基于Z ig Bee技术的压力传感器数据采集系统设计

简荣坤，唐胜武，姜晶（中国电子科技集团公司 第四十九研究所，哈尔滨 150001）

基于Z ig Bee技术的压力传感器数据采集系统设计

简荣坤，唐胜武，姜晶
（中国电子科技集团公司 第四十九研究所，哈尔滨 150001）

介绍了一种基于无线传感器网络的高精度压力传感器数据采集系统的设计方法，将无线传感器网络的Zig Bee技术嵌入到系统的上位机和下位机中，实现了系统可在恶劣环境下的无线通信的需求，系统同时扩展了RS-485数字输出接口和4¯20 mA模拟输出接口两种形式，增加了系统的适用性。在实际应用中该系统性能稳定可靠，传感器在常温情况下精度达到0.07 %。

压力传感器；无线网络；数据采集系统

引言

目前，工业现场应用的压力数据采集系统通常采用的是现场总线，但是在一些特殊场合无法使用这种有线介质作为传输线。比如在煤矿生产过程中需要对作业现场有毒有害气体实现多点的压力实时监控，按照传统方案需要将各个传感器节点的传输线到主机，这大大增加了系统的复杂度而且系统维护成本大。此外，系统中传感器的数据量并不大，且传输速率也不快，所以采用无线方式进行信号的采集传输是十分理想的。

Zig bee技术是一种低功耗、低速率的无线网络技术。Zig bee技术采用IEEE 802.15.4与Zig bee协议栈的组合，在节点与收发器之间实现通信。本文设计了一种基于Zig Bee技术的高精度压力传感器数据采集系统，此系统中无线采集部分采用一主多从的结构，多个传感器节点能够同时向主机发送无线数据，压力传感器采用软件补偿算法实现温度补偿从而提高传感器精度[1] [2]。

1 系统总体设计

本系统由上位机和下位机两部分组成，系统下位机由电源模块、温度补偿模块、数据采集模块、数据处理模块及数据传输模块等几部分组成，系统下位机主要完成传感器数据采集与放大、温度补偿的算法实现以及通过无线收发模块与上位机通信等功能，系统上位机由数据传输模块、存储器及处理器等组成，系统上位机将各传感器节点传上来的数据存储、整理并打包通过USB总线送给PC机，在PC机上用户可以直接通过上位机软件对数据进行操作[3]。

为满足不同用户的需求，本系统在传感器数据输出模块中不但采用无线传输模式同时还加入了数字式RS-485总线输出及模拟量4¯20 mA输出，丰富的接口配置使本系统的应用环境更加广泛。

系统框图如图1所示。

2 无线传感器网络的设计

系统网络体系结构如图2所示。多个终端节点与调节节点决定了检测区域的范围，各节点监测数据通过自组织的多跳路由网络传送至网关节点；然后通过USB接口传送至计算机[4]。

从数据处理来看，传感器节点数据量最小，只需在特定的时间检测并发送数据；协调节点数据量稍大，需要接收多个传感器节点的数据并打包组合后送至网关节点；网关节点的数据量最大，需要接收整个检测区域内的数据并传送给计算机。从功耗要求来看，传感器节点能耗最小，协调节点稍大，但这两类节点都必须自带电源；网关节点虽然功耗大，但可以采用外部能源。因此，在设计中主要针对传感器终端节点和协调节点的能耗进行优化设计，以最大限度地延长全网的有效工作时间。

3 硬件设计

3.1 数据采集与温度补偿部分

本系统数据采集模块选用AD公司的24位A/D芯片AD7793，AD7793芯片是低噪声24位分辨率的高精度A/ D转换器，芯片内置增益放大器，当A/D设置成64倍增益时，其内部噪声只有80 nV，数据更新率为16.6 Hz。AD7793包含两路A/D数据采集转换通道，对于本系统，其中一路A/D转换通道用于采集温度信号作为压力传感器的温度补偿来提高传感器的精度，另一路转换通道用于采集压力芯体的信号输出。

传感器的温度补偿部分是将铂电阻Pt100作为桥臂放入惠斯通电桥中，由于传感器的工作温度是-40 ℃¯50 ℃，而Pt100在-40 ℃时的阻值为84 Ω，所以与Pt100相匹配的桥臂电阻也选择阻值为84 Ω、温漂为5×10-6的高精度高稳定度的电阻，这样传感器工作在-40 ℃时桥臂两端的电阻相等，所以，桥压为0 mV，而当温度升高，铂电阻阻值增加，桥臂两端的阻值失去平衡，桥压也随之线性增加，AD采集模块采用差分输入的方式采集桥压的变化，保证传感器的精度，数据采集及温度补偿部分电路如图3所示[5][6]。

