ZigBee無線壓力表標定程序設計
由于受到石油礦井工作規(guī)程限制，為了使壓力表方便操作，采用ZigBee模塊間無線通信方式，實現(xiàn)標定 軟件與壓力表的數(shù)據(jù)傳輸，校正壓力表傳感器的精度，保證計量的準確性。這就要使基于數(shù)據(jù)鏈路層的Modbus協(xié) 議與基于網(wǎng)絡層的API模式下ZigBee進行通信，采用在Modbus的基礎上加上API的協(xié)議層的方法來實現(xiàn)。實驗 結果表明，無線通信模式提高了傳輸數(shù)據(jù)的準確性。
1.引言
石油氣井壓力表頭用于采集氣井的壓力、溫度等數(shù)據(jù)。壓力表頭內部有傳感器，故需要用壓力表標定軟件來 校正壓力表傳感器的精度，保證壓力表計量的準確性。但是由于受到石油礦井工作規(guī)程限制，壓力表工作時完全 處于密封狀態(tài)，壓力表與采集中心是通過ZigBee傳感器無線網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。之前的標定軟件以有線的方式 連接壓力表，這樣標定時就需要暫停壓力表工作，將工作現(xiàn)場壓力表拆下并換上另一個表，然后將此壓力表帶回 標定辦公室標定拆封，標定完成后工作人員再將此壓力表放回到工作現(xiàn)場。一般情況下標定辦公室與工作現(xiàn)場 路程遙遠，來來回回不僅耗費工作人員的時間，而且拆封壓力表接線也比較麻煩。基于此，直接通過ZigBee無線 通信方式，實現(xiàn)標定軟件與壓力表的數(shù)據(jù)傳輸，從而實現(xiàn)標定工作，這樣一來工作人員即可在現(xiàn)場在線方式下實 現(xiàn)對壓力表的標定，無需任何設備拆裝，標定完成后即可使用。
研究基于ZigBee技術設計了一種新型的壓力表標定通訊系統(tǒng)。
2.ZigBee技術概述
ZigBee是IEEE 802. 15.4協(xié)議的代名詞，根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術， 其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。ZigBee技術還具有較高的可靠性和安全 性。它在MAC(Media Access Control)層米用了 talk-whemready的碰撞避免機制，在這種完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制下，當有數(shù)據(jù)傳送需求時則立刻傳送，發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，并進行確認回復，若沒 有得到確認信息的回復，就表示發(fā)生碰撞，將再傳一次;ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗CRC的數(shù)據(jù)包完整性檢 查功能，支持鑒權和認證，采用了 AES-128的加密算法，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進行加密處理，各個應用可以靈活 確定其安全屬性⑴。ZigBee棧體系結構是基于標準開放網(wǎng)絡互聯(lián)(0SI)七層協(xié)議模型，其物理層及MAC層為 IEEE 802. 15.4協(xié)議標準定義，網(wǎng)絡層為技術聯(lián)盟制定⑷。ZigBee技術的較低數(shù)據(jù)速率以及較小通信范圍的特 點決定了 ZigBee技術適用于承載數(shù)據(jù)量較小的業(yè)務。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的、低功耗的近距離無線 組網(wǎng)通訊技術。
3.壓力表標定軟件設計
3.1設計語言以及運行環(huán)境
因為C#語言是微軟為.NET Framework平臺打造的一門新語言，具有與系統(tǒng)平臺無關，與C/C++語言一脈相承、開發(fā)周期短、維護容易等優(yōu)點,所以在Visual Studio 2010集成開發(fā)平臺上使用C #語言編寫和調試程序。 此標定軟件的工作環(huán)境為PC機下的Windows XP操作系統(tǒng)。
3. 2 ZigBee工作模式
在PC機的RS-232串行通信接口上外接一個RS-232/RS-485轉接器,然后與壓力表的RS-485端口對接。 壓力表的通信協(xié)議采用Modbus儀表協(xié)議。標定軟件通過串行通信對壓力表的寄存器實現(xiàn)讀和寫。當前壓力表 使用的ZigBee模塊支持透明方式(AT)和應用程序接口（APFApplication Programming Interface)兩種操作方式。
