基于ESP—WROOM—02的便携式WiFi—Zigbee信号转换器的设计

曹庆年+杨宇能+孟开元

摘要：针对在油田现场对仪表的检测与配置的需求，提出了一种适用于油田现场使用的便携式WiFi-Zigbee转换器。该转换器基于WiFi与Zigbee两种无线通信方式，移动手持设备通过接入转换器搭建的WiFi网络，从而对接入转换器搭建的Zigbee網络的仪表实现仪表数据查看，仪表配置等功能。配合移动终端设备上的软件系统，可以实现手持设备对仪表状态的检测以及配置等功能。由于其采用便携式设计以及无线方式的接入，简化了现场仪表安装、配置以及故障检测等流程。

关键词：WiFi；Zigbee；转换器

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）31-0211-02

无线仪表技术是一种新兴的、面向设备间短程、低速率信息交换的无线通讯技术，通过各种无线通信技术如Zigbee、LoRa等的发展，已经具有了较强的抗干扰能力，并且能够具有低功耗特征，能够适应恶劣的工业现场[1-2]。与有线仪表相比较，投入成本更低，布线相对简化，与传统（4-20）mA有线仪表相比，无线仪表在每个节点可节省30%的费用[3]。

抽油机控制系统和各类仪表为油田的生产带来了极大的便利，为油田实现远程监测和控制提供了基础[4]。随着无线仪表技术在油田的应用，在油田现场针对仪表的安装、检测以及配置过程也出现了新的问题。在油田进行现场作业时，技术人员必须携带RTU以及串口线等设备通过有线方式进行与仪表的连接，而仪表的Zigbee信号无法直接与计算机或手持移动设备（如手机、PAD等）进行通信。针对这些问题，本文提出了一种基于ZigBee与WiFi的无线信号转换器，该系统通过Zigbee模块接入仪表，将其转换为串口信号，其再通过ESP-WROOM-02模块将接收到的串口信号转换为WiFi信号发送到已连接的计算机或移动设备端，以检测仪表状态，同时也能将计算机或移动设备端的配置命令发送给仪表，完成配置工作。由于使用无线方式接入，为现场技术人员进行仪表安装、检测以及配置提供了极大的便利。

1 油田无线仪表配置整体过程

使用该转换器的仪表配置系统主要是实现Zigbee网络协议与WiFi网络协议下的数据的转换[5]，从而实现计算机或移动设备端到仪表端接入的无线化，使得现场人员能够使用现有设备更加方便快捷的接入仪表进行作业。其设计框图如图1所示。

该系统总体包括两部分，负责处理WiFi信号与Zigbee信号转换的转换器部分与移动终端设备与计算机上的上位机软件部分。其中，由上位机软件作为用户接口，负责工作命令的发送以及数据显示等功能；WiFi-Zigbee转换器作为该系统的重要组成部分，负责移动段到仪表间传输链路的建立，具体有WiFi网络的搭建，Zigbee网络的搭建，以及两种信号的转化工作[6-8]。

2 便携式WiFi-Zigbee转换器的设计

该转换器的核心部分由WiFi模块与Zigbee模块组成。并具有电池供电与USB电源供电两种供电方式，并可以实现在USB供电时对电池充电的功能。其内部框图如图2所示。

由于选用的ESP-WROOM-02模组以及XBee-PRO模组具有高度集成化的特点，其体积更小，配合PCB板载天线的使用以及合理的PCB布局，转换器实现了一种便携式设计，其成品的整机外形为方形，大小为70mm*90mm *30mm，易于携带。

2.1 WiFi模块

WiFi模块选用集成ESP8266EX芯片的贴片式模组ESP-WROOM-02。该模组基于802.11 b/g/n无线标准，封装大小为18mm*20mm*3mm，支持UART、HSPI、I2S、I2C等硬件接口，并能够实现WiFi信号与上述硬件接口信号的透明转换，本设计使用UART接口，用于与Zigbee模块通信。该模块自带PCB板载天线，通信距离为30m，支持AT指令便于软件配置，并且具有Station与SoftAP模式，本设计使用SoftAP模式用以搭建WiFi网络。

2.2 Zigbee模块

Zigbee模块选用DIGI公司生产的XBee-PRO无线射频模块。该模块在室内室内可视通信距离可达100米，可工作频段为2.4GHz、900MHz与868MHz三种，并同时可兼容802.15.4协议[7]。该模块支持SPI与UART硬件接口，可以实现Zigbee信号与上述接口信号的透明转换，并且支持AT与API命令模式。由于该模块同时支持协调器与终端功能，使用该模块可以大大增加其泛用性。

2.3 供电电路设计

供电电路使用USB接口，具有更好的泛用性，二极管D1与D2保证了在使用USB供电同时对锂离子电池充电，在USB不供电时使用单节锂离子电池供电的功能，其电路图如图3所示。

