ZigBee的配氣裝置無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要：本文根據(jù)多組分動(dòng)態(tài)配氣裝置工作原理，采用zigbee技術(shù)，設(shè)計(jì)出一套可對(duì)配氣裝置進(jìn)行近距離無(wú)線操作的通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)以STM32作為控制核心，CC2420芯片作為射頻、發(fā)送接收模塊，完成了協(xié)調(diào)器、終端控制器、顯示模塊的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可以近距離控制配氣裝置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體種類(lèi)和參數(shù)的設(shè)定，連續(xù)配制并輸出濃度值持續(xù)可調(diào)的混合標(biāo)準(zhǔn)氣體，減輕了檢定人員的工作強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：ZigBee；配氣裝置；無(wú)線操作

氣體探測(cè)器和分析儀在長(zhǎng)時(shí)間工作后，精度往往會(huì)下降，通常通過(guò)一定的配氣裝置對(duì)氣體探測(cè)器或分析儀進(jìn)行檢定，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和完善，基于質(zhì)量流量控制法的多組分動(dòng)態(tài)配氣裝置逐漸成為配氣裝置設(shè)計(jì)的主流［1-2］。目前，氣體探測(cè)器的檢定大多采用離線周期送檢的方式，將探測(cè)器拆卸掉進(jìn)行檢定。但是，被檢定儀器工作環(huán)境惡劣，不便人員來(lái)回走動(dòng)。同時(shí)，檢定儀器又需要多次修改配氣裝置參數(shù)，給檢定人員帶來(lái)較大的工作量，檢定效率不高［3］。針對(duì)此問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一套帶近距離無(wú)線通信系統(tǒng)的配氣裝置，可提高儀器檢定效率。

1配氣裝置的工作原理

如圖1所示，該配氣裝置主要由流量控制器、PC機(jī)及人機(jī)界面、A/D和D/A接口卡構(gòu)成，其中A/D和D/A接口卡通過(guò)USB接口與PC機(jī)及人機(jī)界面連接。PC機(jī)及人機(jī)界面主要完成人機(jī)交互的功能，運(yùn)行動(dòng)態(tài)多組分配氣系統(tǒng)程序。檢定員通過(guò)人機(jī)界面將參數(shù)設(shè)定以后，PC機(jī)將參數(shù)通過(guò)USB接由單片機(jī)處理后送往接口卡的D/A單元，單片機(jī)控制輸出調(diào)整流量控制開(kāi)度的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)控制氣體流量的功能。同時(shí)，A/D模塊接收流量控制器的流量信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)送到PC機(jī)顯示，進(jìn)行流量的實(shí)時(shí)監(jiān)控。單片機(jī)會(huì)根據(jù)流量信號(hào)計(jì)算出實(shí)時(shí)流量并通過(guò)PC機(jī)顯示。單片機(jī)還會(huì)比對(duì)實(shí)際流量測(cè)量值和預(yù)先設(shè)定值，根據(jù)比對(duì)結(jié)果進(jìn)一步調(diào)整流量控制器的開(kāi)度，此過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，直到實(shí)際流量測(cè)量值對(duì)象的實(shí)際濃度與設(shè)定濃度在允許的誤差范圍內(nèi)。系統(tǒng)采用帶USB接口的A/D和D/A接口卡進(jìn)行流量監(jiān)控。配氣裝置通過(guò)USB通信模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，USB通信模塊與接口卡中的單片機(jī)之間通過(guò)總線讀寫(xiě)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊以及USB通信模塊均被單片機(jī)控制并完成相應(yīng)的功能，單片機(jī)內(nèi)部具有A/D和D/A數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，滿足數(shù)據(jù)處理的需要。在各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)工作下，高濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體與稀釋氣體進(jìn)行混合，從而輸出滿足設(shè)定濃度要求的標(biāo)準(zhǔn)氣體。

2無(wú)線通信系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的核心部件為兩個(gè)ZigBee無(wú)線通信模塊，其中一個(gè)通信模塊作為手持終端用來(lái)設(shè)定各種參數(shù)，另一個(gè)通信模塊用來(lái)接收手持終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并由配氣裝置處理后執(zhí)行相應(yīng)的操作。具體工作時(shí)，配氣裝置可以與待檢定的氣體探測(cè)器以及手持終端保持一定距離，通過(guò)手持終端控制配氣裝置輸出相應(yīng)濃度的氣體，配氣裝置上設(shè)置有一定長(zhǎng)度的氣管，配氣裝置輸出的標(biāo)準(zhǔn)氣體通過(guò)該氣管輸送給氣體探測(cè)器，從而對(duì)氣體探測(cè)器進(jìn)行檢定。

2.1系統(tǒng)總體實(shí)現(xiàn)方案設(shè)計(jì)

ZigBee是新興的短距離雙向無(wú)線通信技術(shù)，成本低，應(yīng)用便利，且能滿足現(xiàn)場(chǎng)檢定環(huán)境的要求，因此，本文選用ZigBee技術(shù)進(jìn)行無(wú)線近距離通信。如圖2所示，該系統(tǒng)具有兩個(gè)ZigBee無(wú)線通信模塊，這兩個(gè)ZigBee模塊配合工作。一個(gè)用于發(fā)送數(shù)據(jù)，位于手持終端，與鍵盤(pán)電路和LCD顯示電路連接，鍵盤(pán)電路和LCD顯示主要用于人機(jī)交互；一個(gè)用于接收數(shù)據(jù)，位于配氣裝置上，接收手持終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)發(fā)送給配氣裝置的單片機(jī)，完成數(shù)據(jù)通信。

