基于ZigBee 的電磁流量計監(jiān)測方案系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

基于ZigBee 的電磁流量計監(jiān)測方案系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
   摘要: 以CC2430 單片機作為無線節(jié)點的核心設(shè)計, 介紹一種基于ZigBee 技術(shù)的無線電磁流量計采集數(shù)據(jù)的監(jiān)控方法. 重點介紹了電磁流量計的監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計, ZigBee 與電磁流量計的通信及網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù).
   關(guān).. 鍵.. 詞: 電磁流量計; ZigBee; 智能監(jiān)控; 低功耗
   電磁流量計在測量過程中不受被測介質(zhì)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(zhì)不接觸、耐腐蝕、抗磨損, 流體壓力損失小等優(yōu)點, 因而廣泛應(yīng)用于造紙廠紙漿、助劑、水等流體的測量. 傳統(tǒng)的電磁流量計的數(shù)據(jù)是通過有線的方式傳送, 具有布線麻煩、設(shè)備隨意移動性不強等缺點. 隨著射頻技術(shù)、集成電路技術(shù)的發(fā)展, 無線通信功
能的實現(xiàn)越來越容易, 數(shù)據(jù)傳輸速率也越來越快. 并且逐漸達(dá)到可與有線網(wǎng)絡(luò)相媲美的水平. 本研究中提出的基于ZigBee 技術(shù)的電磁流量計的監(jiān)測方案, 不必鋪設(shè)電纜, 可以節(jié)省費用和時間. 數(shù)據(jù)經(jīng)采集后由監(jiān)測中心對網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理和分析. 該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑ig.. Bee 網(wǎng)關(guān), 再通過以太網(wǎng)發(fā)送到監(jiān)測中心主機, 也可傳送數(shù)據(jù)到手抄器進(jìn)行顯示, 并可與上位機或手抄器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置.
   1 .. 系統(tǒng)組成
    整個系統(tǒng)按照功能可以分為3 部分: 人機操作部分, 網(wǎng)關(guān)和終端設(shè)備. 人機操作部分指的是操作員在PC 機上通過組態(tài)軟件進(jìn)行操作的部分; 網(wǎng)關(guān)包括了Zigbee 無線模塊中的協(xié)調(diào)器, 作為無線協(xié)議與有線協(xié)議的轉(zhuǎn)換部分, 并承擔(dān)系統(tǒng)管理的部分功能; 終端設(shè)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(fù)責(zé)與現(xiàn)場電磁流量計進(jìn)行數(shù)據(jù)交換, ZigBee 數(shù)據(jù)的打包、解包、數(shù)據(jù)傳輸, 以及與時間同步等. 與現(xiàn)場電磁流量計的CPU 通過串口協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換, 與協(xié)調(diào)器采用確認(rèn)機制保證可靠的數(shù)據(jù)傳輸. 監(jiān)測中心主機通過以太網(wǎng)與ZigBee 網(wǎng)關(guān)通信, 實時顯示每個流量節(jié)點的信息. 手持設(shè)備作為可選的配置工具, 主要是便攜操作, 方便隨時讀取數(shù)據(jù)和參數(shù)整定. 圖1 為系統(tǒng)結(jié)構(gòu). 圖1.. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
   1. 1 .. 人機操作部分
   根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場中對監(jiān)控對象的需求, 操作員在PC 機上通過組態(tài)軟件建立的工程, 可以模擬工業(yè)環(huán)境中的基本操作對象, 比如溫度監(jiān)測, 報警和控制等. 在一個自動監(jiān)控系統(tǒng)中, 投入運行的組態(tài)軟件是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集/ 處理中心、遠(yuǎn)程監(jiān)視中心和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)中心, 處于運行狀態(tài)的組態(tài)軟件與各種控制、檢測設(shè)備共同構(gòu)成快速響應(yīng)/ 控制中心. 本研究中采用的組態(tài)軟件是項目組自主研發(fā)的無線組態(tài)軟件, 它的使用對象是自動化設(shè)計人員和現(xiàn)場操作工程師. 自動化設(shè)計人員完成開發(fā)環(huán)境的相關(guān)操作, 包括工程管理、功能塊組態(tài)、調(diào)度組態(tài)和下載組態(tài)信息到現(xiàn)場設(shè)備等. 現(xiàn)場工程師完成圖形開發(fā)環(huán)境界面的設(shè)計, 對無線控制網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時監(jiān)控. 圖
