介绍了基于ZigBee技术与ARM处理器的新型液化气灌装电子秤。硬件电路采用模块化设 计，提高了灌装控制精度与可靠性。经实际应用证明，该新型液化气灌装电子秤具有良好的应用推广价值。
随着现代工业信息化水平的提高,在液化气灌 装领域,一方面灌装秤需要操作使用方便、安全可 靠，另一方面对于灌装过程信息记录要求实时存 储,后台监控⑴，以方便管理,从而对灌装秤通信功 能提出了更高的要求。液化充装气站等场合是带 有危险性的防爆场合，安装和铺设管线复杂，施工 难度大，安装维护困难，目前的灌装电子秤操作较 为复杂，灌装秤的各部件之间耦合性强，维护升级 不便。为了更好地满足液化气灌装电子秤的实际 要求，笔者设计了一种以ARM处理器为核心，以 ZigBee为通信方式的新型液化气灌装电子秤。
1基于ZigBee的液化气电子灌装系统原理
1.1ZigBee无线网络特点
在短距离无线通信领域，常用的技术有Blue- tooth、Wi-Fi等。它们各有优势，但同时也存在着 局限性，比如Wi-Fi功耗大，蓝牙传输距离短。为 了弥补现有通信技术的不足，ZigBee联盟推出了 基于 IEEE802. 15.4 的 ZigBee 协议。ZigBee 无线 网络技术具有以下主要特点：
a.功耗低。在休眠模式下，两节五号干电池 可支持一个节点工作6 ~24个月左右，这是Zig- bee的突出优势。
b.速率低。专注于低传输应用，数据传输率 只有 10 ~250kb/s。
C.时延低。对时延敏感的应用做了优化，通 信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。通常 时延都在15 ~30ms。
d.距离短。有效覆盖范围在10 ~ 100m之 间，但是可以扩展到数百米，具体依据实际发射功 率的大小和各种不同的应用模式而定。
e.成本低。ZigBee数据传输速率低,协议简 单，且ZigBee协议免收专利费，大大降低了成本。
ZigBee技术具有的“四低一短”的特点使其 特别适合于液化气站的灌装操作。
1.2基于ZigBee的无线灌装系统方案
系统方案如图1所示，该系统结构分为3层： 由灌装电子秤组成的业务层；由无线基站构成的 数据传输层；由后台服务器构成的数据管理层。
ZigBee通信模块实时接收灌装秤传输的灌装记 录,并将灌装记录发送至基站。基站获得服务器 的令牌后，在一个时间片内轮询其所管辖的灌装 秤，若灌装秤无线通信模块有数据要发送,必须等 待基站的查询本机命令才可发送，否则不作任何 应答。基站负责对采集到的数据进行中转，当有 数据时,主动向服务器上传。整个无线灌装系统 可以进行数据的双向通信。
2.灌装电子秤硬件设计
灌装电子秤负责液化气瓶条码的读取、灌装过 程的处理和信息的显示，并需要将灌装记录传输到 ZigBee基站。为实现具有高性能、低功耗、可扩展 的灌装电子秤,本设计按功能结构模块化设计，各 模块既能单独工作，又方便与主控制器进行接口通 信。主控制器是电子灌装秤的核心,其性能好坏也 直接决定了整个灌装系统性能,经对比选择NXP LPC2388作为主控制器，该器件是基于 ARM7TDMI-S内核的处理器，具有USB控制器、 SPI、I2C及UART接口等丰富的外设,可以满足灌 装电子秤的需求。硬件整体结构如图2所示。
2.1Beige通信模块
ZigBee通信模块设计选用TI公司新推出的 符合IEEE802. 15.4标准的系统级芯片CC2530。 图3所示为基于CC2530的通信模块电路。 CC2530作为SoC,内部集成了一个高性能的4GHz的RF收发器和一个优化的低功耗8051微控制器内核,并且具有强大丰富的外设，以此设 计的通信模块既可独立工作，又可通过UART接 口与LPC2388主控制器通信。ZigBee通信模块 无需对收发的数据进行协议解析，实现了 LPC2388的透明传输。
2.2称重模块
称重功能是液化气灌装电子秤的核心功能。 称重模块抛开传统传感器+ AD转换器的方案，使 用独立微处理器构造称重模块。设计中选用混合 信号单片机C8051F350，其内部自带有一个高性 能的全差分24位的Sigmn-Delta ADC,具有片内 校准功能，集成的可编程增益提髙了采集系统的 稳定性和精确性。C8051F350为32引脚的LQFP 封装，尺寸为9. 0mm x 9. 0mm x 1. 6mm，可以使称 重模块的体积和重量最小化。
称重模块的微处理器负责重量数据的转换、 清零及标定等实际操作，与灌装秤主控制器间以 UART接口进行通信，主控制器只需发送相应的 命令即可自行操作。称重模块的电路如图4所 示。压力传感器选用L6G-C3-200KG-3G6，其量程 为200kg,最大检定分度数为3 000个分度，输出 灵敏度为2.0 ±0.2mV/V，激励电压5 ~12V，满 足液化气灌装功能。传感器差分信号通过AIN + 和AIN-引人
2.3 USB存储模块