图1 系统框图

图2 无线传感器网络体系图

3.2 Zig Bee模块设计

3.2.1 天线设计

在发射天线的设计上采用了业界比较推崇的两种方式并存，即拥有外置天线的同时也拥有内置天线，在本设计中采用的内置天线是反转F形的金属单极天线。顶部采用与地面平行的折叠设计，采用这种方法可以在保持天线长度的情况下减小其高度，此设计的好处还在于可以引入一个电容式的输入阻抗。如图4所示，天线的长度（L）和高度（H）之和接近与波长的1/4（λ/4）。一般的减小天线的高度将降低天线的带宽。由于2.4 GHz波的λ/4为24.16 mm，因此取L=17.61 mm，H=6.55 mm，天线设计如图4所示。

由于设计中采用的是非平衡天线，鉴于MC13213的射频输入和输出具有高阻抗和差分的特性，所以在MC13213和天线之间加入了不平衡-平衡匹配电路以优化性能。

3.2.2 硬件设计

无线传感器的节点主要是用来采集传感器所处环境的参数，其可靠性决定了数据的准确性，因此如何设计一个符合要求的节点成为当务之急。本系统采用Freescale公司推出的用来实现嵌入式Zig Bee应用的片上系统MC13213。 它 支 持2.4 GHz IEEE 802.15.4/Zig Bee协议，它的功能模块集成了MC13193 RF收发器、HCS08内核、可以超低能耗，使得它可以用很低的费用构成Zig Bee节点，具有很强的市场竞争力。无线发射部分的设计主要由接收发芯片，电源转换芯片组成及相关的外围器件组成[7]。

图3 数据采集与温度补偿电路图

图4 天线设计图

4 软件设计

4.1 Zig Bee无线传感器网络整体软件设计

由于无线传感器节点采用的是电池供电的方式，必须要保证节点的低功耗，本设计采用的是定时唤醒机制来接收或发送数据，其它时间则转入睡眠机制，使得功耗降至最低。其软件流程图如图6所示。

图5 ZigBee硬件电路图

4.2 Zig Bee模块通信协议设计

为了增强无线模块的通用性，在节点设计之初就采用了标准接口的方式，以方便无线收发模块与数字传感器进行无缝连接。传感器与无线收发模块的通信接口采用RS-232 TTL方式，数据传输速率为9 600，8个数据位，1个停止位。协议的基本格式如表1所示。

其中，表1的起始位即为数据包的起始标志；命令信息用来表示是在读取采集数据还是返回采集数据，若上位机的命令信息为3FH，则表示上位机要读取数据，传感器返回的命令信息应为41H；数据信息即为压力传感器采集的数据；为了保证数据的有效性，在此采用了CRC校验，这种校验方式方法简单、纠错能力强并且误码率低，用以实现差错控制，因此得到广泛地应用。

5 实验结果

图6 软件流程图

将无线传感器节点放置与电脑相距100 m的空地上，由于无线传感器的单跳距离不得大于100 m，因此为了保证数据传输的可靠性在无线传感器节点与电脑之间增加了协调节点。传感器经过温度补偿、线性拟合后，测得的实验数据如表2所示，经计算，传感器在常温范围内精度达到0.07 %，性能稳定可靠。

表1 通信协议格式

表2 实验数据

6 结论

本文设计的无线压力传感器采集系统电路结构简单，利用无线Zig Bee技术提高了传感器节点的适应性和可靠性，避免了传统传感器采集系统的有线传输引起的弊端，提高了系统效率。在实验过程中，系统工作稳定可靠，传感器精度可达0.07 %，该系统特别适用于工业现场、煤矿等恶劣环境下的各种传感器的数据采集。

［1］刘全信.基于Zig Bee 技术的养殖信息监控系统的研究与实现［D］：［硕士学位］.济南：山东科技大学， 2012：40-42.

［2］刘继忠，敖俊宇，黄翔.基于Zig Bee的水质监测无线传感器网络节点［J］.仪表技术与传感器，2012， 30（1）：100-103.

［3］张瑜，张升伟.基于铂电阻的高精度温度检测系统设计［J］.传感器技术学报， 2010， 23（3）：311-313.

［4］葛亮，胡泽，付英军.一种存储式多参数测井系统的设计［J］.传感器与微系统， 2011，30（8）：150-152.

［5］庞娜，程德福.基于Zig Bee 无线传感器网络的温室监测系统设计［J］.吉林大学学报信息科学版，2010（1）：55-60.

［6］龚高超，马启明，黄启俊.一种基于Zig Bee的新型智能气象站设计［J］.传感器与微系统， 2014， 33 （10）： 87-91.

［7］翟雷，刘盛德，胡咸斌.Zig Bee技术及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社， 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

简荣坤（1982-），男，黑龙江哈尔滨人，硕士，工程师，研究方向为嵌入式系统开发及传感器设计。