基于Z ig Bee技術(shù)的壓力傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

簡榮坤，唐勝武，姜晶（中國電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，哈爾濱 150001）

基于Z ig Bee技術(shù)的壓力傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

簡榮坤，唐勝武，姜晶
（中國電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所，哈爾濱 150001）

介紹了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高精度壓力傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計方法，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的Zig Bee技術(shù)嵌入到系統(tǒng)的上位機(jī)和下位機(jī)中，實現(xiàn)了系統(tǒng)可在惡劣環(huán)境下的無線通信的需求，系統(tǒng)同時擴(kuò)展了RS-485數(shù)字輸出接口和4ˉ20 mA模擬輸出接口兩種形式，增加了系統(tǒng)的適用性。在實際應(yīng)用中該系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，傳感器在常溫情況下精度達(dá)到0.07 %。

壓力傳感器；無線網(wǎng)絡(luò)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

引言

目前，工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常采用的是現(xiàn)場總線，但是在一些特殊場合無法使用這種有線介質(zhì)作為傳輸線。比如在煤礦生產(chǎn)過程中需要對作業(yè)現(xiàn)場有毒有害氣體實現(xiàn)多點(diǎn)的壓力實時監(jiān)控，按照傳統(tǒng)方案需要將各個傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸線到主機(jī)，這大大增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度而且系統(tǒng)維護(hù)成本大。此外，系統(tǒng)中傳感器的數(shù)據(jù)量并不大，且傳輸速率也不快，所以采用無線方式進(jìn)行信號的采集傳輸是十分理想的。

Zig bee技術(shù)是一種低功耗、低速率的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。Zig bee技術(shù)采用IEEE 802.15.4與Zig bee協(xié)議棧的組合，在節(jié)點(diǎn)與收發(fā)器之間實現(xiàn)通信。本文設(shè)計了一種基于Zig Bee技術(shù)的高精度壓力傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，此系統(tǒng)中無線采集部分采用一主多從的結(jié)構(gòu)，多個傳感器節(jié)點(diǎn)能夠同時向主機(jī)發(fā)送無線數(shù)據(jù)，壓力傳感器采用軟件補(bǔ)償算法實現(xiàn)溫度補(bǔ)償從而提高傳感器精度[1] [2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，系統(tǒng)下位機(jī)由電源模塊、溫度補(bǔ)償模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊及數(shù)據(jù)傳輸模塊等幾部分組成，系統(tǒng)下位機(jī)主要完成傳感器數(shù)據(jù)采集與放大、溫度補(bǔ)償?shù)乃惴▽崿F(xiàn)以及通過無線收發(fā)模塊與上位機(jī)通信等功能，系統(tǒng)上位機(jī)由數(shù)據(jù)傳輸模塊、存儲器及處理器等組成，系統(tǒng)上位機(jī)將各傳感器節(jié)點(diǎn)傳上來的數(shù)據(jù)存儲、整理并打包通過USB總線送給PC機(jī)，在PC機(jī)上用戶可以直接通過上位機(jī)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行操作[3]。

為滿足不同用戶的需求，本系統(tǒng)在傳感器數(shù)據(jù)輸出模塊中不但采用無線傳輸模式同時還加入了數(shù)字式RS-485總線輸出及模擬量4ˉ20 mA輸出，豐富的接口配置使本系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境更加廣泛。

系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。多個終端節(jié)點(diǎn)與調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)決定了檢測區(qū)域的范圍，各節(jié)點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)通過自組織的多跳路由網(wǎng)絡(luò)傳送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；然后通過USB接口傳送至計算機(jī)[4]。

從數(shù)據(jù)處理來看，傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量最小，只需在特定的時間檢測并發(fā)送數(shù)據(jù)；協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)量稍大，需要接收多個傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并打包組合后送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)量最大，需要接收整個檢測區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)并傳送給計算機(jī)。從功耗要求來看，傳感器節(jié)點(diǎn)能耗最小，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)稍大，但這兩類節(jié)點(diǎn)都必須自帶電源；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)雖然功耗大，但可以采用外部能源。因此，在設(shè)計中主要針對傳感器終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的能耗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以最大限度地延長全網(wǎng)的有效工作時間。

