基于IEEE 1451.5的高精度智能称重传感器系统*

陈耿新 黄锦胜

基于IEEE 1451.5的高精度智能称重传感器系统*

陈耿新 黄锦胜

（揭阳职业技术学院）

针对称重传感器系统智能化、高精度的需求，应用IEEE 1451技术和数字滤波算法实现高精度智能称重传感器系统。首先，根据IEEE 1451.5架构设计称重WTIM、NCAP及两者ZigBee通信接口，研究TEDS定义、配置技术以实现称重传感器ZigBee接口的即插即用、自识别功能；同时，提出一种适用于应变式称重传感器的数字滤波算法，在保证称重系统高分辨率的基础上提高称量精度；最后，搭建基于IEEE 1451.5的高精度智能称重传感器系统并研发称重测量软件，测试该系统的即插即用和精度性能。测试结果表明：该系统可实现智能称重传感器ZigBee接口即插即用；采用数字滤波算法的系统非线性误差不超过0.0058%F.S、迟滞误差不超过0.0037% F.S、重复性误差不超过0.0051%F.S，比采用数字滤波前分别减少32.56%、22.92%、17.74%，精度显著提高。

称重传感器系统；IEEE 1451；ZigBee；高精度；数字滤波

0 引言

称重传感器是应用最广的计量器件之一，广泛应用于工业、商贸、民用等领域。由于称重系统需求量大且性能要求不断提高，称重传感器技术及产品得到快速发展，智能化、高精度已成为称重传感器技术发展方向[1]。

IEEE 1451标准为传感器智能化、网络化提供系列软硬件标准，研究人员将其应用于称重传感器系统中，实现称重传感器智能化[2-5]。张延响等根据应变式称重传感器误差模型，利用IEEE 1451智能传感器校正引擎对称重传感器进行非线性校正，在一定程度上抑制了非线性误差和零漂问题[2]。刘桂雄、陈耿新等研究IEEE 1451.2智能传感器即插即用机理，并将其应用于智能称重传感器系统中，结合变送器电子数据表（transducer electronic data sheet，TEDS）实现称重传感器的自识别[3-4]。郑培亮研究基于ARM的IEEE 1451智能称重传感器，根据IEEE 1451.2标准实现智能变送器接口模块、网络适配器（network capable application processor，NCAP）及两者的接口[5]。部分研究人员从事称重传感器精度提升技术研究[6-8]。林海军等提出一种基于导数约束的称重传感器非线性误差补偿方法，构建针对称重传感器非线性误差补偿的神经网络，研究该神经网络的训练约束条件和惩罚因子，该方法有效提高称重传感器的准确度[6]。Pawłowski A等研究分拣机称重系统的快速自适应滤波技术与补偿方法，以此提高测量精度和分拣准确性[7]。Choi K N研究带式运输机自动称重系统中称重传感器的振动噪声模型，利用降噪算法滤除峰值噪声和脉冲宽度，动态控制低通滤波器的截止频率和斜率，以此提高称重测量的精度[8]。

本文研究基于IEEE 1451.5的高精度智能称重传感器系统，根据IEEE 1451.5标准设计、实现智能称重传感器系统的无线变送器接口模块（wireless transducer interface module，WTIM）和NCAP，结合TEDS实现两者之间ZigBee接口的即插即用；同时，提出一种提高应变式称重传感器测量精度的数字滤波算法，该算法可有效减小该称重传感器系统称量的随机误差，显著提高称量精度，且具有足够高的测量分辨率。

1 IEEE 1451.5智能称重传感器系统

IEEE 1451.5标准是无线智能传感器标准，利用该标准可实现无线智能传感器的网络化、互换性、互操作性和即插即用。本文搭建的IEEE 1451.5智能称重传感器系统架构如图1所示，由WTIM和NCAP构成，两者可通过标准无线接口（包括IEEE 802.11、Bluetooth、ZigBee及6LoWPAN）通信。WTIM中的TEDS描述、保存WTIM及其称重传感器的信息及参数。NCAP可连接一个或多个WTIM，并通过网络接口连接外部网络（如以太网）。本文WTIM与NCAP之间通过短距离、低功耗、低时延、高可靠性的ZigBee进行通信。

1.1 WTIM设计

WTIM的功能是利用称重传感器获取对象的重量信号；然后利用信号调理与数据转换电路对该信号进行硬件滤波、模数转换等处理；最后通过ZigBee无线接口将处理后的数据传输至NCAP。

本文IEEE 1451.5智能称重传感器系统采用ZigBee芯片JN5139。称重WTIM的硬件电路原理图如图2所示，称重传感器YZC-1B输出为模拟信号。模拟信号通过硬件滤波电路、外置ADC或JN5139内置12位ADC连接至JN5139。为提高测量精度，本文采用24位、转换精度高的∑-Δ型模数转换器AD7190。核心部件JN5139运行传感终端程序、路由程序，负责ZigBee接口配置、收发数据、信号处理、数据转换。JN5139的128 kB Flash可用于存储TEDS。

