基于ZigBee的配气装置无线通信系统设计

卢亚娟 崔瑞超 司静静

摘 要：本文根据多组分动态配气装置工作原理，采用ZigBee技术，设计出一套可对配气装置进行近距离无线操作的通信系统。该系统以STM32作为控制核心，CC2420芯片作为射频、发送接收模块，完成了协调器、终端控制器、显示模块的设计。现场试验表明，该系统可以近距离控制配气装置，从而实现对气体种类和参数的设定，连续配制并输出浓度值持续可调的混合标准气体，减轻了检定人员的工作强度。

关键词：ZigBee;配气装置;无线操作

中图分类号：TN92文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）35-0015-03

Abstract： Based on the working principle of the multi-component dynamic gas distribution device， this paper used ZigBee technology to design a communication system that can perform short-range wireless operation of the gas distribution device. The system uses STM32 as the control core， and CC2420 chip as the radio frequency， transmitter and receiver module， thus completing the design of the coordinator， terminal controller and display module. Field tests have shown that the system can control the gas distribution device at close range， thereby realizing the setting of gas types and parameters， continuously preparing and outputting mixed standard gases with continuously adjustable concentration values， and reducing the work intensity of the inspectors.

Keywords： ZigBee;gas distribution device;wireless operation

气体探测器和分析仪在长时间工作后，精度往往会下降，通常通过一定的配气装置对气体探测器或分析仪进行检定，经过多年的发展和完善，基于质量流量控制法的多组分动态配气装置逐渐成为配气装置设计的主流[1-2]。目前，气体探测器的检定大多采用离线周期送检的方式，将探测器拆卸掉进行检定。但是，被检定仪器工作环境恶劣，不便人员来回走动。同时，检定仪器又需要多次修改配气装置参数，给检定人员带来较大的工作量，检定效率不高[3]。针对此问题，本文设计一套带近距离无线通信系统的配气装置，可提高仪器检定效率。

1 配气装置的工作原理

如图1所示，该配气装置主要由流量控制器、PC机及人机界面、A/D和D/A接口卡构成，其中A/D和D/A接口卡通过USB接口與PC机及人机界面连接。

PC机及人机界面主要完成人机交互的功能，运行动态多组分配气系统程序。检定员通过人机界面将参数设定以后，PC机将参数通过USB接口交由单片机处理后送往接口卡的D/A单元，单片机控制输出调整流量控制开度的信号，实现控制气体流量的功能。同时，A/D模块接收流量控制器的流量信号，经A/D转换后，通过USB接口将数据送到PC机显示，进行流量的实时监控。单片机会根据流量信号计算出实时流量并通过PC机显示。单片机还会比对实际流量测量值和预先设定值，根据比对结果进一步调整流量控制器的开度，此过程反复进行，直到实际流量测量值对象的实际浓度与设定浓度在允许的误差范围内。

系统采用带USB接口的A/D和D/A接口卡进行流量监控。配气装置通过USB通信模块来实现数据的双向传输，USB通信模块与接口卡中的单片机之间通过总线读写进行数据交换。A/D转换模块、D/A转换模块以及USB通信模块均被单片机控制并完成相应的功能，单片机内部具有A/D和D/A数据缓冲区，满足数据处理的需要。在各个模块的协调工作下，高浓度标准气体与稀释气体进行混合，从而输出满足设定浓度要求的标准气体。

2 无线通信系统的硬件设计

该系统的核心部件为两个ZigBee无线通信模块，其中一个通信模块作为手持终端用来设定各种参数，另一个通信模块用来接收手持终端发送的数据，并由配气装置处理后执行相应的操作。具体工作时，配气装置可以与待检定的气体探测器以及手持终端保持一定距离，通过手持终端控制配气装置输出相应浓度的气体，配气装置上设置有一定长度的气管，配气装置输出的标准气体通过该气管输送给气体探测器，从而对气体探测器进行检定。

2.1 系统总体实现方案设计

ZigBee是新兴的短距离双向无线通信技术，成本低，应用便利，且能满足现场检定环境的要求，因此，本文选用ZigBee技术进行无线近距离通信。如图2所示，该系统具有两个ZigBee无线通信模块，这两个ZigBee模块配合工作。一个用于发送数据，位于手持终端，与键盘电路和LCD显示电路连接，键盘电路和LCD显示主要用于人机交互;一个用于接收数据，位于配气装置上，接收手持终端发送的数据，将数据发送给配气装置的单片机，完成数据通信。