如图所示，J1，J2为两个USB母口，分别为USB Type-A与Micro USB接口（对应手机充电线），USB接口可以为电路提供5V电源。

TP4056为一款完整的单节锂离子电池采用恒定电流/恒定电压线性充电器，其采用内部PMOSFET架构以及防倒充电路，所以不需要外部二极管隔离，充电电压固定于4.2V，二充电电流可以通过电阻器惊醒外部设置，当充电电流达到最终浮充电呀之后降至设定值1/10时，TP4056自动停止充电循环。当JP2接通，J1或J2接通5V电源时，由外部USB供电，二极管D1、D2保证由电源供电同时由TP4056芯片负责为内置单节锂离子电池充电。而当外部5V电源没有接通时，TP4056自动进入低电流状态，将电池漏电流降至2uA以下，此时由电池进行供电。

TPS62056为德州仪器生产的高性能同步稳压器芯片，其标准输出电压为3.3V，输入电压范围为-0.3-11V。当JP2接通时，外部电源通过该芯片稳压输出为3.3V电源。其在电路中的作用为保证在USB供电（5V）与电池供电（3.7-2.5V）的情况下，WiFi模块与Zigbee模块能够拥有稳定的3.3V电压。

3 信号转换流程

转换器能够通过UART接口作为中介，实现Zigbee信号与WiFi信号的相互转换。以WiFi转Zigbee为例，首先移动设备或计算机通过WiFi接入转换器，此时转换器中WiFi模块为AP模式，负责WiFi网络的组建以及移动设备或计算机的接入。当移动端接入WiFi网络后，命令由上位机软件发出，通过天线由ESP-WROOM-02接收，在内部由主控芯片ESP8266EX解析并转换为串口信号，以TTL逻辑电平的形式传输至XBee-PRO模块，该模块在Zigbee网络中为协调器模式，负责组建Zigbee网络以及无线仪表接入，在接收到串口信号后，该模块将接收到的信号转换为Zigbee信号，通过天线发送至接入Zigbee网络的仪表端，从而完成WiFi-Zigbee信号转换。反向传输过程类似。整個传输过程中，只需要两模块的TXD与RXD相连。

4 测试

测试前使用AT命令对相关模块进行配置，WiFi模块使用TCP协议，配置于SoftAp模式，串口波特率设置为115200；Zigbee模块设置为协调器模式，波特率设置为115200。测试时采用配套上位机程序，打开转换器后打开仪表，并用计算机搜索转换器WiFi接入点，连接后发送指令并可以成功获取仪表信息如计数、休眠时间、设备代码等。

5 结束语

本文以ESP-WROOM-02模块以及XBEE-PRO模块为核心，设计了便携式WiFi-Zigbee转换器。该转换器可用于油田现场无线仪表的检查以及调试，实现了WiFi网络与Zigbee网络的无缝转换，并且电路设计使其具有外部供电与内部电源供电两种供电模式，使现场使用时更加可靠，并且两种无线协议的使用实现了在井场范围内的设备远距离连接，在避免了近距离的人机接触保证安全的同时为设备的调试和监测带来了极大方便，提高了工作效率。同时由于使用WiFi方式连接手持端设备与计算机，对该设备的内部供电模式以及抗干扰能力提出了新的要求，如何优化耗电量以及抗干扰将需要进一步研究。

参考文献：

[1]Jin-Shyan Lee，Yu-Wei Su，Chung-Chou Shen.A Comparative Study of Wireless Protocols： Bluetooth， UWB， ZigBee， and Wi-Fi[C]. The 33rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society（IECON），2007：46-51

[2]Nick Baker. ZigBee and Bluetooth Strengths and Weaknesses for Industrial Application[J]. Computing & Control Engineering Journal， 2005，16：20-25

[3] 曲涛.工业无线仪表在油气行业的应用[J].科技创新与应用，2012，9：6-7.

[4]王雅荟，杨雷鹏，范蟠果.基于ZigBee技术的油田远程监控系统设计[J].计算机测量与控制，2013，21（2）：374-376

[5] 张毅，吴锦，罗元，等.新型 ZigBee-WiFi 无线网关的设计及其抗干扰技术的研究[J].计算机应用与软件，2014（5）：123-124.

[6] 籍锦程，王峰，李健伟，等.基于ZigBee-WiFi混合网络的煤矿井下多参数传感器系统设计[J].中国煤炭，2015（5）：82-85.

[7] 孟开元，王露瑶，曹庆年. 油田多功能ZigBee信号转换器设计与应用[J]. 西安石油大学学报：自然科学版，2015（2）：107-110.

[8] 曹庆年，刘畅，孟开元. 基于ZigBee和WiFi的油田无线监测系统设计[J]. 西安石油大学学报：自然科学版，2015（3）：100-104.