3 硬件設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)采集與溫度補(bǔ)償部分

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊選用AD公司的24位A/D芯片AD7793，AD7793芯片是低噪聲24位分辨率的高精度A/ D轉(zhuǎn)換器，芯片內(nèi)置增益放大器，當(dāng)A/D設(shè)置成64倍增益時，其內(nèi)部噪聲只有80 nV，數(shù)據(jù)更新率為16.6 Hz。AD7793包含兩路A/D數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換通道，對于本系統(tǒng)，其中一路A/D轉(zhuǎn)換通道用于采集溫度信號作為壓力傳感器的溫度補(bǔ)償來提高傳感器的精度，另一路轉(zhuǎn)換通道用于采集壓力芯體的信號輸出。

傳感器的溫度補(bǔ)償部分是將鉑電阻Pt100作為橋臂放入惠斯通電橋中，由于傳感器的工作溫度是-40 ℃ˉ50 ℃，而Pt100在-40 ℃時的阻值為84 Ω，所以與Pt100相匹配的橋臂電阻也選擇阻值為84 Ω、溫漂為5×10-6的高精度高穩(wěn)定度的電阻，這樣傳感器工作在-40 ℃時橋臂兩端的電阻相等，所以，橋壓為0 mV，而當(dāng)溫度升高，鉑電阻阻值增加，橋臂兩端的阻值失去平衡，橋壓也隨之線性增加，AD采集模塊采用差分輸入的方式采集橋壓的變化，保證傳感器的精度，數(shù)據(jù)采集及溫度補(bǔ)償部分電路如圖3所示[5][6]。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)體系圖

3.2 Zig Bee模塊設(shè)計

3.2.1 天線設(shè)計

在發(fā)射天線的設(shè)計上采用了業(yè)界比較推崇的兩種方式并存，即擁有外置天線的同時也擁有內(nèi)置天線，在本設(shè)計中采用的內(nèi)置天線是反轉(zhuǎn)F形的金屬單極天線。頂部采用與地面平行的折疊設(shè)計，采用這種方法可以在保持天線長度的情況下減小其高度，此設(shè)計的好處還在于可以引入一個電容式的輸入阻抗。如圖4所示，天線的長度（L）和高度（H）之和接近與波長的1/4（λ/4）。一般的減小天線的高度將降低天線的帶寬。由于2.4 GHz波的λ/4為24.16 mm，因此取L=17.61 mm，H=6.55 mm，天線設(shè)計如圖4所示。

由于設(shè)計中采用的是非平衡天線，鑒于MC13213的射頻輸入和輸出具有高阻抗和差分的特性，所以在MC13213和天線之間加入了不平衡-平衡匹配電路以優(yōu)化性能。

3.2.2 硬件設(shè)計

無線傳感器的節(jié)點(diǎn)主要是用來采集傳感器所處環(huán)境的參數(shù)，其可靠性決定了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此如何設(shè)計一個符合要求的節(jié)點(diǎn)成為當(dāng)務(wù)之急。本系統(tǒng)采用Freescale公司推出的用來實現(xiàn)嵌入式Zig Bee應(yīng)用的片上系統(tǒng)MC13213。 它 支 持2.4 GHz IEEE 802.15.4/Zig Bee協(xié)議，它的功能模塊集成了MC13193 RF收發(fā)器、HCS08內(nèi)核、可以超低能耗，使得它可以用很低的費(fèi)用構(gòu)成Zig Bee節(jié)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的市場競爭力。無線發(fā)射部分的設(shè)計主要由接收發(fā)芯片，電源轉(zhuǎn)換芯片組成及相關(guān)的外圍器件組成[7]。

圖3 數(shù)據(jù)采集與溫度補(bǔ)償電路圖

圖4 天線設(shè)計圖

4 軟件設(shè)計

4.1 Zig Bee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體軟件設(shè)計

由于無線傳感器節(jié)點(diǎn)采用的是電池供電的方式，必須要保證節(jié)點(diǎn)的低功耗，本設(shè)計采用的是定時喚醒機(jī)制來接收或發(fā)送數(shù)據(jù)，其它時間則轉(zhuǎn)入睡眠機(jī)制，使得功耗降至最低。其軟件流程圖如圖6所示。