在液化气灌装过程中，对气瓶身份的识别是 气瓶充装信息化管理的重要保证。目前通用的 做法是使用便携式扫描器逐个扫描待装气瓶条 码，由通信模块将条码数据发送至服务器获取气 瓶档案数据，再通过通信模块下发至灌装秤内。
每次在灌装前都存在通信过程，从而增加了灌装 时间，另外在通信失败的情况下失效。由于考虑 到应用于嵌人式系统中存储芯片容量已经满足要 求，在保留传统方案基础上，设计了 USB存储方 案，从而提髙了灌装的性能。
USB存储电路如图5所示。LPC2388内部具 有兼容USB2.0协议的控制器，为USB接口设计 提供方便。采用K9FXX08系列NAND FLASH芯 片存储气瓶档案数据,气瓶档案数据可以实现单 个或批量更新，通过USB主机接口读取存放于 USB存储设备中的文件写人FLASH芯片中，当灌 装前扫描气瓶条码后直接从FLASH中读取气瓶 档案数据。灌装过程中ZigBee通信不正常时，灌 装记录也存放于FLASH内，待下次通信恢复后再上传至服务器。
3.通信协议设计
液化气灌装电子秤的通信协议涉及电子秤中 ZigBee通信模块与基站的通信协议和主控制器与 称重模块的通信协议两部分。
3.1ZigBee通信模块与基站通信
ZigBee通信模块与基站间主要包含以下两大 通信过程：
a.请求分配灌装秤地址。ZigBee通信模块 在上电后，产生随机数在等待第N次基站巡检 命令后，向基站发请求分配灌装秤地址命令（附 加上随机验证码），基站会将当前未分配的灌装 秤号分配给请求灌装秤,灌装秤接收成功且验证 码与请求的验证码一致后，灌装秤以此地址与基 站通信。
b.灌装秤发送灌装数据。基站以广播方式 向灌装秤发送查询命令,命令中包含要査询的灌 装秤地址。灌装秤如果有数据要发送，则等待直 到接收到针对自己的一帧查询命令后，将灌装信 息发送,并等待基站应答，若未收到基站的肯定应 答，则等待下次基站査询再次发送。
ZigBee通信模块与基站通信帧设计格式为： 帧起始符(2Byte) +基站地址（1 Byte) +命令 码（lByte) +数据长度（lByte) +灌装秤地址 (lByte) + 数据块（nByte) + CRC16(2Byte)
3.2LPC2388与称重模块通信
灌装电子秤主控制器LPC2388通过串口接 收称重模块发送的液化气瓶重量数据,频率为每 100ms—次。具体通串口通信信帧格式为：
帧起始符（lByte) +重量l(3Byte) +重量2 (3 Byte) + 秤标志（lByte) + 校验码（lByte)其中重量1数据为以0. lkg为单位的重量 值;重量2数据为以lg为单位的重量值；秤标志 字节中各位分别表示重量信息标志，各位标志含 义见表1。
4.系统软件设计
液化气电子灌装秤软件按层次化设计，软件 架构如图6所示。
系统软件分为3层结构：
A.应用层。按主要功能分为4大模块，用于 液化气灌装过程的实施和用户交互。用户界面模 块，负责LCD显示灌装信息以及对用户操作的响 应;定时模块，负责LCD屏幕刷新、电源的监控及 称重模块状态监测等;灌装模块，负责对重量阀值 的监视、灌装的速度计算及灌装状态的判断等;通 信模块，负责将灌装数据传输到ZigBee通信模块 中。
b.系统功能层。用于向应用层提供系统功 能调用。
驱动层。用于向上层提供对硬件的底层 操作。
系统软件实施采用嵌人式实时操作系统 ucos-n，其内核精简，多任务管理功能完善，实 时性能好，能较好地满足该系统对实时性、稳定 性和可靠性要求。系统软件设计了以下5个任 务：
显示任务。定时查询LCD上显示的内容 有无更新，如果更新则读取相关消息，如秤台重 量、时钟时间及用户按键等刷新LCD屏。
消息处理任务。周期性读取各模块，如称 重模块、ZigBee通信模块、键盘及电源模块等产生 的消息，对消息进行转换处理后，向对应的外设分 发处理后的消息。当然，键盘扫描也包含在该任 务中。
C.称重处理任务。读取称重模块发来的数 据,转换成相应的重量消息。称重模块每100mS 发送一次数据，所以该任务采用阻塞模式，等待称 重模块中断发来的邮箱消息后执行。
d.通信处理任务。实现对ZigBee通信模块 数据的收发功能,包含发送灌装信息记录、分析基 站发来。
的数据及命令等功能。该任务等待ZigBee 通信串口中断发来的邮箱消息后执行。
e.USB处理任务。负责读取USB存储设备 数据文件的读取和解析，并将气瓶档案信息写人 FIASH中。该任务等待USB接口中断发来的邮 箱消息后执行。
5.结束语
笔者设计的基于ZigBee技术与ARM平台的 液化气灌装电子枰，精度为50g,灌装方式多样、 功能完善可靠、灌装时间短、用户界面友好，操作 人员无需专门培训即可进行灌装操作。该系统已 成功应用于常州市某液化气灌装站，实践证明，该 电子秤具有较好的应用推广价值。下一步笔者打 算将继续对系统性能进行提高，诸如使用嵌入式 数据库来存储和管理气瓶档案数据，优化灌装到 量切断控制算法等。
