硬件組成
CC2430 單片機是作為通信卡部分, CC2430 芯片整合了ZigBee 射頻前端、內存和微控制器. 它使用增強的8051MCU 核的性能是工業標準8051 核性能的8 倍, 運算速度可以達到數據處理要求, 具有128 kB 可編程閃存和8 kB 的RAM 滿足這個系統對FLASH 存儲容量的要求. 芯片采用0. 18 ..m CMOS 工藝生產, 工作時的電流損耗為27 mA; 在接收和發射模式下, 電流損耗分別低于27 mA 或25 mA. CC2430 的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間特性, 具有極低的功耗. CC2430 的高集程度, 其外圍電路非常簡單, 只需要數量很少而且廉價的外圍元件, 即可完成無線傳感器節點的數據傳輸和處理功能, 因而大大降低了成本. 所以其與電磁流量計的通信也非常簡單, 只是串口連接, 自身的外圍電路也很少. 節點的CC2430 采集到電磁流量計的數據后, 利用ZIGBEE 協議, 對數據進行打包發送到ZigBee 網絡上, 網關部分負責與節點進行交互式的數據傳輸, 實現對流量計的可靠、實時監測.
1. 3. 2 .. 通信部分
圖4.. CC2430 與電磁流量計的通信連接.. .. CC2430 與電磁流量計間運用串口進行通信. 串口程序的設計應根據實際的需要進行設計, 電磁流量計原本采取的是協議, 如在先建立連接后再發送命令讀取相應數據, 正向流量累積、反向流量累積及凈流量、流速等, 串口收發程序為: / / 串口接收程序INTERRUPT- FUNC urx0- service- IRQ( void) { BYTE x, y; HAL- ENTER- INTERRUPT( ) ; / / 關中斷serio- rxHead+ + ; if ( serio- rxHead = = LRWPAN- ASYNC- RXBUFSIZE) serio- rxHead= 0; .. .. if(FAMENDATAhead = = 15)FAMENDATAhead = 0; x = serio- rxHead; y = U0DBUF; g- liuliang[ liuliang- head] = y; usrReciflag = 1; count3flag = 1; liuliang- head + + ; HAL- EXIT- INTERRUPT( ) ; / / 開中斷}/ / 發送連接命令void LiuliangSendLinkCmd( void) { UINT16 crc; crc = CRCCheck(&FamenLinkCmd[ 0] , 1) ; LiuliangLinkCmd[ 1] = crc > > 8; LiuliangLinkCmd[ 2] = crc& 0xff; SendCmd(&FamenLinkCmd[ 0] , 3) ; / / 串口發送數據}/ / 讀取相應數據void Liuliangreadcmd(UINT16 ADDR- OBJECT, BYTE length) { UINT16 crc; DiandongReadCmd[ 0] = 0x01; DiandongReadCmd[ 1] = ADDR- OBJECT > > 8; DiandongReadCmd[ 2] = ADDR- OBJECT&0xff; if (ADDR- OBJECT = = a- liuliang- liuliang) {usrTxData[ 7] = 0x01; / / 流量, 標志數據類型字段}else if ( ADDR- OBJECT = = a- liuliang- paliu.. liang){usrTxData[ 7] = 0x02; / / 正向累計流量}else if ( ADDR- OBJECT = = a- liuliang- naliu..
liang){usrTxData[ 7] = 0x03; / / 反向累計流量}DiandongReadCmd[ 3] = length; crc = CRCCheck(&DiandongReadCmd[ 0] , 4) ; DiandongReadCmd[ 4] = crc> > 8; DiandongReadCmd[ 5] = crc&0xFF; SendCmd(&DiandongReadCmd[ 0] , 6) ; }
2 .. 系統實施
控制主機通過以太網發送命令到網關, 網關經過解析包, 再發送命令到網關內的協調器上( 數據格式采用Zigbee) , 協調器接收到數據后, 經Zig.. bee 無線網絡, 通過相應的短地址, 發送到終端設備; 終端設備進行解包, 然后根據命令進行相應的動作, 發送相應的響應數據到網關; 網關解析包, 進行處理后, 再發送到上位機; 數據通過上位機的界面顯示出來. 這就是整個系統操作時的流程. 系統設計的程序部分大致分為: 設備聲明, 讀寫設備屬性, 讀取數據和控制校正數據.
2. 1 .. 設備聲明
為獲取所需要的數據, 首先由現場操作員在PC 機上建立工程以監測需要監測的設備; 然后攜帶有協調器的網關發出設備聲明到PC 機, 表示網關上線; 然后終端設備開啟, 發出設備聲明到網關, 進而轉發到PC 機的工程上, 表明終端設備上線.
2. 2 .. 讀寫設備屬性為獲得設備的信息, 工程軟件需要發送命令到設備上. 具體命令包含短地址, 服務類型, 參數索引和校驗. 其中的短地址指的是終端設備( 即這里的電磁流量計終端設備) 的短地址, 服務類型指得是讀服務還是寫服務, 索引號則是屬性的各個編號. 按照如上的格式發送到終端設備, 終端設備對信息數據進行層層解析, 最終會反饋回終端設備相應的響應( 分為正響應和負響應) , 由此我們可得到設備的信息, 當然包括設備上功能塊的信息.
2. 3 .. 讀取數據
這里, 讀取溫濕度數據可以采用2 種方式: 第1 種, 也就是目前我們采用的, 電磁流量計的數據是由終端設備周期性的向上位機發送數據. 數據發送的前提條件是設備已經上線, 即成功加入網絡并發送了設備聲明. 為更精確的了解我們所需要的電磁流量計的數值, 可以通過改變發送數據周期來確定. 另外一種方式獲得電磁流量計數據的方式就是, 上位機發送讀數據的命令, 可以采用讀取設備屬性的數據格式, 終端設備接收到命令后, 根據索引, 產生相應的響應. 以上兩種讀取溫濕度數據的方式, 都是同樣的流程.
2. 4 .. 控制和校正數據
終端設備內添加了功能塊, 專門用于設備的組態和數據控制. 功能塊內包含了傳感器內的一些必須的參數, 通過設置相關的功能塊來進行相關的鏈接對象組態, 建立設備間的通信關系, 是流量計能與特定的執行機構如閥門定位器通信達到閉環控制的目的. 同理也可以對流量計本身的參數如通徑, 流量量程和儀表系數進行校正, 從而可以讓設備工作在狀態.
3.. 結束語
實驗測試表明, 本研究設計的無線智能電磁流量計的系統穩定、使用方便、實用性強, 有一定的抗力, 還可根據需要進行軟件升級, 能有效地與工業現場設備進行互聯, 實現對工業現場數據的采集和處理功能, 為工程人員監控現場設備提供了一種新方法.
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