基于 Zigbee 技術(shù)的地磅砝碼檢定系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計了一種基于 Zigbee 的地磅砝碼檢定系統(tǒng)，包括無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、砝碼檢定數(shù)據(jù)自動計算及數(shù)據(jù)庫等，實現(xiàn)了砝碼檢定數(shù)據(jù)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(zhǔn)工作中存在人工記錄砝碼檢定數(shù)據(jù)或采用多臺衡量儀器需配備多臺 PC 機(jī)連接串口處理數(shù)據(jù)效率低下等問題。

1.引言

地磅砝碼計量在質(zhì)量量值傳遞中占有極其重要的地位，其檢定結(jié)果的正確與否直接關(guān)系到質(zhì)量乃至力學(xué)測量的各個領(lǐng)域。而在我國的計量技術(shù)機(jī)構(gòu)中，大多仍是由檢定員對著多臺電子天平或質(zhì)量比較儀等衡量儀器手工記錄檢定數(shù)據(jù)，不僅效率低下，而且容易在工作強(qiáng)度高的情況下出現(xiàn)差錯，從而影響工作質(zhì)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(shù)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(zhì)量上都會有所提高。

國內(nèi)也出現(xiàn)基于藍(lán)牙技術(shù)的砝碼檢定系統(tǒng)，但藍(lán)牙的傳輸效率及抗干擾能力在復(fù)雜條件下不甚理想，相比藍(lán)牙、GPＲS 等其他無線數(shù)據(jù)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(qiáng)、功耗低等優(yōu)點。本文設(shè)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(zhì)量比較儀等衡量儀器組成無線網(wǎng)絡(luò)，完成砝碼的檢定校準(zhǔn)工作。

2.系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)

如圖 1 所示，該系統(tǒng)由若干臺衡器儀器及一個無線數(shù)據(jù)收發(fā)平臺組成。衡量儀器在檢定過程中產(chǎn)生的數(shù)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?shù)娇刂破脚_，由控制平臺將信號進(jìn)一步處理。

該無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)基于 IEEE802. 15. 4 規(guī)范的無線技術(shù)，采用了基于 Zigbee 技術(shù)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(shù)據(jù)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(zhì)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(shù)字信號，將無線收發(fā)模塊與 ＲS232 接口連接，構(gòu)成了網(wǎng)絡(luò)中的一個子節(jié)點。在接收端，利用 PC 機(jī)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(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

3 .基于 Zigbee 的數(shù)據(jù)通信平臺設(shè)計

由于 Zigbee 技術(shù)具有強(qiáng)大的無線組網(wǎng)能力，可以組成星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)，本設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)特點，選用了組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即點對多點的通信方式。

心節(jié)點為 Zigbee 協(xié)調(diào)器，子節(jié)點為 Zigbee 終端設(shè)備，所有數(shù)據(jù)經(jīng)過中心節(jié)點。Zigbee 聯(lián)盟為每個獨立網(wǎng)絡(luò)定義了一個唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符(  Personal Area Network Identi-Fair : PANID ) ，以標(biāo)識自己的網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備間通信時，根據(jù) PANID 選擇合適的設(shè)備。

Beige 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起和新設(shè)備的加入也是根據(jù) PANID進(jìn)行的。當(dāng)一個具有完整功能的設(shè)備上電之后，它會建立一個自己的網(wǎng)絡(luò)，并將自身設(shè)置成協(xié)調(diào)器，然后選定一個區(qū)別于其它網(wǎng)絡(luò)的 PANID。協(xié)調(diào)器在確定 PANID 后，就會允許其它從設(shè)備的加入，從設(shè)備可以根據(jù)自己選定的 PANID 加入到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)。無論是完整功能設(shè)備，還是簡化功能設(shè)備都可以加入到這個網(wǎng)絡(luò)中。本項目中采用了使用 IEEE 地址作為參數(shù)調(diào)用適當(dāng)?shù)?/span> API 來實現(xiàn)通信，這種方法需要通過協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)。

由于協(xié)議棧紛繁復(fù)雜，為了做到層次清楚，采用狀態(tài)機(jī)的方式對協(xié)議棧的各個動作進(jìn)行轉(zhuǎn)換。使用服務(wù)調(diào)用的方式為協(xié)議棧傳達(dá)指令，每一次的服務(wù)調(diào)用都會引起協(xié)議棧自頂而下的服務(wù)響應(yīng)，但是每次協(xié)議棧只能進(jìn)行一項服務(wù)，協(xié)議棧通過 aPsBusy(  ) 函數(shù)判斷當(dāng)前服務(wù)是否結(jié)束。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(zhǔn)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(fù)用技術(shù)，檢測主機(jī)通過掃描的方式與各個發(fā)送端進(jìn)行點對點雙向通信。檢測主機(jī)收到上位機(jī)發(fā)出的檢測命令后向系統(tǒng)中某一遠(yuǎn)程檢測分機(jī)發(fā)出分機(jī)地址代碼，每個分機(jī)收到地址代碼后被尋址的分機(jī)返回本機(jī)地址給主機(jī)，其他分機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)。在判斷地址相符后主機(jī)給被尋址的分機(jī)再發(fā)送請求數(shù)據(jù)控制命令，被尋址分機(jī)根據(jù)其命令進(jìn)行檢測數(shù)據(jù)，并將檢測數(shù)據(jù)向主機(jī)發(fā)送，檢測和數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后發(fā)出結(jié)束代碼。主機(jī)接收數(shù)據(jù)包后進(jìn)行校驗，若校驗正確 則發(fā)送握手信號 否則重新請求數(shù)據(jù) 直到數(shù)據(jù)全部正確為止。一臺分機(jī)檢測結(jié)束后主機(jī)把扭矩數(shù)據(jù)通過 ＲS232 接口傳送到計算機(jī)，然后進(jìn)行下一個分機(jī)檢測，直到所有分機(jī)掃描一遍。在掃描過程中某一個分機(jī)規(guī)定時間內(nèi)沒有應(yīng)答，則重新發(fā)送該機(jī)地址代碼，仍無應(yīng)答信號，就顯示通信失敗或分機(jī)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(diào)器接受采集到的信號，接受完畢后，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)上傳給計算機(jī)。

4 .砝碼檢定系統(tǒng)軟件設(shè)計

砝碼檢定系統(tǒng)與無線數(shù)據(jù)傳輸平臺傳輸數(shù)據(jù)時，首先對設(shè)備進(jìn)行初始化，尋找網(wǎng)絡(luò)。與無線傳輸平臺聯(lián)網(wǎng)成功后，登陸到系統(tǒng)界面，通過按鍵觸發(fā)進(jìn)行扭矩信息在無線傳輸平臺上的傳送。當(dāng)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(shù)據(jù)傳送給PC 機(jī)處理。設(shè)計選擇的數(shù)據(jù)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(jìn)行串口數(shù)據(jù)接收，并且使用事件驅(qū)動法進(jìn)行程序設(shè)計。利用 MSComm 控件引發(fā) OnComm 事件，應(yīng)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(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

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

5 .結(jié)論

Beige 技術(shù)是一種短距離、低功耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。本系統(tǒng)將 Zigbee 技術(shù)與砝碼檢定結(jié)合起來，最終實現(xiàn)了多臺衡量儀器使用一臺 PC 機(jī)實時處理檢定數(shù)據(jù)的工作，降低了人為因素在檢定校準(zhǔn)工作中粗大誤差產(chǎn)生的概率，并大大提高了工作效率。