   2 為組態(tài)軟件用例. 圖2 .. 組態(tài)軟件用例
   1. 2 .. 網(wǎng)關(guān)部分
   網(wǎng)關(guān)由下列部分組成: 內(nèi)部集成符合IEEE 802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)的2. 4GHz 的射頻( RF) 收發(fā)器的CC2430 無線單片機; 采用ARM7 核的AT91R4008 微控制器; AX88796 以太網(wǎng)控制器芯片等. AT91R4008 微控制器沒有內(nèi)嵌入Flash 存儲器, 所以在外部擴展一個Flash 存儲器SST39VF160, 網(wǎng)關(guān)設(shè)計電路如圖3 所示. 圖3.. ZigBee 網(wǎng)關(guān)設(shè)計框圖
   1. 3 .. 終端設(shè)備部分
   智能電磁流量計是該系統(tǒng)中的終端部分, 即放置在現(xiàn)場環(huán)境中, 負(fù)責(zé)流量相關(guān)數(shù)據(jù)的獲取, 經(jīng)CC2430 處理及發(fā)送到網(wǎng)關(guān).
   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(nèi)存和微控制器. 它使用增強的8051MCU 核的性能是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051 核性能的8 倍, 運算速度*可以達(dá)到數(shù)據(jù)處理要求, 具有128 kB 可編程閃存和8 kB 的RAM 滿足這個系統(tǒng)對FLASH 存儲容量的要求. 芯片采用0. 18 ..m CMOS 工藝生產(chǎn), 工作時的電流損耗為27 mA; 在接收和發(fā)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(zhuǎn)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(shù)量很少而且廉價的外圍元件, 即可完成無線傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)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(jié)點的CC2430 采集到電磁流量計的數(shù)據(jù)后, 利用ZIGBEE 協(xié)議, 對數(shù)據(jù)進(jìn)行打包發(fā)送到ZigBee 網(wǎng)絡(luò)上, 網(wǎng)關(guān)部分負(fù)責(zé)與節(jié)點進(jìn)行交互式的數(shù)據(jù)傳輸, 實現(xiàn)對流量計的可靠、實時監(jiān)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(jìn)行通信. 串口程序的設(shè)計應(yīng)根據(jù)實際的需要進(jìn)行設(shè)計, 電磁流量計原本采取的是協(xié)議, 如在先建立連接后再發(fā)送命令讀取相應(yīng)數(shù)據(jù), 正向流量累積、反向流量累積及凈流量、流速等, 串口收發(fā)程序為: / / 串口接收程序INTERRUPT- FUNC urx0- service- IRQ( void) { BYTE x, y; HAL- ENTER- INTERRUPT( ) ; / / 關(guān)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(fā)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(fā)送數(shù)據(jù)}/ / 讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)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(biāo)志數(shù)據(jù)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(tǒng)實施
    控制主機通過以太網(wǎng)發(fā)送命令到網(wǎng)關(guān), 網(wǎng)關(guān)經(jīng)過解析包, 再發(fā)送命令到網(wǎng)關(guān)內(nèi)的協(xié)調(diào)器上( 數(shù)據(jù)格式采用Zigbee) , 協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后, 經(jīng)Zig.. bee 無線網(wǎng)絡(luò), 通過相應(yīng)的短地址, 發(fā)送到終端設(shè)備; 終端設(shè)備進(jìn)行解包, 然后根據(jù)命令進(jìn)行相應(yīng)的動作, 發(fā)送相應(yīng)的響應(yīng)數(shù)據(jù)到網(wǎng)關(guān); 網(wǎng)關(guān)解析包, 進(jìn)行處理后, 再發(fā)送到上位機; 數(shù)據(jù)通過上位機的界面顯示出來. 這就是整個系統(tǒng)操作時的流程. 系統(tǒng)設(shè)計的程序部分大致分為: 設(shè)備聲明, 讀寫設(shè)備屬性, 讀取數(shù)據(jù)和控制校正數(shù)據(jù).
