ZigBee的配氣裝置無線通信系統設計
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摘要：本文根據多組分動態配氣裝置工作原理，采用zigbee技術，設計出一套可對配氣裝置進行近距離無線操作的通信系統。該系統以STM32作為控制核心，CC2420芯片作為射頻、發送接收模塊，完成了協調器、終端控制器、顯示模塊的設計。現場試驗表明，該系統可以近距離控制配氣裝置，從而實現對氣體種類和參數的設定，連續配制并輸出濃度值持續可調的混合標準氣體，減輕了檢定人員的工作強度。
關鍵詞：ZigBee；配氣裝置；無線操作
氣體探測器和分析儀在長時間工作后，精度往往會下降，通常通過一定的配氣裝置對氣體探測器或分析儀進行檢定，經過多年的發展和完善，基于質量流量控制法的多組分動態配氣裝置逐漸成為配氣裝置設計的主流［1-2］。目前，氣體探測器的檢定大多采用離線周期送檢的方式，將探測器拆卸掉進行檢定。但是，被檢定儀器工作環境惡劣，不便人員來回走動。同時，檢定儀器又需要多次修改配氣裝置參數，給檢定人員帶來較大的工作量，檢定效率不高［3］。針對此問題，本文設計一套帶近距離無線通信系統的配氣裝置，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機及人機界面、A/D和D/A接口卡構成，其中A/D和D/A接口卡通過USB接口與PC機及人機界面連接。PC機及人機界面主要完成人機交互的功能，運行動態多組分配氣系統程序。檢定員通過人機界面將參數設定以后，PC機將參數通過USB接由單片機處理后送往接口卡的D/A單元，單片機控制輸出調整流量控制開度的信號，實現控制氣體流量的功能。同時，A/D模塊接收流量控制器的流量信號，經A/D轉換后，通過USB接口將數據送到PC機顯示，進行流量的實時監控。單片機會根據流量信號計算出實時流量并通過PC機顯示。單片機還會比對實際流量測量值和預先設定值，根據比對結果進一步調整流量控制器的開度，此過程反復進行，直到實際流量測量值對象的實際濃度與設定濃度在允許的誤差范圍內。系統采用帶USB接口的A/D和D/A接口卡進行流量監控。配氣裝置通過USB通信模塊來實現數據的雙向傳輸，USB通信模塊與接口卡中的單片機之間通過總線讀寫進行數據交換。A/D轉換模塊、D/A轉換模塊以及USB通信模塊均被單片機控制并完成相應的功能，單片機內部具有A/D和D/A數據緩沖區，滿足數據處理的需要。在各個模塊的協調工作下，高濃度標準氣體與稀釋氣體進行混合，從而輸出滿足設定濃度要求的標準氣體。
2無線通信系統的硬件設計
該系統的核心部件為兩個ZigBee無線通信模塊，其中一個通信模塊作為手持終端用來設定各種參數，另一個通信模塊用來接收手持終端發送的數據，并由配氣裝置處理后執行相應的操作。具體工作時，配氣裝置可以與待檢定的氣體探測器以及手持終端保持一定距離，通過手持終端控制配氣裝置輸出相應濃度的氣體，配氣裝置上設置有一定長度的氣管，配氣裝置輸出的標準氣體通過該氣管輸送給氣體探測器，從而對氣體探測器進行檢定。
2.1系統總體實現方案設計
ZigBee是新興的短距離雙向無線通信技術，成本低，應用便利，且能滿足現場檢定環境的要求，因此，本文選用ZigBee技術進行無線近距離通信。如圖2所示，該系統具有兩個ZigBee無線通信模塊，這兩個ZigBee模塊配合工作。一個用于發送數據，位于手持終端，與鍵盤電路和LCD顯示電路連接，鍵盤電路和LCD顯示主要用于人機交互；一個用于接收數據，位于配氣裝置上，接收手持終端發送的數據，將數據發送給配氣裝置的單片機，完成數據通信。
2.2ZigBee通信模塊的硬件設計
本文設計的近距離無線通信系統中，基于ZigBee的無線通信系統主要包括微處理器模塊、電源模塊、JTAG調試模塊和射頻芯片CC2420模塊。