图1 IEEE 1451.5智能称重传感器系统架构图

图2 称重WTIM的硬件电路原理图

1.2 NCAP设计

NACP通过ZigBee无线接口接收WTIM发送的TEDS信息和称重传感数据，并将传感数据校正后发送至外部网络的远程客户端。NCAP可以是包括ZigBee接口的嵌入式系统，也可由计算机连接ZigBee协调器构成。

NCAP由计算机与ZigBee协调器件组成，两者通过串口通信，计算机运行网络通信协议和称重测量软件。ZigBee协调器程序流程如图3所示，其中网络指ZigBee网络，数据处理包括TEDS数据和称重传感数据处理。ZigBee协调器核心是JN5139，负责ZigBee网络建立、参数设置和数据处理。

图3 ZigBee协调器程序流程图

1.3 自识别技术

传感器自识别是IEEE 1451.5智能传感器的主要特点之一，TEDS定义与配置是实现传感器即插即用、自识别的核心技术。

TEDS系统描述WTIM及其各传感通道的类型、参数、操作方式和属性。WTIM通过TEDS向NCAP提供自身描述信息及相关参数；NCAP读取、解析TEDS获取WTIM及传感通道的信息及参数，并据此配置、分配资源。IEEE 1451标准定义多个TEDS，其中Meta-TEDS、Transducer Channel TEDS、PHY TEDS是传感器自识别必须具备的[4]。

智能称重传感器系统传感器自识别流程如图4所示。WTIM在成功接入ZigBee网络后，向NCAP发送自识别中断请求开始自识别操作；WTIM、NCAP任一方接收到对方消息帧后须返回确认应答帧，若发送方在规定时间内没接收到对方确认应答帧则重新发送数据，直至发送成功或发送次数达到最大值。

图4 智能称重传感器系统传感器自识别流程图

TEDS配置是IEEE 1451智能传感器自识别的关键环节。TEDS配置流程包括：NCAP接收到各TEDS后，需通过校验和字段验证其完整性、正确性；对通过验证的TEDS进行解析、翻译，获取WTIM及其通道相关信息、参数，再根据这些信息、参数配置相关资源以完成后续功能，如NCAP配置校正引擎相关参数实现数据解耦、校正。

2 系统测量精度提高

为提高称重传感器精度，本文除了利用硬件滤波、高精度ADC和斩波技术外，还提出一种符合应变式称重传感器信号特点的数字滤波算法，保证系统高分辨率的同时减小随机误差影响，进一步有效提高称重传感器系统的测量精度。

本文提出的称重传感器系统数字滤波算法流程图如图5所示。设置一个长度为8的队列，用于保存最近采集的8个称重数据，队列元素1，2保存最新、次新数据，以此类推。队列未满时，新数据进入队列后，计算队列已存放数据的各元素的算术平均值，该值作为滤波输出out。由于此时队列长度较小，灵敏度较高，能较快响应重量变化。

队列满后，选取队列后3个元素6~8的中间值mid。对于队列中前5个元素1~5，首先获得它们的最大值max1、次大值max2与最小值min1、次小值min2，然后将max2、min2与mid比较，最后根据称重传感器系统分辨率要求设置比较阈值，比较结果按以下3种情况进行处理：1）若max2－mid≥，则滤波输出out=max1，否则out=mid；2）若min2－mid≤－，则滤波输出out=min1，否则out=mid；3）若max2－mid≤且min2－mid≥－，则out=mid。由于称重数据变化较为缓慢，队列满后采用上述综合中值滤波与去抖动滤波的方法，当检测到称量重量的变化量达分辨率时，称重传感器系统及时输出变化的重量；当未检测到称量重量变化时，则输出修正的值。该方法可及时响应重量测量变化，又可有效消除测量数据中出现的波动脉冲干扰，提高称重传感器系统的测量精度。

图5 称重传感器系统数字滤波算法流程图

3 系统搭建与测试

研制WTIM、NCAP及称重测量软件，搭建基于IEEE 1451.5的高精度智能称重传感器系统并进行即插即用、称重精度测试。基于IEEE 1451.5的高精度智能称重传感器测试系统如图6所示，NCAP由计算机、ZigBee协调器构成，计算机上运行图7所示基于MATLAB的称重测量软件。

智能称重传感器ZigBee接口即插即用性能测试以平均初次入网时间t、平均重新入网时间t、平均断网识别时间t作为评价指标。平均初次入网时间t定义为从WTIM首次向NCAP发送入网请求，直至其收到NCAP入网确认所需的平均时间；平均重新入网时间t定义为已加入网络的WTIM断开连接后，从WTIM再次发送入网请求，直至其收到NCAP入网确认所需的平均时间；平均断网识别时间t定义为从WTIM发生故障或断电开始，到NCAP识别WTIM断网所用的平均时间。t，t，t越小，智能称重传感器ZigBee接口即插即用性能越好。

在上述基于IEEE 1451.5的高精度智能传感器系统上进行即插即用测试实验。表1是不同距离下，该系统ZigBee接口t，t，t测试结果，可以看出，t，t，t随着通信距离增大而增加。