2.2 ZigBee通信模块的硬件设计

本文设计的近距离无线通信系统中，基于ZigBee的无线通信系统主要包括微处理器模块、电源模块、JTAG调试模块和射频芯片CC2420模块。

2.2.1 微处理器模块。通信系统选用STM32作为主控芯片，完成系统的控制操作，包括数据的传递处理、控制协调各个模块间配合完成通信工作等。本文中，STM32主控芯片具体为STM32103ZET6，STM32103ZET6具有丰富的外设资源，大大简化了电路设计工作，并且具有较强的信号处理能力和抗干扰能力。通信系统位于配气装置时，单片机接收处理数据后将其发送给配气装置，位于手持终端时，单片机将处理后的数据传送给LCD屏进行显示。

2.2.2 電源管理模块。主控芯片STM32103ZET6可以采用干电池供电，也可以采样5 V电源供电。该无线通信系统位于手持终端时，手持终端所处环境较恶劣，因此选用干电池串联供电，再通过稳压器TPS76833转换为3.3 V的电信号，给CC2420芯片供电。接收端与配气装置相连接，与配气装置采用220 V交流供电。该无线通信系统位于配气装置时，采样电源适配器和电压转换器将交流电转化为5 V电信号为主控芯片供电，并进一步转换为3.3 V，为射频芯片供电，有效保证系统稳定工作。

2.2.3 CC2420射频芯片模块。CC2420射频芯片主要用于接收和发送数据，由CC2420芯片和外围电路构成，CC2420射频芯片采用SPI接口与主控芯片进行通信，完成数据的接收与发送。CC2420自身内部集成了8051内核、无线收发模块等，因此，在进行电路设计时，不需要复杂的外围电路设计，就可以构成一个完整的无线近距离通信的数据收发系统。电路设计简单，因此缩短了项目周期，提高了系统的可靠性。

2.2.4 JTAG调试接口模块。JTAG调试接口模块负责将编译后的文件下载到射频芯片中，对系统进行软件仿真和硬件电路的调试。

3 无线通信系统的软件设计

手持终端部分的通信系统主要接收键盘输入的气体种类、气体浓度和流量等信息，再通过ZigBee通信模块将数据发送给与配气装置连接的无线通信模块，软件部分需要在系统上电后对微处理器STM32、射频芯片CC2420以及接口进行初始化，微处理器时刻检测键盘电路是否有数据输入，有数据输入后，微处理器处理并控制LCD屏进行显示，并通过射频芯片将信息数据发送至与配气装置连接的射频芯片。手持终端软件设计流程如图3所示。

与配气装置连接的接收终端负责接收来自手持终端发送的数据，并根据接收的数据执行相应操作。系统上电后，先进行初始化。初始化完成后，实时扫描手持终端是否有数据发送，若检测到数据，则将接收的数据交由配气装置处理并完成相应操作。配气装置接收终端软件设计流程如图4所示。

4 仪器现场检定性能分析

在进行现场试验时，多组分动态配气装置中，A路通入高纯氮气，C路通入浓度为2.99%（mol/mol）的国家一级甲烷标准气体。选取其与配气装置的通信距离分别为5、10、30、50、70、85 m，得到试验数据如表1所示。不考虑由气体分析仪器带来的误差，可得到仪器的相对误差小于2%，满足相关国家标准。

5 结论

经过现场大量试验与应用，这种基于ZigBee近距离无线通信技术设计的智能气体配气装置具有精度高、响应速度快、通信距离远，操作简单和性能稳定等优点。其改善了当前的配气装置操作方式，提高现场检定仪器的工作效率，减少了操作人员的工作强度，具有很好的应用前景。随着近距离无线通信技术的不断革新，配气装置的无线通信性能也会有进一步的提升。

参考文献：

[1]北京七星华创电子股份有限公司.CS系列气体质量流量控制器/流量计[J].中国集成电路，2009（2）：52-55.

[2]王东丽，陈传岭，朱茜，等.便携式智能气体配气装置的设计[J].计量技术，2013（7）：46-51.

[3]蒋挺，赵成.ZigBee技术及其应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2006：16-19.