前者為缺省操作方式,以字節(jié)為單位操作各種信息,后者是以一定格式的數(shù)據(jù)幀為單位操作各種信息。但由 于AT模式適合在點對點的通信模式,當應用在多點通信時,傳輸效率極低,所以現(xiàn)如今的壓力表都使用API協(xié) 議模式。當工作在API模式時,所有進出模塊的數(shù)據(jù)均被包含在定義模塊的操作和事件的幀結構中。API操作 要求模塊之間采用一種結構化的接口（數(shù)據(jù)通過一種定義好序列的幀來交互通信來進行通信)進行通信,同時 API規(guī)定了通過串口數(shù)據(jù)幀如何發(fā)命令、命令響應以及模塊狀態(tài)信息的傳送與接收。
3. 3設計與實現(xiàn)
標準的Modbus是使用RS-232兼容串行接口，定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗。 控制器能直接或經(jīng)由Modem組網(wǎng)。原來的標定軟件采用Modbus協(xié)議是基于數(shù)據(jù)鏈路層的通信,而ZigBee的 API模式是網(wǎng)絡層的通信。這樣就要求在Modbus的基礎上加上API的協(xié)議層,才能讓標定軟件實現(xiàn)ZigBee的 順利通信。ZigBee的API模式幀結構框架如圖1所示,數(shù)據(jù)幀中API標識符cmdID表明cmdData中包含何種數(shù) 據(jù)。在本程序設計使用的XBee系列2模塊中，當cmdID = 0X10時,表明ZigBee傳輸數(shù)據(jù)請求;cmdID = 0X90 時,表明ZigBee接受數(shù)據(jù)包。最后一位的校驗碼(數(shù)據(jù)校驗和)是用來檢驗數(shù)據(jù)的完整性。
在發(fā)送信息時,此設計將Modbus協(xié)議RTU (遠程終端單元)模式發(fā)送命令作為幀數(shù)據(jù)的一部分發(fā)送。網(wǎng) 絡中所有設備都擁有一個16bit的IEEE地址,用來確 定表號。由于事先不知道壓力表頭IEEE地址,故首先 PC機通過RS-485串口發(fā)送廣播信息,此時API幀結構 中的 64 位地址（bytes 6 - 13)是 0x0000000000000000。
PC機ZigBee模塊發(fā)送廣播模式的API幀結構如圖2所示。由于此信息包含有Modbus協(xié)議,包含表頭地址。此壓力表頭收到廣播后,將響應PC機,返回數(shù)據(jù),然后 通過PC機上的標定軟件程序處理,去掉幀頭幀尾,可以獲取壓力表頭的IEEE地址。圖3為壓力表頭中ZigBee 模塊接收數(shù)據(jù)的API結構,可以看到，64位地址(bytes 5 - 12)是0x0013A2004030100B ,即壓力表頭的IEEE地
址。此時PC機直接發(fā)信息給表頭的IEEE地址，而不再發(fā)送廣播，相應的64位地址(bytes 6-13)更改為壓力表 頭的IEEE地址。PC機ZigBee模塊發(fā)送地址模式的API幀結構如圖4所示。當處于廣播模式時，接收到的數(shù)據(jù) 只占發(fā)送數(shù)據(jù)的1/3，然而發(fā)送IEEE地址時，發(fā)送的數(shù)據(jù)都能被接收到。這樣一來，大大節(jié)省了時間，從而確保 了數(shù)據(jù)傳送的完整性與準確性。整個過程模式如圖5所示，此種傳輸模式屬于半雙工模式。
在接收數(shù)據(jù)時，接收數(shù)據(jù)幀中包含有設備響應數(shù)據(jù)，經(jīng)過拆分數(shù)據(jù)包，獲取Modbus協(xié)議返回的數(shù)據(jù)，然后通 過解包、跨線程處理，即可將壓力表頭的壓力、溫度、電量等數(shù)據(jù)在窗口上顯示出來。
4.實驗測試結果與分析
在Visual Studio 2010集成開發(fā)平臺上運行程序,結果表明能夠完成壓力表各項數(shù)據(jù)的標定。表1是1分鐘 接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)大小。
從表1可以看出,改進后的壓力表頭對數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送能力增強了 ,而且無線通信下的地址模式基本上不 存在丟失數(shù)據(jù)的現(xiàn)象,說明了 ZigBee傳輸數(shù)據(jù)的準確性。
5.結束語
提出并設計完成了一種基于ZigBee無線壓力表的標定程序,將原有的有線通信方式更改為無線通信方式, 直接實現(xiàn)標定軟件與壓力表頭的數(shù)據(jù)傳輸。此設計利用ZigBee技術,采用無線收發(fā)設備傳輸數(shù)據(jù),通過傳感器 網(wǎng)絡直接控制每只壓力表的標定,無需專門架線,而且提高了傳輸數(shù)據(jù)的準確性。ZigBee作為一種新型的通訊技 術必將在無限傳感網(wǎng)絡中發(fā)揮巨大作用。
