介紹了基于ZigBee技術(shù)與ARM處理器的新型液化氣灌裝電子秤。硬件電路采用模塊化設 計，提高了灌裝控制精度與可靠性。經(jīng)實(shí)際應用證明，該新型液化氣灌裝電子秤具有良好的應用推廣價(jià)值。

隨著(zhù)現代工業(yè)信息化水平的提高,在液化氣灌 裝領(lǐng)域,一方面灌裝秤需要操作使用方便、安全可 靠，另一方面對于灌裝過(guò)程信息記錄要求實(shí)時(shí)存 儲,后臺監控⑴，以方便管理,從而對灌裝秤通信功 能提出了更高的要求。液化充裝氣站等場(chǎng)合是帶 有危險性的防爆場(chǎng)合，安裝和鋪設管線(xiàn)復雜，施工 難度大，安裝維護困難，目前的灌裝電子秤操作較 為復雜，灌裝秤的各部件之間耦合性強，維護升級 不便。為了更好地滿(mǎn)足液化氣灌裝電子秤的實(shí)際 要求，筆者設計了一種以ARM處理器為核心，以 ZigBee為通信方式的新型液化氣灌裝電子秤。

1基于ZigBee的液化氣電子灌裝系統原理

1.1ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )特點(diǎn)

在短距離無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，常用的技術(shù)有Blue- tooth、Wi-Fi等。它們各有優(yōu)勢，但同時(shí)也存在著(zhù) 局限性，比如Wi-Fi功耗大，藍牙傳輸距離短。為 了彌補現有通信技術(shù)的不足，ZigBee聯(lián)盟推出了 基于 IEEE802. 15.4 的 ZigBee 協(xié)議。ZigBee 無(wú)線(xiàn) 網(wǎng)絡(luò )技術(shù)具有以下主要特點(diǎn)：

a.功耗低。在休眠模式下，兩節五號干電池 可支持一個(gè)節點(diǎn)工作6 ~24個(gè)月左右，這是Zig- bee的突出優(yōu)勢。

b.速率低。專(zhuān)注于低傳輸應用，數據傳輸率 只有 10 ~250kb/s。

C.時(shí)延低。對時(shí)延敏感的應用做了優(yōu)化，通 信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。通常 時(shí)延都在15 ~30ms。

d.距離短。有效覆蓋范圍在10 ~ 100m之 間，但是可以擴展到數百米，具體依據實(shí)際發(fā)射功 率的大小和各種不同的應用模式而定。

e.成本低。ZigBee數據傳輸速率低,協(xié)議簡(jiǎn) 單，且ZigBee協(xié)議免收專(zhuān)利費，大大降低了成本。

ZigBee技術(shù)具有的“四低一短”的特點(diǎn)使其 特別適合于液化氣站的灌裝操作。

1.2基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)灌裝系統方案

系統方案如圖1所示，該系統結構分為3層： 由灌裝電子秤組成的業(yè)務(wù)層；由無(wú)線(xiàn)基站構成的 數據傳輸層；由后臺服務(wù)器構成的數據管理層。

ZigBee通信模塊實(shí)時(shí)接收灌裝秤傳輸的灌裝記 錄,并將灌裝記錄發(fā)送至基站?；精@得服務(wù)器 的令牌后，在一個(gè)時(shí)間片內輪詢(xún)其所管轄的灌裝 秤，若灌裝秤無(wú)線(xiàn)通信模塊有數據要發(fā)送,必須等 待基站的查詢(xún)本機命令才可發(fā)送，否則不作任何 應答?；矩撠煂Σ杉降臄祿M(jìn)行中轉，當有 數據時(shí),主動(dòng)向服務(wù)器上傳。整個(gè)無(wú)線(xiàn)灌裝系統 可以進(jìn)行數據的雙向通信。

2.灌裝電子秤硬件設計

灌裝電子秤負責液化氣瓶條碼的讀取、灌裝過(guò) 程的處理和信息的顯示，并需要將灌裝記錄傳輸到 ZigBee基站。為實(shí)現具有高性能、低功耗、可擴展 的灌裝電子秤,本設計按功能結構模塊化設計，各 模塊既能單獨工作，又方便與主控制器進(jìn)行接口通 信。主控制器是電子灌裝秤的核心,其性能好壞也 直接決定了整個(gè)灌裝系統性能,經(jīng)對比選擇NXP LPC2388作為主控制器，該器件是基于 ARM7TDMI-S內核的處理器，具有USB控制器、 SPI、I2C及UART接口等豐富的外設,可以滿(mǎn)足灌 裝電子秤的需求。硬件整體結構如圖2所示。

