由于受到石油矿井工作规程限制，为了使压力表方便操作，采用ZigBee模块间无线通信方式，实现标定 软件与压力表的数据传输，校正压力表传感器的精度，保证计量的准确性。这就要使基于数据链路层的Modbus协 议与基于网络层的API模式下ZigBee进行通信，采用在Modbus的基础上加上API的协议层的方法来实现。实验 结果表明，无线通信模式提高了传输数据的准确性。

1.引言

石油气井压力表头用于采集气井的压力、温度等数据。压力表头内部有传感器，故需要用压力表标定软件来 校正压力表传感器的精度，保证压力表计量的准确性。但是由于受到石油矿井工作规程限制，压力表工作时完全 处于密封状态，压力表与采集中心是通过ZigBee传感器无线网络实现数据通信。之前的标定软件以有线的方式 连接压力表，这样标定时就需要暂停压力表工作，将工作现场压力表拆下并换上另一个表，然后将此压力表带回 标定办公室标定拆封，标定完成后工作人员再将此压力表放回到工作现场。一般情况下标定办公室与工作现场 路程遥远，来来回回不仅耗费工作人员的时间，而且拆封压力表接线也比较麻烦。基于此，直接通过ZigBee无线 通信方式，实现标定软件与压力表的数据传输，从而实现标定工作，这样一来工作人员即可在现场在线方式下实 现对压力表的标定，无需任何设备拆装，标定完成后即可使用。

研究基于ZigBee技术设计了一种新型的压力表标定通讯系统。

2.ZigBee技术概述

ZigBee是IEEE 802. 15.4协议的代名词，根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术， 其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。ZigBee技术还具有较高的可靠性和安全 性。它在MAC(Media Access Control)层米用了 talk-whemready的碰撞避免机制，在这种完全确认的数据传输机制下，当有数据传送需求时则立刻传送，发送的每个数据包都必须等待接收方的确认信息，并进行确认回复，若没 有得到确认信息的回复，就表示发生碰撞，将再传一次;ZigBee提供了基于循环冗余校验CRC的数据包完整性检 查功能，支持鉴权和认证，采用了 AES-128的加密算法，对所传输的数据信息进行加密处理，各个应用可以灵活 确定其安全属性⑴。ZigBee栈体系结构是基于标准开放网络互联(0SI)七层协议模型，其物理层及MAC层为 IEEE 802. 15.4协议标准定义，网络层为技术联盟制定⑷。ZigBee技术的较低数据速率以及较小通信范围的特 点决定了 ZigBee技术适用于承载数据量较小的业务。简而言之，ZigBee就是一种便宜的、低功耗的近距离无线 组网通讯技术。

3.压力表标定软件设计

3.1设计语言以及运行环境

因为C#语言是微软为.NET Framework平台打造的一门新语言，具有与系统平台无关，与C/C++语言一脉相承、开发周期短、维护容易等优点,所以在Visual Studio 2010集成开发平台上使用C #语言编写和调试程序。 此标定软件的工作环境为PC机下的Windows XP操作系统。

3. 2 ZigBee工作模式

在PC机的RS-232串行通信接口上外接一个RS-232/RS-485转接器,然后与压力表的RS-485端口对接。 压力表的通信协议采用Modbus仪表协议。标定软件通过串行通信对压力表的寄存器实现读和写。当前压力表 使用的ZigBee模块支持透明方式(AT)和应用程序接口（APFApplication Programming Interface)两种操作方式。

前者为缺省操作方式,以字节为单位操作各种信息,后者是以一定格式的数据帧为单位操作各种信息。但由 于AT模式适合在点对点的通信模式,当应用在多点通信时,传输效率极低,所以现如今的压力表都使用API协 议模式。当工作在API模式时,所有进出模块的数据均被包含在定义模块的操作和事件的帧结构中。API操作 要求模块之间采用一种结构化的接口（数据通过一种定义好序列的帧来交互通信来进行通信)进行通信,同时 API规定了通过串口数据帧如何发命令、命令响应以及模块状态信息的传送与接收。

3. 3设计与实现

标准的Modbus是使用RS-232兼容串行接口，定义了连接口的针脚、电缆、信号位、传输波特率、奇偶校验。 控制器能直接或经由Modem组网。原来的标定软件采用Modbus协议是基于数据链路层的通信,而ZigBee的 API模式是网络层的通信。这样就要求在Modbus的基础上加上API的协议层,才能让标定软件实现ZigBee的 顺利通信。ZigBee的API模式帧结构框架如图1所示,数据帧中API标识符cmdID表明cmdData中包含何种数 据。在本程序设计使用的XBee系列2模块中，当cmdID = 0X10时,表明ZigBee传输数据请求;cmdID = 0X90 时,表明ZigBee接受数据包。最后一位的校验码(数据校验和)是用来检验数据的完整性。

在发送信息时,此设计将Modbus协议RTU (远程终端单元)模式发送命令作为帧数据的一部分发送。网 络中所有设备都拥有一个16bit的IEEE地址,用来确 定表号。由于事先不知道压力表头IEEE地址,故首先 PC机通过RS-485串口发送广播信息,此时API帧结构 中的 64 位地址（bytes 6 - 13)是 0x0000000000000000。

PC机ZigBee模块发送广播模式的API帧结构如图2所示。由于此信息包含有Modbus协议,包含表头地址。此压力表头收到广播后,将响应PC机,返回数据,然后 通过PC机上的标定软件程序处理,去掉帧头帧尾,可以获取压力表头的IEEE地址。图3为压力表头中ZigBee 模块接收数据的API结构,可以看到，64位地址(bytes 5 - 12)是0x0013A2004030100B ,即压力表头的IEEE地

址。此时PC机直接发信息给表头的IEEE地址，而不再发送广播，相应的64位地址(bytes 6-13)更改为压力表 头的IEEE地址。PC机ZigBee模块发送地址模式的API帧结构如图4所示。当处于广播模式时，接收到的数据 只占发送数据的1/3，然而发送IEEE地址时，发送的数据都能被接收到。这样一来，大大节省了时间，从而确保 了数据传送的完整性与准确性。整个过程模式如图5所示，此种传输模式属于半双工模式。

在接收数据时，接收数据帧中包含有设备响应数据，经过拆分数据包，获取Modbus协议返回的数据，然后通 过解包、跨线程处理，即可将压力表头的压力、温度、电量等数据在窗口上显示出来。

4.实验测试结果与分析

在Visual Studio 2010集成开发平台上运行程序,结果表明能够完成压力表各项数据的标定。表1是1分钟 接收数据和发送数据大小。

从表1可以看出,改进后的压力表头对数据的接收与发送能力增强了 ,而且无线通信下的地址模式基本上不 存在丢失数据的现象,说明了 ZigBee传输数据的准确性。

5.结束语

提出并设计完成了一种基于ZigBee无线压力表的标定程序,将原有的有线通信方式更改为无线通信方式, 直接实现标定软件与压力表头的数据传输。此设计利用ZigBee技术,采用无线收发设备传输数据,通过传感器 网络直接控制每只压力表的标定,无需专门架线,而且提高了传输数据的准确性。ZigBee作为一种新型的通讯技 术必将在无限传感网络中发挥巨大作用。