基于 Zigbee 技術的地磅砝碼檢定系統設計

本文設計了一種基于 Zigbee 的地磅砝碼檢定系統，包括無線數據傳輸系統、砝碼檢定數據自動計算及數據庫等，實現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 接口連接檢定系統是一個優化選擇方案，在檢定效率和工作質量上都會有所提高。

國內也出現基于藍牙技術的砝碼檢定系統，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定性好、成本低、協議簡單、抗干擾能力強、功耗低等優點。本文設計了一種基于 Zigbee 的砝碼檢定系統，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.系統工作原理及結構

如圖 1 所示，該系統由若干臺衡器儀器及一個無線數據收發平臺組成。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基于 IEEE802. 15. 4 規范的無線技術，采用了基于 Zigbee 技術的 CC2530 芯片，該芯片功耗低，發送狀態工作電流為 29mA，接收狀態工作電流為 24mA，該芯片工作頻率為 2. 4GHz。CC2530 使用 EMＲXDO、EM TXDO、EM CTSO 和 EM ＲTSO 四個引腳表示收發數據的狀態; 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 接口發出實時示值的數字信號，將無線收發模塊與 ＲS232 接口連接，構成了網絡中的一個子節點。在接收端，利用 PC 機的串口與無線接收端連接，使用基于 VC + + 語言開發的檢測系統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。

心節點為 Zigbee 協調器，子節點為 Zigbee 終端設備，所有數據經過中心節點。Zigbee 聯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，并將自身設置成協調器，然后選定一個區別于其它網絡的 PANID。協調器在確定 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 來實現通信，這種方法需要通過協調器轉發。

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

系統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，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送端進行點對點雙向通信。檢測主機收到上位機發出的檢測命令后向系統中某一遠程檢測分機發出分機地址代碼，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。在判斷地址相符后主機給被尋址的分機再發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送，檢測和數據發送結束后發出結束代碼。主機接收數據包后進行校驗，若校驗正確 則發送握手信號 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定時間內沒有應答，則重新發送該機地址代碼，仍無應答信號，就顯示通信失敗或分機故障報警。采集完畢后由系統上的 Zigbee 終端節點發送請求，等待協調器接受采集到的信號，接受完畢后，協調器將數據上傳給計算機。

4 .砝碼檢定系統軟件設計

砝碼檢定系統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。與無線傳輸平臺聯網成功后，登陸到系統界面，通過按鍵觸發進行扭矩信息在無線傳輸平臺上的傳送。當各個終端節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，程序開發工具為 VC ++ 6. 0。系統使用 VisualC ++ 6. 0 中 MSComm 計量檢定電子地磅的誤差及改進措施探究
基于 Zigbee 技術的地磅砝碼檢定系統設計