ZigBee無(wú)線壓力表標(biāo)定程序設(shè)計(jì)
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(wú)線通信方式，實(shí)現(xiàn)標(biāo)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(jì)量的準(zhǔn)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(luò)層的API模式下ZigBee進(jìn)行通信，采用在Modbus的基礎(chǔ)上加上API的協(xié)議層的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn) 結(jié)果表明，無(wú)線通信模式提高了傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)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(nèi)部有傳感器，故需要用壓力表標(biāo)定軟件來(lái) 校正壓力表傳感器的精度，保證壓力表計(jì)量的準(zhǔn)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(shí)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。之前的標(biāo)定軟件以有線的方式 連接壓力表，這樣標(biāo)定時(shí)就需要暫停壓力表工作，將工作現(xiàn)場(chǎng)壓力表拆下并換上另一個(gè)表，然后將此壓力表帶回 標(biāo)定辦公室標(biāo)定拆封，標(biāo)定完成后工作人員再將此壓力表放回到工作現(xiàn)場(chǎng)。一般情況下標(biāo)定辦公室與工作現(xiàn)場(chǎng) 路程遙遠(yuǎn)，來(lái)來(lái)回回不僅耗費(fèi)工作人員的時(shí)間，而且拆封壓力表接線也比較麻煩。基于此，直接通過ZigBee無(wú)線 通信方式，實(shí)現(xiàn)標(biāo)定軟件與壓力表的數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)定工作，這樣一來(lái)工作人員即可在現(xiàn)場(chǎng)在線方式下實(shí) 現(xiàn)對(duì)壓力表的標(biāo)定，無(wú)需任何設(shè)備拆裝，標(biāo)定完成后即可使用。
研究基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新型的壓力表標(biāo)定通訊系統(tǒng)。
2.ZigBee技術(shù)概述
ZigBee是IEEE 802. 15.4協(xié)議的代名詞，根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)， 其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。ZigBee技術(shù)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(jī)制，在這種完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制下，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時(shí)則立刻傳送，發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，并進(jìn)行確認(rèn)回復(fù)，若沒 有得到確認(rèn)信息的回復(fù)，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(yàn)CRC的數(shù)據(jù)包完整性檢 查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了 AES-128的加密算法，對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理，各個(gè)應(yīng)用可以靈活 確定其安全屬性⑴。ZigBee棧體系結(jié)構(gòu)是基于標(biāo)準(zhǔn)開放網(wǎng)絡(luò)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(biāo)準(zhǔn)定義，網(wǎng)絡(luò)層為技術(shù)聯(lián)盟制定⑷。ZigBee技術(shù)的較低數(shù)據(jù)速率以及較小通信范圍的特 點(diǎn)決定了 ZigBee技術(shù)適用于承載數(shù)據(jù)量較小的業(yè)務(wù)。簡(jiǎn)而言之，ZigBee就是一種便宜的、低功耗的近距離無(wú)線 組網(wǎng)通訊技術(shù)。
3.壓力表標(biāo)定軟件設(shè)計(jì)
3.1設(shè)計(jì)語(yǔ)言以及運(yùn)行環(huán)境
因?yàn)镃#語(yǔ)言是微軟為.NET Framework平臺(tái)打造的一門新語(yǔ)言，具有與系統(tǒng)平臺(tái)無(wú)關(guān)，與C/C++語(yǔ)言一脈相承、開發(fā)周期短、維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn),所以在Visual Studio 2010集成開發(fā)平臺(tái)上使用C #語(yǔ)言編寫和調(diào)試程序。 此標(biāo)定軟件的工作環(huán)境為PC機(jī)下的Windows XP操作系統(tǒng)。
3. 2 ZigBee工作模式