圖5 ZigBee硬件電路圖

4.2 Zig Bee模塊通信協(xié)議設(shè)計

為了增強(qiáng)無線模塊的通用性，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計之初就采用了標(biāo)準(zhǔn)接口的方式，以方便無線收發(fā)模塊與數(shù)字傳感器進(jìn)行無縫連接。傳感器與無線收發(fā)模塊的通信接口采用RS-232 TTL方式，數(shù)據(jù)傳輸速率為9 600，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位。協(xié)議的基本格式如表1所示。

其中，表1的起始位即為數(shù)據(jù)包的起始標(biāo)志；命令信息用來表示是在讀取采集數(shù)據(jù)還是返回采集數(shù)據(jù)，若上位機(jī)的命令信息為3FH，則表示上位機(jī)要讀取數(shù)據(jù)，傳感器返回的命令信息應(yīng)為41H；數(shù)據(jù)信息即為壓力傳感器采集的數(shù)據(jù)；為了保證數(shù)據(jù)的有效性，在此采用了CRC校驗，這種校驗方式方法簡單、糾錯能力強(qiáng)并且誤碼率低，用以實現(xiàn)差錯控制，因此得到廣泛地應(yīng)用。

5 實驗結(jié)果

圖6 軟件流程圖

將無線傳感器節(jié)點(diǎn)放置與電腦相距100 m的空地上，由于無線傳感器的單跳距離不得大于100 m，因此為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃栽跓o線傳感器節(jié)點(diǎn)與電腦之間增加了協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)。傳感器經(jīng)過溫度補(bǔ)償、線性擬合后，測得的實驗數(shù)據(jù)如表2所示，經(jīng)計算，傳感器在常溫范圍內(nèi)精度達(dá)到0.07 %，性能穩(wěn)定可靠。

表1 通信協(xié)議格式

表2 實驗數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

本文設(shè)計的無線壓力傳感器采集系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡單，利用無線Zig Bee技術(shù)提高了傳感器節(jié)點(diǎn)的適應(yīng)性和可靠性，避免了傳統(tǒng)傳感器采集系統(tǒng)的有線傳輸引起的弊端，提高了系統(tǒng)效率。在實驗過程中，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，傳感器精度可達(dá)0.07 %，該系統(tǒng)特別適用于工業(yè)現(xiàn)場、煤礦等惡劣環(huán)境下的各種傳感器的數(shù)據(jù)采集。

［1］劉全信.基于Zig Bee 技術(shù)的養(yǎng)殖信息監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［D］：［碩士學(xué)位］.濟(jì)南：山東科技大學(xué)， 2012：40-42.

［2］劉繼忠，敖俊宇，黃翔.基于Zig Bee的水質(zhì)監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2012， 30（1）：100-103.

［3］張瑜，張升偉.基于鉑電阻的高精度溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計［J］.傳感器技術(shù)學(xué)報， 2010， 23（3）：311-313.

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［7］翟雷，劉盛德，胡咸斌.Zig Bee技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2007：9.

Design of Data Acquisition System of Pressure Sensor Based on Zig Bee Technology

JIAN Rong-kun， TANG Sheng-wu， JIANG Jing
（No.49th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Harbin 150001）

A design method for data acquisition system of pressure sensor with high precision based on wireless sensor networks is introduced here.The technology of Zig Bee of wireless sensor networks is embedded in upper computer and lower computer of the system and fulfils the purpose of communication in bad environment.The system also expands digital output interface of RS-485 and analog output interface of 4~20 mA， which improves applicability of the system.In actual application， this system is stable and reliable and the precision of the sensor can reach 0.07 %.

pressure sensor； wireless sensor networks； data acquisition system

TP 212

A

1004-7204（2016）03-0059-04

簡榮坤（1982-），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，工程師，研究方向為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)及傳感器設(shè)計。