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

本文設(shè)計(jì)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(dòng)計(jì)算及數(shù)據(jù)庫(kù)等，實(shí)現(xiàn)了砝碼檢定數(shù)據(jù)的無線傳輸、自動(dòng)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(tái)衡量?jī)x器需配備多臺(tái) 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(jì)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(cè)量的各個(gè)領(lǐng)域。而在我國(guó)的計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)中，大多仍是由檢定員對(duì)著多臺(tái)電子天平或質(zhì)量比較儀等衡量?jī)x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(cuò)，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(jí)的砝碼，從常用的 1mg ～ 20kg 的測(cè)量范圍，至少需配備 5 到 6 臺(tái)衡量?jī)x器，而利用無線技術(shù)通過每臺(tái)衡量?jī)x器的 ＲS232 接口連接檢定系統(tǒng)是一個(gè)優(yōu)化選擇方案，在檢定效率和工作質(zhì)量上都會(huì)有所提高。

國(guó)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(tái)具有穩(wěn)定性好、成本低、協(xié)議簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種基于 Zigbee 的砝碼檢定系統(tǒng)，可以將多臺(tái)電子天平或質(zhì)量比較儀等衡量?jī)x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(tái)衡器儀器及一個(gè)無線數(shù)據(jù)收發(fā)平臺(tái)組成。衡量?jī)x器在檢定過程中產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)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(hào)接收，再通過 ＲS232 接口傳輸?shù)娇刂破脚_(tái)，由控制平臺(tái)將信號(hào)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(gè)引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài); 串口有五個(gè)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(shí)鐘信號(hào)和片選信號(hào)，并在處理器的控制下執(zhí)行輸入輸出操作。衡量?jī)x器為電子天平或質(zhì)量比較儀，在砝碼檢定時(shí)能夠通過 ＲS232 接口發(fā)出實(shí)時(shí)示值的數(shù)字信號(hào)，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(gè)子節(jié)點(diǎn)。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(yǔ)言開發(fā)的檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

3 .基于 Zigbee 的數(shù)據(jù)通信平臺(tái)設(shè)計(jì)

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(jì)根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)，選用了組網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，即點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式。

心節(jié)點(diǎn)為 Zigbee 協(xié)調(diào)器，子節(jié)點(diǎn)為 Zigbee 終端設(shè)備，所有數(shù)據(jù)經(jīng)過中心節(jié)點(diǎn)。Zigbee 聯(lián)盟為每個(gè)獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)定義了一個(gè)唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符(  Personal Area Network Identi-Fair : PANID ) ，以標(biāo)識(shí)自己的網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備間通信時(shí)，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(gè)具有完整功能的設(shè)備上電之后，它會(huì)建立一個(gè)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(gè)區(qū)別于其它網(wǎng)絡(luò)的 PANID。協(xié)調(diào)器在確定 PANID 后，就會(huì)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(jiǎn)化功能設(shè)備都可以加入到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。本項(xiàng)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(shí)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(duì)協(xié)議棧的各個(gè)動(dòng)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(huì)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(xiàng)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(shí)通常只有一臺(tái)衡量?jī)x器在工作，其他的處于非工作狀態(tài)，故通信采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，檢測(cè)主機(jī)通過掃描的方式與各個(gè)發(fā)送端進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向通信。檢測(cè)主機(jī)收到上位機(jī)發(fā)出的檢測(cè)命令后向系統(tǒng)中某一遠(yuǎn)程檢測(cè)分機(jī)發(fā)出分機(jī)地址代碼，每個(gè)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(qǐng)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(cè)數(shù)據(jù)，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)向主機(jī)發(fā)送，檢測(cè)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(yàn)，若校驗(yàn)正確 則發(fā)送握手信號(hào) 否則重新請(qǐng)求數(shù)據(jù) 直到數(shù)據(jù)全部正確為止。一臺(tái)分機(jī)檢測(cè)結(jié)束后主機(jī)把扭矩?cái)?shù)據(jù)通過 ＲS232 接口傳送到計(jì)算機(jī)，然后進(jìn)行下一個(gè)分機(jī)檢測(cè)，直到所有分機(jī)掃描一遍。在掃描過程中某一個(gè)分機(jī)規(guī)定時(shí)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(hào)，就顯示通信失敗或分機(jī)故障報(bào)警。采集完畢后由系統(tǒng)上的 Zigbee 終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求，等待協(xié)調(diào)器接受采集到的信號(hào)，接受完畢后，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)上傳給計(jì)算機(jī)。

4 .砝碼檢定系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

砝碼檢定系統(tǒng)與無線數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，首先對(duì)設(shè)備進(jìn)行初始化，尋找網(wǎng)絡(luò)。與無線傳輸平臺(tái)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(tái)上的傳送。當(dāng)各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的示值通過平臺(tái)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(jì)選擇的數(shù)據(jù)庫(kù)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(dòng)法進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。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(shí)，檢定員根據(jù)砝碼的等級(jí)、標(biāo)稱值選擇的相應(yīng)的砝碼檢定測(cè)量循環(huán)模式，系統(tǒng)自動(dòng)選擇相應(yīng)的衡量?jī)x器，隨后根據(jù)實(shí)際檢定的示值自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，并在全部所需測(cè)量數(shù)據(jù)記錄完成后自動(dòng)計(jì)算砝碼的折算質(zhì)量修正值，并與相應(yīng)等級(jí)的砝碼允差進(jìn)行比較，判斷是否在相應(yīng)等級(jí)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(kù)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(shí)現(xiàn)了多臺(tái)衡量?jī)x器使用一臺(tái) PC 機(jī)實(shí)時(shí)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。