基于ESP—WROOM—02的便攜式WiFi—Zigbee信號轉(zhuǎn)換器的設(shè)計

曹慶年+楊宇能+孟開元

摘要：針對在油田現(xiàn)場對儀表的檢測與配置的需求，提出了一種適用于油田現(xiàn)場使用的便攜式WiFi-Zigbee轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器基于WiFi與Zigbee兩種無線通信方式，移動手持設(shè)備通過接入轉(zhuǎn)換器搭建的WiFi網(wǎng)絡(luò)，從而對接入轉(zhuǎn)換器搭建的Zigbee網(wǎng)絡(luò)的儀表實現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)查看，儀表配置等功能。配合移動終端設(shè)備上的軟件系統(tǒng)，可以實現(xiàn)手持設(shè)備對儀表狀態(tài)的檢測以及配置等功能。由于其采用便攜式設(shè)計以及無線方式的接入，簡化了現(xiàn)場儀表安裝、配置以及故障檢測等流程。

關(guān)鍵詞：WiFi；Zigbee；轉(zhuǎn)換器

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）31-0211-02

無線儀表技術(shù)是一種新興的、面向設(shè)備間短程、低速率信息交換的無線通訊技術(shù)，通過各種無線通信技術(shù)如Zigbee、LoRa等的發(fā)展，已經(jīng)具有了較強的抗干擾能力，并且能夠具有低功耗特征，能夠適應(yīng)惡劣的工業(yè)現(xiàn)場[1-2]。與有線儀表相比較，投入成本更低，布線相對簡化，與傳統(tǒng)（4-20）mA有線儀表相比，無線儀表在每個節(jié)點可節(jié)省30%的費用[3]。

抽油機控制系統(tǒng)和各類儀表為油田的生產(chǎn)帶來了極大的便利，為油田實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制提供了基礎(chǔ)[4]。隨著無線儀表技術(shù)在油田的應(yīng)用，在油田現(xiàn)場針對儀表的安裝、檢測以及配置過程也出現(xiàn)了新的問題。在油田進行現(xiàn)場作業(yè)時，技術(shù)人員必須攜帶RTU以及串口線等設(shè)備通過有線方式進行與儀表的連接，而儀表的Zigbee信號無法直接與計算機或手持移動設(shè)備（如手機、PAD等）進行通信。針對這些問題，本文提出了一種基于ZigBee與WiFi的無線信號轉(zhuǎn)換器，該系統(tǒng)通過Zigbee模塊接入儀表，將其轉(zhuǎn)換為串口信號，其再通過ESP-WROOM-02模塊將接收到的串口信號轉(zhuǎn)換為WiFi信號發(fā)送到已連接的計算機或移動設(shè)備端，以檢測儀表狀態(tài)，同時也能將計算機或移動設(shè)備端的配置命令發(fā)送給儀表，完成配置工作。由于使用無線方式接入，為現(xiàn)場技術(shù)人員進行儀表安裝、檢測以及配置提供了極大的便利。

1 油田無線儀表配置整體過程

使用該轉(zhuǎn)換器的儀表配置系統(tǒng)主要是實現(xiàn)Zigbee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與WiFi網(wǎng)絡(luò)協(xié)議下的數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換[5]，從而實現(xiàn)計算機或移動設(shè)備端到儀表端接入的無線化，使得現(xiàn)場人員能夠使用現(xiàn)有設(shè)備更加方便快捷的接入儀表進行作業(yè)。其設(shè)計框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)總體包括兩部分，負(fù)責(zé)處理WiFi信號與Zigbee信號轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換器部分與移動終端設(shè)備與計算機上的上位機軟件部分。其中，由上位機軟件作為用戶接口，負(fù)責(zé)工作命令的發(fā)送以及數(shù)據(jù)顯示等功能；WiFi-Zigbee轉(zhuǎn)換器作為該系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)移動段到儀表間傳輸鏈路的建立，具體有WiFi網(wǎng)絡(luò)的搭建，Zigbee網(wǎng)絡(luò)的搭建，以及兩種信號的轉(zhuǎn)化工作[6-8]。

2 便攜式WiFi-Zigbee轉(zhuǎn)換器的設(shè)計

該轉(zhuǎn)換器的核心部分由WiFi模塊與Zigbee模塊組成。并具有電池供電與USB電源供電兩種供電方式，并可以實現(xiàn)在USB供電時對電池充電的功能。其內(nèi)部框圖如圖2所示。

由于選用的ESP-WROOM-02模組以及XBee-PRO模組具有高度集成化的特點，其體積更小，配合PCB板載天線的使用以及合理的PCB布局，轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)了一種便攜式設(shè)計，其成品的整機外形為方形，大小為70mm*90mm *30mm，易于攜帶。

2.1 WiFi模塊

WiFi模塊選用集成ESP8266EX芯片的貼片式模組ESP-WROOM-02。該模組基于802.11 b/g/n無線標(biāo)準(zhǔn)，封裝大小為18mm*20mm*3mm，支持UART、HSPI、I2S、I2C等硬件接口，并能夠?qū)崿F(xiàn)WiFi信號與上述硬件接口信號的透明轉(zhuǎn)換，本設(shè)計使用UART接口，用于與Zigbee模塊通信。該模塊自帶PCB板載天線，通信距離為30m，支持AT指令便于軟件配置，并且具有Station與SoftAP模式，本設(shè)計使用SoftAP模式用以搭建WiFi網(wǎng)絡(luò)。

