ZigBee無線壓力表標定程序設計
由于受到石油礦井工作規程限制，為了使壓力表方便操作，采用ZigBee模塊間無線通信方式，實現標定 軟件與壓力表的數據傳輸，校正壓力表傳感器的精度，保證計量的準確性。這就要使基于數據鏈路層的Modbus協 議與基于網絡層的API模式下ZigBee進行通信，采用在Modbus的基礎上加上API的協議層的方法來實現。實驗 結果表明，無線通信模式提高了傳輸數據的準確性。
1.引言
石油氣井壓力表頭用于采集氣井的壓力、溫度等數據。壓力表頭內部有傳感器，故需要用壓力表標定軟件來 校正壓力表傳感器的精度，保證壓力表計量的準確性。但是由于受到石油礦井工作規程限制，壓力表工作時完全 處于密封狀態，壓力表與采集中心是通過ZigBee傳感器無線網絡實現數據通信。之前的標定軟件以有線的方式 連接壓力表，這樣標定時就需要暫停壓力表工作，將工作現場壓力表拆下并換上另一個表，然后將此壓力表帶回 標定辦公室標定拆封，標定完成后工作人員再將此壓力表放回到工作現場。一般情況下標定辦公室與工作現場 路程遙遠，來來回回不僅耗費工作人員的時間，而且拆封壓力表接線也比較麻煩。基于此，直接通過ZigBee無線 通信方式，實現標定軟件與壓力表的數據傳輸，從而實現標定工作，這樣一來工作人員即可在現場在線方式下實 現對壓力表的標定，無需任何設備拆裝，標定完成后即可使用。
研究基于ZigBee技術設計了一種新型的壓力表標定通訊系統。
2.ZigBee技術概述
ZigBee是IEEE 802. 15.4協議的代名詞，根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術， 其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本。ZigBee技術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的碰撞避免機制，在這種完全確認的數據傳輸機制下，當有數據傳送需求時則立刻傳送，發送的每個數據包都必須等待接收方的確認信息，并進行確認回復，若沒 有得到確認信息的回復，就表示發生碰撞，將再傳一次;ZigBee提供了基于循環冗余校驗CRC的數據包完整性檢 查功能，支持鑒權和認證，采用了 AES-128的加密算法，對所傳輸的數據信息進行加密處理，各個應用可以靈活 確定其安全屬性⑴。ZigBee棧體系結構是基于標準開放網絡互聯(0SI)七層協議模型，其物理層及MAC層為 IEEE 802. 15.4協議標準定義，網絡層為技術聯盟制定⑷。ZigBee技術的較低數據速率以及較小通信范圍的特 點決定了 ZigBee技術適用于承載數據量較小的業務。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的、低功耗的近距離無線 組網通訊技術。
3.壓力表標定軟件設計
3.1設計語言以及運行環境
因為C#語言是微軟為.NET Framework平臺打造的一門新語言，具有與系統平臺無關，與C/C++語言一脈相承、開發周期短、維護容易等優點,所以在Visual Studio 2010集成開發平臺上使用C #語言編寫和調試程序。 此標定軟件的工作環境為PC機下的Windows XP操作系統。
3. 2 ZigBee工作模式
在PC機的RS-232串行通信接口上外接一個RS-232/RS-485轉接器,然后與壓力表的RS-485端口對接。 壓力表的通信協議采用Modbus儀表協議。標定軟件通過串行通信對壓力表的寄存器實現讀和寫。當前壓力表 使用的ZigBee模塊支持透明方式(AT)和應用程序接口（APFApplication Programming Interface)兩種操作方式。
前者為缺省操作方式,以字節為單位操作各種信息,后者是以一定格式的數據幀為單位操作各種信息。但由 于AT模式適合在點對點的通信模式,當應用在多點通信時,傳輸效率極低,所以現如今的壓力表都使用API協 議模式。當工作在API模式時,所有進出模塊的數據均被包含在定義模塊的操作和事件的幀結構中。API操作 要求模塊之間采用一種結構化的接口（數據通過一種定義好序列的幀來交互通信來進行通信)進行通信,同時 API規定了通過串口數據幀如何發命令、命令響應以及模塊狀態信息的傳送與接收。
3. 3設計與實現
標準的Modbus是使用RS-232兼容串行接口，定義了連接口的針腳、電纜、信號位、傳輸波特率、奇偶校驗。 控制器能直接或經由Modem組網。原來的標定軟件采用Modbus協議是基于數據鏈路層的通信,而ZigBee的 API模式是網絡層的通信。這樣就要求在Modbus的基礎上加上API的協議層,才能讓標定軟件實現ZigBee的 順利通信。ZigBee的API模式幀結構框架如圖1所示,數據幀中API標識符cmdID表明cmdData中包含何種數 據。在本程序設計使用的XBee系列2模塊中，當cmdID = 0X10時,表明ZigBee傳輸數據請求;cmdID = 0X90 時,表明ZigBee接受數據包。最后一位的校驗碼(數據校驗和)是用來檢驗數據的完整性。
在發送信息時,此設計將Modbus協議RTU (遠程終端單元)模式發送命令作為幀數據的一部分發送。網 絡中所有設備都擁有一個16bit的IEEE地址,用來確 定表號。由于事先不知道壓力表頭IEEE地址,故首先 PC機通過RS-485串口發送廣播信息,此時API幀結構 中的 64 位地址（bytes 6 - 13)是 0x0000000000000000。
PC機ZigBee模塊發送廣播模式的API幀結構如圖2所示。由于此信息包含有Modbus協議,包含表頭地址。此壓力表頭收到廣播后,將響應PC機,返回數據,然后 通過PC機上的標定軟件程序處理,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 模塊接收數據的API結構,可以看到，64位地址(bytes 5 - 12)是0x0013A2004030100B ,即壓力表頭的IEEE地
址。此時PC機直接發信息給表頭的IEEE地址，而不再發送廣播，相應的64位地址(bytes 6-13)更改為壓力表 頭的IEEE地址。PC機ZigBee模塊發送地址模式的API幀結構如圖4所示。當處于廣播模式時，接收到的數據 只占發送數據的1/3，然而發送IEEE地址時，發送的數據都能被接收到。這樣一來，大大節省了時間，從而確保 了數據傳送的完整性與準確性。整個過程模式如圖5所示，此種傳輸模式屬于半雙工模式。
在接收數據時，接收數據幀中包含有設備響應數據，經過拆分數據包，獲取Modbus協議返回的數據，然后通 過解包、跨線程處理，即可將壓力表頭的壓力、溫度、電量等數據在窗口上顯示出來。
4.實驗測試結果與分析
在Visual Studio 2010集成開發平臺上運行程序,結果表明能夠完成壓力表各項數據的標定。表1是1分鐘 接收數據和發送數據大小。
從表1可以看出,改進后的壓力表頭對數據的接收與發送能力增強了 ,而且無線通信下的地址模式基本上不 存在丟失數據的現象,說明了 ZigBee傳輸數據的準確性。
5.結束語
提出并設計完成了一種基于ZigBee無線壓力表的標定程序,將原有的有線通信方式更改為無線通信方式, 直接實現標定軟件與壓力表頭的數據傳輸。此設計利用ZigBee技術,采用無線收發設備傳輸數據,通過傳感器 網絡直接控制每只壓力表的標定,無需專門架線,而且提高了傳輸數據的準確性。ZigBee作為一種新型的通訊技 術必將在無限傳感網絡中發揮巨大作用。
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