2.1Beige通信模塊

ZigBee通信模塊設計選用TI公司新推出的 符合IEEE802. 15.4標準的系統級芯片CC2530。 圖3所示為基于CC2530的通信模塊電路。 CC2530作為SoC,內部集成了一個(gè)高性能的4GHz的RF收發(fā)器和一個(gè)優(yōu)化的低功耗8051微控制器內核,并且具有強大豐富的外設，以此設 計的通信模塊既可獨立工作，又可通過(guò)UART接 口與LPC2388主控制器通信。ZigBee通信模塊 無(wú)需對收發(fā)的數據進(jìn)行協(xié)議解析，實(shí)現了 LPC2388的透明傳輸。

2.2稱(chēng)重模塊

稱(chēng)重功能是液化氣灌裝電子秤的核心功能。 稱(chēng)重模塊拋開(kāi)傳統傳感器+ AD轉換器的方案，使 用獨立微處理器構造稱(chēng)重模塊。設計中選用混合 信號單片機C8051F350，其內部自帶有一個(gè)高性 能的全差分24位的Sigmn-Delta ADC,具有片內 校準功能，集成的可編程增益提髙了采集系統的 穩定性和精確性。C8051F350為32引腳的LQFP 封裝，尺寸為9. 0mm x 9. 0mm x 1. 6mm，可以使稱(chēng) 重模塊的體積和重量最小化。

稱(chēng)重模塊的微處理器負責重量數據的轉換、 清零及標定等實(shí)際操作，與灌裝秤主控制器間以 UART接口進(jìn)行通信，主控制器只需發(fā)送相應的 命令即可自行操作。稱(chēng)重模塊的電路如圖4所 示。壓力傳感器選用L6G-C3-200KG-3G6，其量程 為200kg,最大檢定分度數為3 000個(gè)分度，輸出 靈敏度為2.0 ±0.2mV/V，激勵電壓5 ~12V，滿(mǎn) 足液化氣灌裝功能。傳感器差分信號通過(guò)AIN + 和AIN-引人

2.3 USB存儲模塊

在液化氣灌裝過(guò)程中，對氣瓶身份的識別是 氣瓶充裝信息化管理的重要保證。目前通用的 做法是使用便攜式掃描器逐個(gè)掃描待裝氣瓶條 碼，由通信模塊將條碼數據發(fā)送至服務(wù)器獲取氣 瓶檔案數據，再通過(guò)通信模塊下發(fā)至灌裝秤內。

每次在灌裝前都存在通信過(guò)程，從而增加了灌裝 時(shí)間，另外在通信失敗的情況下失效。由于考慮 到應用于嵌人式系統中存儲芯片容量已經(jīng)滿(mǎn)足要 求，在保留傳統方案基礎上，設計了 USB存儲方 案，從而提髙了灌裝的性能。

USB存儲電路如圖5所示。LPC2388內部具 有兼容USB2.0協(xié)議的控制器，為USB接口設計 提供方便。采用K9FXX08系列NAND FLASH芯 片存儲氣瓶檔案數據,氣瓶檔案數據可以實(shí)現單 個(gè)或批量更新，通過(guò)USB主機接口讀取存放于 USB存儲設備中的文件寫(xiě)人FLASH芯片中，當灌 裝前掃描氣瓶條碼后直接從FLASH中讀取氣瓶 檔案數據。灌裝過(guò)程中ZigBee通信不正常時(shí)，灌 裝記錄也存放于FLASH內，待下次通信恢復后再上傳至服務(wù)器。

3.通信協(xié)議設計

液化氣灌裝電子秤的通信協(xié)議涉及電子秤中 ZigBee通信模塊與基站的通信協(xié)議和主控制器與 稱(chēng)重模塊的通信協(xié)議兩部分。

3.1ZigBee通信模塊與基站通信

ZigBee通信模塊與基站間主要包含以下兩大 通信過(guò)程：

a.請求分配灌裝秤地址。ZigBee通信模塊 在上電后，產(chǎn)生隨機數在等待第N次基站巡檢 命令后，向基站發(fā)請求分配灌裝秤地址命令（附 加上隨機驗證碼），基站會(huì )將當前未分配的灌裝 秤號分配給請求灌裝秤,灌裝秤接收成功且驗證 碼與請求的驗證碼一致后，灌裝秤以此地址與基 站通信。

b.灌裝秤發(fā)送灌裝數據?；疽詮V播方式 向灌裝秤發(fā)送查詢(xún)命令,命令中包含要査詢(xún)的灌 裝秤地址。灌裝秤如果有數據要發(fā)送，則等待直 到接收到針對自己的一幀查詢(xún)命令后，將灌裝信 息發(fā)送,并等待基站應答，若未收到基站的肯定應 答，則等待下次基站査詢(xún)再次發(fā)送。

