开封市中仪流量仪表有限公司
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阅读：112发布时间：2021-12-21
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 .. 读写设备属性为获得设备的信息, 工程软件需要发送命令到设备上. 具体命令包含短地址, 服务类型, 参数索引和校验. 其中的短地址指的是终端设备( 即这里的电磁流量计终端设备) 的短地址, 服务类型指得是读服务还是写服务, 索引号则是属性的各个编号. 按照如上的格式发送到终端设备, 终端设备对信息数据进行层层解析, 最终会反馈回终端设备相应的响应( 分为正响应和负响应) , 由此我们可得到设备的信息, 当然包括设备上功能块的信息.
2. 3 .. 读取数据
这里, 读取温湿度数据可以采用2 种方式: 第1 种, 也就是目前我们采用的, 电磁流量计的数据是由终端设备周期性的向上位机发送数据. 数据发送的前提条件是设备已经上线, 即成功加入网络并发送了设备声明. 为更精确的了解我们所需要的电磁流量计的数值, 可以通过改变发送数据周期来确定. 另外一种方式获得电磁流量计数据的方式就是, 上位机发送读数据的命令, 可以采用读取设备属性的数据格式, 终端设备接收到命令后, 根据索引, 产生相应的响应. 以上两种读取温湿度数据的方式, 都是同样的流程.
2. 4 .. 控制和校正数据
终端设备内添加了功能块, 专门用于设备的组态和数据控制. 功能块内包含了传感器内的一些必须的参数, 通过设置相关的功能块来进行相关的链接对象组态, 建立设备间的通信关系, 是流量计能与特定的执行机构如阀门定位器通信达到闭环控制的目的. 同理也可以对流量计本身的参数如通径, 流量量程和仪表系数进行校正, 从而可以让设备工作在状态.
3.. 结束语
实验测试表明, 本研究设计的无线智能电磁流量计的系统稳定、使用方便、实用性强, 有一定的抗力, 还可根据需要进行软件升级, 能有效地与工业现场设备进行互联, 实现对工业现场数据的采集和处理功能, 为工程人员监控现场设备提供了一种新方法.
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[ 3] .. 孙利民, 李建中, 陈渝. 无线传感器网络[M] . 北京: 清华大学出版社, 2005: 6. --扩展阅读：开封中仪流量仪表有限公司专业生产电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计、文丘里流量计、v锥流量计、v型锥流量计、喷嘴流量计、插入式电磁流量计、智能电磁流量计、分体式电磁流量计、一体式电磁流量计、标准孔板流量计、标准孔板、一体化孔板流量计、标准喷嘴流量计、长径喷嘴流量计、标准喷嘴、长径喷嘴、插入式涡街流量计、智能涡街流量计、锥型流量计、v锥型流量计、节流装置、节流孔板、限流孔板等流量产品，更多有关电磁流量计、孔板流量计、涡街流量计的信息请访问开封中仪网站：
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