图6 基于IEEE 1451.5的高精度智能称重传感器测试系统

图7 基于MATLAB的称重测量软件

在图6所示智能称重传感器测试系统中对该系统测量精度进行测试。采用国标GB/T7551－2008《称重传感器》规定的线性、滞后、重复性等作为精度指标。测试系统使用量程3kg的应变式称重传感器YZC-1B，其指标为：非线性误差0.0086%F.S、迟滞误差0.0048% F.S、重复性误差0.0062%F.S。

表1 智能传感器系统ZigBee接口即插即用测试结果

重复对图6所示智能称重传感器测试系统进行10次正反行程的测量，从0 g开始，按标准规定逐次加载或卸载500 g砝码，直至满量程；数字滤波阈值取100。利用图7所示称重测量软件显示、自动保存测量数据，并计算各精度指标和显示误差曲线。

基于IEEE 1451.5的高精度智能称重传感器系统精度测量结果如图8所示，包括非线性误差e、迟滞误差e、重复性误差e。可以看出，采用本文数字滤波算法后，该系统的e不超过0.0058%F.S，e不超过0.0037% F.S，e不超过0.0051%F.S，比采用数字滤波前分别减少32.56%、22.92%、17.74%，系统的精度指标明显提高。

图8 基于IEEE 1451.5的智能称重传感器系统精度测量结果

4 结论

1）基于IEEE 1451.5的智能称重传感器包括称重WTIM、NCAP及两者之间的无线通信接口，利用WTIM中TEDS可实现该无线通信接口的即插即用。

2）TEDS描述、保存WTIM及其传感通道的信息及参数，TEDS定义、传输、配置是实现智能称重传感器自识别的关键。

3）本文提出的符合应变式称重传感器信号特点的数字滤波方法，可有效抑制外界原因引起的随机误差，使称重传感器系统的非线性误差、迟滞误差、重复性误差均大大减小，精度得到明显提高；该方法选取合适的阈值，可保证系统具有足够高的分辨率，并减小外界干扰的影响。

[1] 刘九卿.应变式称重传感器技术现状及创新发展趋势(待续)[J].工业计量,2015,25(2):45-51.

[2] 张延响,程学珍,杨吉语,等.基于曲线拟合的智能称重传感器自校正[J].微型机与应用,2017,36(5):65-68.

[3] Liu Guixiong, Chen Gengxin, Zhou Yuebin. SPWD based IEEE 1451.2 smart sensor self-recognition mechanism and realization[J]. Procedia Engineering, 2012, 29(4):2501-2505.

[4] 陈耿新. 网络化智能传感器的即插即用实现机理与方法[D].广州:华南理工大学,2012.

[5] 郑培亮.基于ARM的IEEE 1451智能称重传感器设计[D]. 广州:华南理工大学,2011.

[6] 林海军,王震宇,林亚平,等.基于导数约束的称重传感器非线性误差补偿方法[J].传感技术学报,2013,26(11):1537-1542.

[7] Pawłowski A, Rodríguez F, Sánchez-Hermosilla J, et al. Adaptive weighing system with fast nonstationary filtering and centrifugal force compensation[J]. IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement,2017 (99):1-8.

[8] Choi K N. Noise in load cell signal in an automatic weighing system based on a belt conveyor[J]. Journal of Sensors, 2017(5):1-9.

[9] 汪其锐,王桂华,王永军.数字滤波技术在称重传感器信号上的应用[J].山东工业技术,2015(15):256-257.

High-Precision and Smart Weighing Sensor System Based on IEEE 1451.5

Chen Gengxin Huang Jinsheng

(Jieyang Vocational & Technical College)

Contraposing the smart and high-precision demand of weighing sensor system, this paper designs and realizes high-precision and smart weighing sensor system using IEEE 1451 and digital filter algorithm. Firstly, weighing WTIM and NCAP is designed. TEDS definition and configuration technology is researched for ZigBee interface self-identification between WTIM and NCAP. Digital filter algorithm is presented for strain gauge load cell. The digital filter algorithm can improve precision and ensure high resolution of weighing sensor system.Finally, high-precision and smart weighing sensor system based on IEEE 1451.5 is constructed for its plug and play performance and precision performance test. The weighing test software is implemented. The test result shows that the system realize ZigBee interface plug and play. The precision of weighing system using the digital filter algorithm is high. The system’s non-linear erroreis lower than 0.0058%F.S. Its hysteresis erroreis lower than 0.0037% F.S. Its repeatability erroreis lower than 0.0051%F.S. Comparing with the weighing sensor system not using digital filter algorithm, itse,eandereduce 32.56%, 22.92% and 17.74%.

Weighing Sensor System; IEEE 1451; ZigBee;High-Precision; Digital Filtering

陈耿新，男，1984年生，讲师，工程师，主要研究方向：智能传感技术及应用。E-mail: jycchengx@163.com

2015年度揭阳市科技计划项目（2015B01024）；揭阳职业技术学院2014年度科学研究项目（2014JYCKY02）。