基于zigbee 的电磁流量计监测方案系统设计与实现基于zigbee 的电磁流量计监测方案系统设计与实现
摘要: 以cc2430 单片机作为无线节点的核心设计, 介绍一种基于zigbee 技术的无线电磁流量计采集数据的监控方法. 重点介绍了电磁流量计的监测系统设计, zigbee 与电磁流量计的通信及网络通信服务.
关.. 键.. 词: 电磁流量计; zigbee; 智能监控; 低功耗
电磁流量计在测量过程中不受被测介质温度、黏度、密度等因素影响, 具有测量速度快、精度高、测量口径宽、输出线性度好, 与被测介质不接触、耐腐蚀、抗磨损, 流体压力损失小等优点, 因而广泛应用于造纸厂纸浆、助剂、水等流体的测量. 传统的电磁流量计的数据是通过有线的方式传送, 具有布线麻烦、设备随意移动性不强等缺点. 随着射频技术、集成电路技术的发展, 无线通信功
能的实现越来越容易, 数据传输速率也越来越快. 并且逐渐达到可与有线网络相媲美的水平. 本研究中提出的基于zigbee 技术的电磁流量计的监测方案, 不必铺设电缆, 可以节省费用和时间. 数据经采集后由监测中心对网络采集的数据统一管理和分析. 该无线传感器网络将采集数据传输到zig.. bee 网关, 再通过以太网发送到监测中心主机, 也可传送数据到手抄器进行显示, 并可与上位机或手抄器进行参数设置.
1 .. 系统组成
整个系统按照功能可以分为3 部分: 人机操作部分, 网关和终端设备. 人机操作部分指的是操作员在pc 机上通过组态软件进行操作的部分; 网关包括了zigbee 无线模块中的协调器, 作为无线协议与有线协议的转换部分, 并承担系统管理的部分功能; 终端设备部分指的是连接了电磁流量计的无线zigbee 模块, 起到通信卡的作用, 负责与现场电磁流量计进行数据交换, zigbee 数据的打包、解包、数据传输, 以及与时间同步等. 与现场电磁流量计的cpu 通过串口协议进行数据交换, 与协调器采用确认机制保证可靠的数据传输. 监测中心主机通过以太网与zigbee 网关通信, 实时显示每个流量节点的信息. 手持设备作为可选的配置工具, 主要是便携操作, 方便随时读取数据和参数整定. 图1 为系统结构. 图1.. 系统结构
1. 1 .. 人机操作部分
根据工业现场中对监控对象的需求, 操作员在pc 机上通过组态软件建立的工程, 可以模拟工业环境中的基本操作对象, 比如温度监测, 报警和控制等. 在一个自动监控系统中, 投入运行的组态软件是系统的数据收集/ 处理中心、远程监视中心和数据转发中心, 处于运行状态的组态软件与各种控制、检测设备共同构成快速响应/ 控制中心. 本研究中采用的组态软件是项目组自主研发的无线组态软件, 它的使用对象是自动化设计人员和现场操作工程师. 自动化设计人员完成开发环境的相关操作, 包括工程管理、功能块组态、调度组态和下载组态信息到现场设备等. 现场工程师完成图形开发环境界面的设计, 对无线控制网络进行实时监控. 图
2 为组态软件用例. 图2 .. 组态软件用例
1. 2 .. 网关部分
网关由下列部分组成: 内部集成符合ieee 802. 15. 4 标准的2. 4ghz 的射频( rf) 收发器的cc2430 无线单片机; 采用arm7 核的at91r4008 微控制器; ax88796 以太网控制器芯片等. at91r4008 微控制器没有内嵌入flash 存储器, 所以在外部扩展一个flash 存储器sst39vf160, 网关设计电路如图3 所示. 图3.. zigbee 网关设计框图
1. 3 .. 终端设备部分
智能电磁流量计是该系统中的终端部分, 即放置在现场环境中, 负责流量相关数据的获取, 经cc2430 处理及发送到网关.
1. 3. 1 .. 硬件组成
cc2430 单片机是作为通信卡部分, cc2430 芯片整合了zigbee 射频前端、内存和微控制器. 它使用增强的8051mcu 核的性能是工业标准8051 核性能的8 倍, 运算速度*可以达到数据处理要求, 具有128 kb 可编程闪存和8 kb 的ram 满足这个系统对flash 存储容量的要求. 芯片采用0. 18 ..m cmos 工艺生产, 工作时的电流损耗为27 ma; 在接收和发射模式下, 电流损耗分别低于27 ma 或25 ma. cc2430 的休眠模式和转换到主动模式的超短时间特性, 具有极低的功耗. cc2430 的高集程度, 其外围电路非常简单, 只需要数量很少而且廉价的外围元件, 即可完成无线传感器节点的数据传输和处理功能, 因而大大降低了成本. 所以其与电磁流量计的通信也非常简单, 只是串口连接, 自身的外围电路也很少. 节点的cc2430 采集到电磁流量计的数据后, 利用zigbee 协议, 对数据进行打包发送到zigbee 网络上, 网关部分负责与节点进行交互式的数据传输, 实现对流量计的可靠、实时监测.
1. 3. 2 .. 通信部分
图4.. cc2430 与电磁流量计的通信连接.. .. cc2430 与电磁流量计间运用串口进行通信. 串口程序的设计应根据实际的需要进行设计, 电磁流量计原本采取的是协议, 如在先建立连接后再发送命令读取相应数据, 正向流量累积、反向流量累积及净流量、流速等, 串口收发程序为: / / 串口接收程序interrupt- func urx0- service- irq( void) { byte x, y; hal- enter- interrupt( ) ; / / 关中断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( ) ; / / 开中断}/ / 发送连接命令void liuliangsendlinkcmd( void) { uint16 crc; crc = crccheck(&famenlinkcmd[ 0] , 1) ; liulianglinkcmd[ 1] = crc > > 8; liulianglinkcmd[ 2] = crc& 0xff; sendcmd(&famenlinkcmd[ 0] , 3) ; / / 串口发送数据}/ / 读取相应数据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, 标志数据类型字段}else if ( addr- object = = a- liuliang- paliu.. liang){usrtxdata[ 7] = 0x02; / / 正向累计流量}else if ( addr- object = = a- liuliang- naliu..
liang){usrtxdata[ 7] = 0x03; / / 反向累计流量}diandongreadcmd[ 3] = length; crc = crccheck(&diandongreadcmd[ 0] , 4) ; diandongreadcmd[ 4] = crc> > 8; diandongreadcmd[ 5] = crc&0xff; sendcmd(&diandongreadcmd[ 0] , 6) ; }
2 .. 系统实施
控制主机通过以太网发送命令到网关, 网关经过解析包, 再发送命令到网关内的协调器上( 数据格式采用zigbee) , 协调器接收到数据后, 经zig.. bee 无线网络, 通过相应的短地址, 发送到终端设备; 终端设备进行解包, 然后根据命令进行相应的动作, 发送相应的响应数据到网关; 网关解析包, 进行处理后, 再发送到上位机; 数据通过上位机的界面显示出来. 这就是整个系统操作时的流程. 系统设计的程序部分大致分为: 设备声明, 读写设备属性, 读取数据和控制校正数据.
2. 1 .. 设备声明
为获取所需要的数据, 首先由现场操作员在pc 机上建立工程以监测需要监测的设备; 然后携带有协调器的网关发出设备声明到pc 机, 表示网关上线; 然后终端设备开启, 发出设备声明到网关, 进而转发到pc 机的工程上, 表明终端设备上线.
2. 2 .. 读写设备属性为获