基于 Zigbee 技术的地磅砝码检定系统设计

基于 Zigbee 技术的地磅砝码检定系统设计

本文设计了一种基于 Zigbee 的地磅砝码检定系统，包括无线数据传输系统、砝码检定数据自动计算及数据库等，实现了砝码检定数据的无线传输、自动处理及存贮功能。解决了地磅砝码在检定校准工作中存在人工记录砝码检定数据或采用多台衡量仪器需配备多台 PC 机连接串口处理数据效率低下等问题。

1.引言

地磅砝码计量在质量量值传递中占有极其重要的地位，其检定结果的正确与否直接关系到质量乃至力学测量的各个领域。而在我国的计量技术机构中，大多仍是由检定员对着多台电子天平或质量比较仪等衡量仪器手工记录检定数据，不仅效率低下，而且容易在工作强度高的情况下出现差错，从而影响工作质量。衡器仪器的使用因受量程的限制，如检定 F1 等级的砝码，从常用的 1mg ～ 20kg 的测量范围，至少需配备 5 到 6 台衡量仪器，而利用无线技术通过每台衡量仪器的 ＲS232 接口连接检定系统是一个优化选择方案，在检定效率和工作质量上都会有所提高。

国内也出现基于蓝牙技术的砝码检定系统，但蓝牙的传输效率及抗干扰能力在复杂条件下不甚理想，相比蓝牙、GPＲS 等其他无线数据传输方式，基于 Zigbee 的无线传输平台具有稳定性好、成本低、协议简单、抗干扰能力强、功耗低等优点。本文设计了一种基于 Zigbee 的砝码检定系统，可以将多台电子天平或质量比较仪等衡量仪器组成无线网络，完成砝码的检定校准工作。

2.系统工作原理及结构

如图 1 所示，该系统由若干台衡器仪器及一个无线数据收发平台组成。衡量仪器在检定过程中产生的数字信号通过 ＲS232 接口连接到无线发送装置，再由无线接收终端将信号接收，再通过 ＲS232 接口传输到控制平台，由控制平台将信号进一步处理。

该无线数据传输系统基于 IEEE802. 15. 4 规范的无线技术，采用了基于 Zigbee 技术的 CC2530 芯片，该芯片功耗低，发送状态工作电流为 29mA，接收状态工作电流为 24mA，该芯片工作频率为 2. 4GHz。CC2530 使用 EMＲXDO、EM TXDO、EM CTSO 和 EM ＲTSO 四个引脚表示收发数据的状态; 串口有五个功能引脚，分别是 GND、T10UT、Ｒ1IN、T20UT 和 Ｒ2IN。在访问过程中，CC2530接收指定的时钟信号和片选信号，并在处理器的控制下执行输入输出操作。衡量仪器为电子天平或质量比较仪，在砝码检定时能够通过 ＲS232 接口发出实时示值的数字信号，将无线收发模块与 ＲS232 接口连接，构成了网络中的一个子节点。在接收端，利用 PC 机的串口与无线接收端连接，使用基于 VC + + 语言开发的检测系统对数据进行分析处理。

3 .基于 Zigbee 的数据通信平台设计

由于 Zigbee 技术具有强大的无线组网能力，可以组成星型、树型和网状网，本设计根据系统特点，选用了组网结构简单的星型网络结构，即点对多点的通信方式。

心节点为 Zigbee 协调器，子节点为 Zigbee 终端设备，所有数据经过中心节点。Zigbee 联盟为每个独立网络定义了一个唯一的网络标识符(  Personal Area Network Identi-Fair : PANID ) ，以标识自己的网络。设备间通信时，根据 PANID 选择合适的设备。

Beige 网络的发起和新设备的加入也是根据 PANID进行的。当一个具有完整功能的设备上电之后，它会建立一个自己的网络，并将自身设置成协调器，然后选定一个区别于其它网络的 PANID。协调器在确定 PANID 后，就会允许其它从设备的加入，从设备可以根据自己选定的 PANID 加入到相应的网络。无论是完整功能设备，还是简化功能设备都可以加入到这个网络中。本项目中采用了使用 IEEE 地址作为参数调用适当的 API 来实现通信，这种方法需要通过协调器转发。

由于协议栈纷繁复杂，为了做到层次清楚，采用状态机的方式对协议栈的各个动作进行转换。使用服务调用的方式为协议栈传达指令，每一次的服务调用都会引起协议栈自顶而下的服务响应，但是每次协议栈只能进行一项服务，协议栈通过 aPsBusy(  ) 函数判断当前服务是否结束。

系统的数据交换方式为半双工方式，为了避免同频干扰的问题，且在检定校准时通常只有一台衡量仪器在工作，其他的处于非工作状态，故通信采用时分复用技术，检测主机通过扫描的方式与各个发送端进行点对点双向通信。检测主机收到上位机发出的检测命令后向系统中某一远程检测分机发出分机地址代码，每个分机收到地址代码后被寻址的分机返回本机地址给主机，其他分机进入休眠状态。在判断地址相符后主机给被寻址的分机再发送请求数据控制命令，被寻址分机根据其命令进行检测数据，并将检测数据向主机发送，检测和数据发送结束后发出结束代码。主机接收数据包后进行校验，若校验正确 则发送握手信号 否则重新请求数据 直到数据全部正确为止。一台分机检测结束后主机把扭矩数据通过 ＲS232 接口传送到计算机，然后进行下一个分机检测，直到所有分机扫描一遍。在扫描过程中某一个分机规定时间内没有应答，则重新发送该机地址代码，仍无应答信号，就显示通信失败或分机故障报警。采集完毕后由系统上的 Zigbee 终端节点发送请求，等待协调器接受采集到的信号，接受完毕后，协调器将数据上传给计算机。

4 .砝码检定系统软件设计

砝码检定系统与无线数据传输平台传输数据时，首先对设备进行初始化，寻找网络。与无线传输平台联网成功后，登陆到系统界面，通过按键触发进行扭矩信息在无线传输平台上的传送。当各个终端节点的示值通过平台传送到终端之后，终端通过串口将接收的数据传送给PC 机处理。设计选择的数据库为 Access2003，程序开发工具为 VC ++ 6. 0。系统使用 VisualC ++ 6. 0 中 MSComm控件进行串口数据接收，并且使用事件驱动法进行程序设计。利用 MSComm 控件引发 OnComm 事件，应用程序在捕获该事件后，通过检查 MSComm 控件的 COmmEveni属性若为接收属性则接收数据，并进行数据处理。

数据处理则是按 JJG99 － 2006《砝码检定规程》编写，具备数据处理功能。在检定时，检定员根据砝码的等级、标称值选择的相应的砝码检定测量循环模式，系统自动选择相应的衡量仪器，随后根据实际检定的示值自动记录数据，并在全部所需测量数据记录完成后自动计算砝码的折算质量修正值，并与相应等级的砝码允差进行比较，判断是否在相应等级误差范围内，并给出判断结果，原始记录可打印、存为 word 文档及存于数据库中，方便查看或及出具检定校准证书。

5 .结论

Beige 技术是一种短距离、低功耗、低成本的无线网络技术。本系统将 Zigbee 技术与砝码检定结合起来，最终实现了多台衡量仪器使用一台 PC 机实时处理检定数据的工作，降低了人为因素在检定校准工作中粗大误差产生的概率，并大大提高了工作效率。