2.2ZigBee通信模塊的硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的近距離無(wú)線通信系統(tǒng)中，基于ZigBee的無(wú)線通信系統(tǒng)主要包括微處理器模塊、電源模塊、JTAG調(diào)試模塊和射頻芯片CC2420模塊。

2.2.1微處理器模塊。通信系統(tǒng)選用STM32作為主控芯片，完成系統(tǒng)的控制操作，包括數(shù)據(jù)的傳遞處理、控制協(xié)調(diào)各個(gè)模塊間配合完成通信工作等。本文中，STM32主控芯片具體為STM32103ZET6，STM32103ZET6具有豐富的外設(shè)資源，大大簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)工作，并且具有較強(qiáng)的信號(hào)處理能力和抗干擾能力。通信系統(tǒng)位于配氣裝置時(shí)，單片機(jī)接收處理數(shù)據(jù)后將其發(fā)送給配氣裝置，位于手持終端時(shí)，單片機(jī)將處理后的數(shù)據(jù)傳送給LCD屏進(jìn)行顯示。

2.2.2電源管理模塊。主控芯片STM32103ZET6可以采用干電池供電，也可以采樣5V電源供電。該無(wú)線通信系統(tǒng)位于手持終端時(shí)，手持終端所處環(huán)境較惡劣，因此選用干電池串聯(lián)供電，再通過(guò)穩(wěn)壓器TPS76833轉(zhuǎn)換為3.3V的電信號(hào)，給CC2420芯片供電。接收端與配氣裝置相連接，與配氣裝置采用220V交流供電。該無(wú)線通信系統(tǒng)位于配氣裝置時(shí)，采樣電源適配器和電壓轉(zhuǎn)換器將交流電轉(zhuǎn)化為5V電信號(hào)為主控芯片供電，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為3.3V，為射頻芯片供電，有效保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

2.2.3CC2420射頻芯片模塊。CC2420射頻芯片主要用于接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，由CC2420芯片和外圍電路構(gòu)成，CC2420射頻芯片采用SPI接口與主控芯片進(jìn)行通信，完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。CC2420自身內(nèi)部集成了8051內(nèi)核、無(wú)線收發(fā)模塊等，因此，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，不需要復(fù)雜的外圍電路設(shè)計(jì)，就可以構(gòu)成一個(gè)完整的無(wú)線近距離通信的數(shù)據(jù)收發(fā)系統(tǒng)。電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，因此縮短了項(xiàng)目周期，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.2.4JTAG調(diào)試接口模塊。JTAG調(diào)試接口模塊負(fù)責(zé)將編譯后的文件下載到射頻芯片中，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行軟件仿真和硬件電路的調(diào)試。

3無(wú)線通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

手持終端部分的通信系統(tǒng)主要接收鍵盤(pán)輸入的氣體種類(lèi)、氣體濃度和流量等信息，再通過(guò)ZigBee通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給與配氣裝置連接的無(wú)線通信模塊，軟件部分需要在系統(tǒng)上電后對(duì)微處理器STM32、射頻芯片CC2420以及接口進(jìn)行初始化，微處理器時(shí)刻檢測(cè)鍵盤(pán)電路是否有數(shù)據(jù)輸入，有數(shù)據(jù)輸入后，微處理器處理并控制LCD屏進(jìn)行顯示，并通過(guò)射頻芯片將信息數(shù)據(jù)發(fā)送至與配氣裝置連接的射頻芯片。手持終端軟件設(shè)計(jì)流程如圖3所示。與配氣裝置連接的接收終端負(fù)責(zé)接收來(lái)自手持終端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并根據(jù)接收的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)操作。系統(tǒng)上電后，先進(jìn)行初始化。初始化完成后，實(shí)時(shí)掃描手持終端是否有數(shù)據(jù)發(fā)送，若檢測(cè)到數(shù)據(jù)，則將接收的數(shù)據(jù)交由配氣裝置處理并完成相應(yīng)操作。配氣裝置接收終端軟件設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

4儀器現(xiàn)場(chǎng)檢定性能分析

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，多組分動(dòng)態(tài)配氣裝置中，A路通入高純氮?dú)?，C路通入濃度為2.99%（mol/mol）的國(guó)家一級(jí)甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體。選取其與配氣裝置的通信距離分別為5、10、30、50、70、85m，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。不考慮由氣體分析儀器帶來(lái)的誤差，可得到儀器的相對(duì)誤差小于2%，滿足相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

5結(jié)論

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)大量試驗(yàn)與應(yīng)用，這種基于ZigBee近距離無(wú)線通信技術(shù)設(shè)計(jì)的智能氣體配氣裝置具有精度高、響應(yīng)速度快、通信距離遠(yuǎn)，操作簡(jiǎn)單和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。其改善了當(dāng)前的配氣裝置操作方式，提高現(xiàn)場(chǎng)檢定儀器的工作效率，減少了操作人員的工作強(qiáng)度，具有很好的應(yīng)用前景。隨著近距離無(wú)線通信技術(shù)的不斷革新，配氣裝置的無(wú)線通信性能也會(huì)有進(jìn)一步的提升。

參考文獻(xiàn)：

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［3］蔣挺，趙成.ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006：16-19．

作者：盧亞娟 崔瑞超 司靜靜 單位：河南工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院