2.2.1微處理器模塊。通信系統選用STM32作為主控芯片，完成系統的控制操作，包括數據的傳遞處理、控制協調各個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具有豐富的外設資源，大大簡化了電路設計工作，并且具有較強的信號處理能力和抗干擾能力。通信系統位于配氣裝置時，單片機接收處理數據后將其發送給配氣裝置，位于手持終端時，單片機將處理后的數據傳送給LCD屏進行顯示。
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。該無線通信系統位于手持終端時，手持終端所處環境較惡劣，因此選用干電池串聯供電，再通過穩壓器TPS76833轉換為3.3V的電信號，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。該無線通信系統位于配氣裝置時，采樣電源適配器和電壓轉換器將交流電轉化為5V電信號為主控芯片供電，并進一步轉換為3.3V，為射頻芯片供電，有效保證系統穩定工作。
2.2.3CC2420射頻芯片模塊。CC2420射頻芯片主要用于接收和發送數據，由CC2420芯片和外圍電路構成，CC2420射頻芯片采用SPI接口與主控芯片進行通信，完成數據的接收與發送。CC2420自身內部集成了8051內核、無線收發模塊等，因此，在進行電路設計時，不需要復雜的外圍電路設計，就可以構成一個完整的無線近距離通信的數據收發系統。電路設計簡單，因此縮短了項目周期，提高了系統的可靠性。
2.2.4JTAG調試接口模塊。JTAG調試接口模塊負責將編譯后的文件下載到射頻芯片中，對系統進行軟件仿真和硬件電路的調試。
3無線通信系統的軟件設計
手持終端部分的通信系統主要接收鍵盤輸入的氣體種類、氣體濃度和流量等信息，再通過ZigBee通信模塊將數據發送給與配氣裝置連接的無線通信模塊，軟件部分需要在系統上電后對微處理器STM32、射頻芯片CC2420以及接口進行初始化，微處理器時刻檢測鍵盤電路是否有數據輸入，有數據輸入后，微處理器處理并控制LCD屏進行顯示，并通過射頻芯片將信息數據發送至與配氣裝置連接的射頻芯片。手持終端軟件設計流程如圖3所示。與配氣裝置連接的接收終端負責接收來自手持終端發送的數據，并根據接收的數據執行相應操作。系統上電后，先進行初始化。初始化完成后，實時掃描手持終端是否有數據發送，若檢測到數據，則將接收的數據交由配氣裝置處理并完成相應操作。配氣裝置接收終端軟件設計流程如圖4所示。
4儀器現場檢定性能分析
在進行現場試驗時，多組分動態配氣裝置中，A路通入高純氮氣，C路通入濃度為2.99%（mol/mol）的國家一級甲烷標準氣體。選取其與配氣裝置的通信距離分別為5、10、30、50、70、85m，得到試驗數據如表1所示。不考慮由氣體分析儀器帶來的誤差，可得到儀器的相對誤差小于2%，滿足相關國家標準。
5結論
經過現場大量試驗與應用，這種基于ZigBee近距離無線通信技術設計的智能氣體配氣裝置具有精度高、響應速度快、通信距離遠，操作簡單和性能穩定等優點。其改善了當前的配氣裝置操作方式，提高現場檢定儀器的工作效率，減少了操作人員的工作強度，具有很好的應用前景。隨著近距離無線通信技術的不斷革新，配氣裝置的無線通信性能也會有進一步的提升。
參考文獻：
［1］北京七星華創電子股份有限公司.CS系列氣體質量流量控制器/流量計［J］.中國集成電路，2009（2）：52-55．
［2］王東麗，陳傳嶺，朱茜，等.便攜式智能氣體配氣裝置的設計［J］.計量技術，2013（7）：46-51．
［3］蔣挺，趙成.ZigBee技術及其應用［M］.北京：北京郵電大學出版社，2006：16-19．
作者：盧亞娟 崔瑞超 司靜靜 單位：河南工學院電氣工程與自動化學院