2.2 Zigbee模塊

Zigbee模塊選用DIGI公司生產(chǎn)的XBee-PRO無線射頻模塊。該模塊在室內(nèi)室內(nèi)可視通信距離可達(dá)100米，可工作頻段為2.4GHz、900MHz與868MHz三種，并同時可兼容802.15.4協(xié)議[7]。該模塊支持SPI與UART硬件接口，可以實現(xiàn)Zigbee信號與上述接口信號的透明轉(zhuǎn)換，并且支持AT與API命令模式。由于該模塊同時支持協(xié)調(diào)器與終端功能，使用該模塊可以大大增加其泛用性。

2.3 供電電路設(shè)計

供電電路使用USB接口，具有更好的泛用性，二極管D1與D2保證了在使用USB供電同時對鋰離子電池充電，在USB不供電時使用單節(jié)鋰離子電池供電的功能，其電路圖如圖3所示。

如圖所示，J1，J2為兩個USB母口，分別為USB Type-A與Micro USB接口（對應(yīng)手機充電線），USB接口可以為電路提供5V電源。

TP4056為一款完整的單節(jié)鋰離子電池采用恒定電流/恒定電壓線性充電器，其采用內(nèi)部PMOSFET架構(gòu)以及防倒充電路，所以不需要外部二極管隔離，充電電壓固定于4.2V，二充電電流可以通過電阻器驚醒外部設(shè)置，當(dāng)充電電流達(dá)到最終浮充電呀之后降至設(shè)定值1/10時，TP4056自動停止充電循環(huán)。當(dāng)JP2接通，J1或J2接通5V電源時，由外部USB供電，二極管D1、D2保證由電源供電同時由TP4056芯片負(fù)責(zé)為內(nèi)置單節(jié)鋰離子電池充電。而當(dāng)外部5V電源沒有接通時，TP4056自動進入低電流狀態(tài)，將電池漏電流降至2uA以下，此時由電池進行供電。

TPS62056為德州儀器生產(chǎn)的高性能同步穩(wěn)壓器芯片，其標(biāo)準(zhǔn)輸出電壓為3.3V，輸入電壓范圍為-0.3-11V。當(dāng)JP2接通時，外部電源通過該芯片穩(wěn)壓輸出為3.3V電源。其在電路中的作用為保證在USB供電（5V）與電池供電（3.7-2.5V）的情況下，WiFi模塊與Zigbee模塊能夠擁有穩(wěn)定的3.3V電壓。

3 信號轉(zhuǎn)換流程

轉(zhuǎn)換器能夠通過UART接口作為中介，實現(xiàn)Zigbee信號與WiFi信號的相互轉(zhuǎn)換。以WiFi轉(zhuǎn)Zigbee為例，首先移動設(shè)備或計算機通過WiFi接入轉(zhuǎn)換器，此時轉(zhuǎn)換器中WiFi模塊為AP模式，負(fù)責(zé)WiFi網(wǎng)絡(luò)的組建以及移動設(shè)備或計算機的接入。當(dāng)移動端接入WiFi網(wǎng)絡(luò)后，命令由上位機軟件發(fā)出，通過天線由ESP-WROOM-02接收，在內(nèi)部由主控芯片ESP8266EX解析并轉(zhuǎn)換為串口信號，以TTL邏輯電平的形式傳輸至XBee-PRO模塊，該模塊在Zigbee網(wǎng)絡(luò)中為協(xié)調(diào)器模式，負(fù)責(zé)組建Zigbee網(wǎng)絡(luò)以及無線儀表接入，在接收到串口信號后，該模塊將接收到的信號轉(zhuǎn)換為Zigbee信號，通過天線發(fā)送至接入Zigbee網(wǎng)絡(luò)的儀表端，從而完成WiFi-Zigbee信號轉(zhuǎn)換。反向傳輸過程類似。整個傳輸過程中，只需要兩模塊的TXD與RXD相連。

4 測試

測試前使用AT命令對相關(guān)模塊進行配置，WiFi模塊使用TCP協(xié)議，配置于SoftAp模式，串口波特率設(shè)置為115200；Zigbee模塊設(shè)置為協(xié)調(diào)器模式，波特率設(shè)置為115200。測試時采用配套上位機程序，打開轉(zhuǎn)換器后打開儀表，并用計算機搜索轉(zhuǎn)換器WiFi接入點，連接后發(fā)送指令并可以成功獲取儀表信息如計數(shù)、休眠時間、設(shè)備代碼等。

5 結(jié)束語

本文以ESP-WROOM-02模塊以及XBEE-PRO模塊為核心，設(shè)計了便攜式WiFi-Zigbee轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器可用于油田現(xiàn)場無線儀表的檢查以及調(diào)試，實現(xiàn)了WiFi網(wǎng)絡(luò)與Zigbee網(wǎng)絡(luò)的無縫轉(zhuǎn)換，并且電路設(shè)計使其具有外部供電與內(nèi)部電源供電兩種供電模式，使現(xiàn)場使用時更加可靠，并且兩種無線協(xié)議的使用實現(xiàn)了在井場范圍內(nèi)的設(shè)備遠(yuǎn)距離連接，在避免了近距離的人機接觸保證安全的同時為設(shè)備的調(diào)試和監(jiān)測帶來了極大方便，提高了工作效率。同時由于使用WiFi方式連接手持端設(shè)備與計算機，對該設(shè)備的內(nèi)部供電模式以及抗干擾能力提出了新的要求，如何優(yōu)化耗電量以及抗干擾將需要進一步研究。

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