ZigBee通信模塊與基站通信幀設計格式為： 幀起始符(2Byte) +基站地址（1 Byte) +命令 碼（lByte) +數據長(cháng)度（lByte) +灌裝秤地址 (lByte) + 數據塊（nByte) + CRC16(2Byte)

3.2LPC2388與稱(chēng)重模塊通信

灌裝電子秤主控制器LPC2388通過(guò)串口接 收稱(chēng)重模塊發(fā)送的液化氣瓶重量數據,頻率為每 100ms—次。具體通串口通信信幀格式為：

幀起始符（lByte) +重量l(3Byte) +重量2 (3 Byte) + 秤標志（lByte) + 校驗碼（lByte)其中重量1數據為以0. lkg為單位的重量 值;重量2數據為以lg為單位的重量值；秤標志 字節中各位分別表示重量信息標志，各位標志含 義見(jiàn)表1。

4.系統軟件設計

液化氣電子灌裝秤軟件按層次化設計，軟件 架構如圖6所示。

系統軟件分為3層結構：

A.應用層。按主要功能分為4大模塊，用于 液化氣灌裝過(guò)程的實(shí)施和用戶(hù)交互。用戶(hù)界面模 塊，負責LCD顯示灌裝信息以及對用戶(hù)操作的響 應;定時(shí)模塊，負責LCD屏幕刷新、電源的監控及 稱(chēng)重模塊狀態(tài)監測等;灌裝模塊，負責對重量閥值 的監視、灌裝的速度計算及灌裝狀態(tài)的判斷等;通 信模塊，負責將灌裝數據傳輸到ZigBee通信模塊 中。

b.系統功能層。用于向應用層提供系統功 能調用。

驅動(dòng)層。用于向上層提供對硬件的底層 操作。

系統軟件實(shí)施采用嵌人式實(shí)時(shí)操作系統 ucos-n，其內核精簡(jiǎn)，多任務(wù)管理功能完善，實(shí) 時(shí)性能好，能較好地滿(mǎn)足該系統對實(shí)時(shí)性、穩定 性和可靠性要求。系統軟件設計了以下5個(gè)任 務(wù)：

顯示任務(wù)。定時(shí)查詢(xún)LCD上顯示的內容 有無(wú)更新，如果更新則讀取相關(guān)消息，如秤臺重 量、時(shí)鐘時(shí)間及用戶(hù)按鍵等刷新LCD屏。

消息處理任務(wù)。周期性讀取各模塊，如稱(chēng) 重模塊、ZigBee通信模塊、鍵盤(pán)及電源模塊等產(chǎn)生 的消息，對消息進(jìn)行轉換處理后，向對應的外設分 發(fā)處理后的消息。當然，鍵盤(pán)掃描也包含在該任 務(wù)中。

C.稱(chēng)重處理任務(wù)。讀取稱(chēng)重模塊發(fā)來(lái)的數 據,轉換成相應的重量消息。稱(chēng)重模塊每100mS 發(fā)送一次數據，所以該任務(wù)采用阻塞模式，等待稱(chēng) 重模塊中斷發(fā)來(lái)的郵箱消息后執行。

d.通信處理任務(wù)。實(shí)現對ZigBee通信模塊 數據的收發(fā)功能,包含發(fā)送灌裝信息記錄、分析基 站發(fā)來(lái)。

的數據及命令等功能。該任務(wù)等待ZigBee 通信串口中斷發(fā)來(lái)的郵箱消息后執行。

e.USB處理任務(wù)。負責讀取USB存儲設備 數據文件的讀取和解析，并將氣瓶檔案信息寫(xiě)人 FIASH中。該任務(wù)等待USB接口中斷發(fā)來(lái)的郵 箱消息后執行。

5.結束語(yǔ)

筆者設計的基于ZigBee技術(shù)與ARM平臺的 液化氣灌裝電子枰，精度為50g,灌裝方式多樣、 功能完善可靠、灌裝時(shí)間短、用戶(hù)界面友好，操作 人員無(wú)需專(zhuān)門(mén)培訓即可進(jìn)行灌裝操作。該系統已 成功應用于常州市某液化氣灌裝站，實(shí)踐證明，該 電子秤具有較好的應用推廣價(jià)值。下一步筆者打 算將繼續對系統性能進(jìn)行提高，諸如使用嵌入式 數據庫來(lái)存儲和管理氣瓶檔案數據，優(yōu)化灌裝到 量切斷控制算法等。