在PC機(jī)的RS-232串行通信接口上外接一個(gè)RS-232/RS-485轉(zhuǎn)接器,然后與壓力表的RS-485端口對(duì)接。 壓力表的通信協(xié)議采用Modbus儀表協(xié)議。標(biāo)定軟件通過串行通信對(duì)壓力表的寄存器實(shí)現(xiàn)讀和寫。當(dāng)前壓力表 使用的ZigBee模塊支持透明方式(AT)和應(yīng)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信模式,當(dāng)應(yīng)用在多點(diǎn)通信時(shí),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(dāng)工作在API模式時(shí),所有進(jìn)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(jié)構(gòu)中。API操作 要求模塊之間采用一種結(jié)構(gòu)化的接口（數(shù)據(jù)通過一種定義好序列的幀來(lái)交互通信來(lái)進(jìn)行通信)進(jìn)行通信,同時(shí) API規(guī)定了通過串口數(shù)據(jù)幀如何發(fā)命令、命令響應(yīng)以及模塊狀態(tài)信息的傳送與接收。
3. 3設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
標(biāo)準(zhǔn)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(hào)位、傳輸波特率、奇偶校驗(yàn)。 控制器能直接或經(jīng)由Modem組網(wǎng)。原來(lái)的標(biāo)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(luò)層的通信。這樣就要求在Modbus的基礎(chǔ)上加上API的協(xié)議層,才能讓標(biāo)定軟件實(shí)現(xiàn)ZigBee的 順利通信。ZigBee的API模式幀結(jié)構(gòu)框架如圖1所示,數(shù)據(jù)幀中API標(biāo)識(shí)符cmdID表明cmdData中包含何種數(shù) 據(jù)。在本程序設(shè)計(jì)使用的XBee系列2模塊中，當(dāng)cmdID = 0X10時(shí),表明ZigBee傳輸數(shù)據(jù)請(qǐng)求;cmdID = 0X90 時(shí),表明ZigBee接受數(shù)據(jù)包。最后一位的校驗(yàn)碼(數(shù)據(jù)校驗(yàn)和)是用來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性。
在發(fā)送信息時(shí),此設(shè)計(jì)將Modbus協(xié)議RTU (遠(yuǎn)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(luò)中所有設(shè)備都擁有一個(gè)16bit的IEEE地址,用來(lái)確 定表號(hào)。由于事先不知道壓力表頭IEEE地址,故首先 PC機(jī)通過RS-485串口發(fā)送廣播信息,此時(shí)API幀結(jié)構(gòu) 中的 64 位地址（bytes 6 - 13)是 0x0000000000000000。
PC機(jī)ZigBee模塊發(fā)送廣播模式的API幀結(jié)構(gòu)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(yīng)PC機(jī),返回?cái)?shù)據(jù),然后 通過PC機(jī)上的標(biāo)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(jié)構(gòu),可以看到，64位地址(bytes 5 - 12)是0x0013A2004030100B ,即壓力表頭的IEEE地
址。此時(shí)PC機(jī)直接發(fā)信息給表頭的IEEE地址，而不再發(fā)送廣播，相應(yīng)的64位地址(bytes 6-13)更改為壓力表 頭的IEEE地址。PC機(jī)ZigBee模塊發(fā)送地址模式的API幀結(jié)構(gòu)如圖4所示。當(dāng)處于廣播模式時(shí)，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(shí)，發(fā)送的數(shù)據(jù)都能被接收到。這樣一來(lái)，大大節(jié)省了時(shí)間，從而確保 了數(shù)據(jù)傳送的完整性與準(zhǔn)確性。整個(gè)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(shí)，接收數(shù)據(jù)幀中包含有設(shè)備響應(yīng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過拆分?jǐn)?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(lái)。
4.實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與分析
在Visual Studio 2010集成開發(fā)平臺(tái)上運(yùn)行程序,結(jié)果表明能夠完成壓力表各項(xiàng)數(shù)據(jù)的標(biāo)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(jìn)后的壓力表頭對(duì)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送能力增強(qiáng)了 ,而且無(wú)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(zhǔn)確性。
5.結(jié)束語(yǔ)
提出并設(shè)計(jì)完成了一種基于ZigBee無(wú)線壓力表的標(biāo)定程序,將原有的有線通信方式更改為無(wú)線通信方式, 直接實(shí)現(xiàn)標(biāo)定軟件與壓力表頭的數(shù)據(jù)傳輸。此設(shè)計(jì)利用ZigBee技術(shù),采用無(wú)線收發(fā)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù),通過傳感器 網(wǎng)絡(luò)直接控制每只壓力表的標(biāo)定,無(wú)需專門架線,而且提高了傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。ZigBee作為一種新型的通訊技 術(shù)必將在無(wú)限傳感網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮巨大作用。