   2. 1 .. 設(shè)備聲明
   為獲取所需要的數(shù)據(jù), 首先由現(xiàn)場操作員在PC 機上建立工程以監(jiān)測需要監(jiān)測的設(shè)備; 然后攜帶有協(xié)調(diào)器的網(wǎng)關(guān)發(fā)出設(shè)備聲明到PC 機, 表示網(wǎng)關(guān)上線; 然后終端設(shè)備開啟, 發(fā)出設(shè)備聲明到網(wǎng)關(guān), 進(jìn)而轉(zhuǎn)發(fā)到PC 機的工程上, 表明終端設(shè)備上線.
   2. 2 .. 讀寫設(shè)備屬性為獲得設(shè)備的信息, 工程軟件需要發(fā)送命令到設(shè)備上. 具體命令包含短地址, 服務(wù)類型, 參數(shù)索引和校驗. 其中的短地址指的是終端設(shè)備( 即這里的電磁流量計終端設(shè)備) 的短地址, 服務(wù)類型指得是讀服務(wù)還是寫服務(wù), 索引號則是屬性的各個編號. 按照如上的格式發(fā)送到終端設(shè)備, 終端設(shè)備對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行層層解析, 最終會反饋回終端設(shè)備相應(yīng)的響應(yīng)( 分為正響應(yīng)和負(fù)響應(yīng)) , 由此我們可得到設(shè)備的信息, 當(dāng)然包括設(shè)備上功能塊的信息.
   2. 3 .. 讀取數(shù)據(jù)
   這里, 讀取溫濕度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)是由終端設(shè)備周期性的向上位機發(fā)送數(shù)據(jù). 數(shù)據(jù)發(fā)送的前提條件是設(shè)備已經(jīng)上線, 即成功加入網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送了設(shè)備聲明. 為更精確的了解我們所需要的電磁流量計的數(shù)值, 可以通過改變發(fā)送數(shù)據(jù)周期來確定. 另外一種方式獲得電磁流量計數(shù)據(jù)的方式就是, 上位機發(fā)送讀數(shù)據(jù)的命令, 可以采用讀取設(shè)備屬性的數(shù)據(jù)格式, 終端設(shè)備接收到命令后, 根據(jù)索引, 產(chǎn)生相應(yīng)的響應(yīng). 以上兩種讀取溫濕度數(shù)據(jù)的方式, 都是同樣的流程.
   2. 4 .. 控制和校正數(shù)據(jù)
   終端設(shè)備內(nèi)添加了功能塊, 專門用于設(shè)備的組態(tài)和數(shù)據(jù)控制. 功能塊內(nèi)包含了傳感器內(nèi)的一些必須的參數(shù), 通過設(shè)置相關(guān)的功能塊來進(jìn)行相關(guān)的鏈接對象組態(tài), 建立設(shè)備間的通信關(guān)系, 是流量計能與特定的執(zhí)行機構(gòu)如閥門定位器通信達(dá)到閉環(huán)控制的目的. 同理也可以對流量計本身的參數(shù)如通徑, 流量量程和儀表系數(shù)進(jìn)行校正, 從而可以讓設(shè)備工作在狀態(tài).
   3.. 結(jié)束語
   實驗測試表明, 本研究設(shè)計的無線智能電磁流量計的系統(tǒng)穩(wěn)定、使用方便、實用性強, 有一定的抗力, 還可根據(jù)需要進(jìn)行軟件升級, 能有效地與工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行互聯(lián), 實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和處理功能, 為工程人員監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備提供了一種新方法.
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