基于无线传感技术的电子测量装置自动控制系统

李 明

（四川工业科技学院 电子信息与计算机工程学院，德阳 618500）

伴随制造工艺以及科学技术快速发展，人们对电子测量装置的测量稳定性和测量精度有了更高的要求。电子测量装置测量电压、电流等信号过程中，容易受到众多干扰因素影响，降低电子测量装置的测量精度，导致测量结果出现较高的偏差[1]。利用自动控制系统对电子测量装置进行远程控制，有助于提升电子测量装置的测量精度与应用性。

电子测量装置使用一段时间后，测量精度将发生一定程度的改变，甚至出现测量漂移情况，其控制性能极为重要。目前已经有众多研究学者针对电子测量装置控制进行研究：文献[2]针对应用于广域测量的电子测量装置自动化控制进行研究，利用小波分解去噪方法，将电网振荡区域和振荡数值作为自动化控制的输入，针对低频低压解列装置进行自动化控制，该方法有效去除测量装置中包含的噪声，实现低频低压解列装置的自动控制；文献[3]针对光谱测量仪器的温压控制设计了控制系统，优化了系统的控制算法，实现光谱测量仪器温度和压强采集的精准控制，满足光谱测量仪器的控制标准。以上2种方法虽然可以实现电子测量装置的精准控制，但是存在控制过程过于复杂、控制实时性差的缺陷。

无线传感技术具有数据处理、无线通信和信息集成等众多功能，无线传感网络利用大量的微型传感器节点，感知、采集与处理无线传感网络中的感知对象，将所采集数据传送至数据处理中心。本文针对当前电子测量装置控制中存在的问题，设计基于无线传感技术的电子测量装置自动控制系统，提升电子测量装置的自动控制性能。

1 电子测量装置自动控制系统

1.1 系统总体结构

基于无线传感网络的电子测量装置自动控制系统总体结构如图1 所示。通过图1 可以看出，系统包括数据采集层、数据链路层、网络层、控制层和应用层。系统利用ZigBee 协调器与采集电子测量装置数据的传感器终端节点组成网络。采集电子测量装置的运行数据利用无线通信技术传输至ZigBee 协调器，协调器利用串口，通过有线的形式将所采集的数据传送至系统的自动控制模块[4]。利用LabVIEW软件编程上位机显示电子测量装置的实时运行状态信息。自动控制模块，利用PID 控制器确定电子测量装置的控制量，依据控制量计算结果，向电子测量装置发送控制命令，实现电子测量装置的远程自动控制。利用数据链路层为系统提供访问控制与逻辑链路控制。

图1 系统总体结构Fig.1 Overall system structure

1.2 系统硬件设计

1.2.1 无线传感器节点

设置系统数据采集层中采集电子测量装置运行信号的传感器，作为无线传感网络的无线传感器节点。利用网络层的ZigBee 协调器管理与维护无线传感器节点，控制无线传感器节点与节点之间的通信[5]。选取CC2530 芯片作为无线传感网络通信的核心芯片。无线传感器节点的硬件结构如图2 所示。

图2 无线传感器节点Fig.2 Wireless sensor nodes

1.2.2 ZigBee 协调器

ZigBee 协调器位于系统的网络层，其硬件结构如图3 所示。利用协调器中的串口通信电路，实现自动控制模块与协调器间的通信。选取RS232 收发器芯片作为无线传感器节点的收发器，协调器满载时，可以保持高达235 kb/s 的数据传输速率[6]，协调器节点需要一直保持工作状态，采用有线电源为协调器节点供电。

图3 协调器节点结构Fig.3 Coordinator node structure

1.2.3 自动控制芯片

充分考虑无线传感技术的使用需求，以及电子测量装置自动控制系统的硬件资源，选取三星公司的S3C44B0X 微处理器作为系统控制层的控制芯片。S3C44B0X 微处理器选取ARM7TDMI 作为CPU的内核，最高的工作频率为66 MHz，满足无线传感网络的通信需求，利用32 位数据线为芯片提供指令与数据服务。仅有加载与存储指令可以实现储存器的访问，运算部件的操作数据利用加载与存储指令存放至寄存器内，对寄存器内的内容操作完成数据处理指令，提升数据执行速度。

1.3 系统软件设计

1.3.1 无线传感网络节点软件设计

ZigBee 协调器采用无线传感网络节点软件设计方法，管理无线传感器节点与上位机数据的信息交互。ZigBee 网关初始化后，对无线传感网络进行格式化处理，选取合适的信道构建新的通信网络，为无线通信网络分配所属ID 以及数据采集命令[7]。无线传感网络节点的软件设计流程如图4 所示。无线传感器节点采集电子测量装置数据，实现所采集数据传输。无线传感网络具备路由功能，实现节点与节点间的通信，明确通信网络的链路状态[8-9]。为了降低无线传感网络的功耗，终端节点设计软件应该尽量保持模块处于休眠状态，降低对ZigBee 模块的唤醒次数，提升无线传感网络中传感器节点的使用寿命。

图4 无线传感网络节点程序流程Fig.4 Wireless sensor network node program flow chart

1.3.2 基于PID 的电子测量装置控制算法

系统控制层的自动控制模块运行PID 控制算法，实现电子测量装置的自动控制。PID 控制器由比例控制部分、积分控制部分和微分控制部分组成。将电子测量装置的控制误差作为PID 控制器的输入，PID 控制器通过对控制量的调节[10]，实现电子测量装置的自动化控制。PID 控制器具有结构简单、适用性强的优势，通过控制参数的调整，实现电子测量装置的高效控制。

PID 控制器控制电子测量装置的运动方程表达式如下：

式中：f（t）与e（t）分别表示电子测量装置的实时信号以及输出误差；Kp、Ki、Kd分别表示比例系数、积分系数、微分系数。

以式（1）为基础，构建PID 控制器自动控制电子测量装置的传递函数表达式如下：

式中：Z 与G（Z）分别表示电子测量装置的实时运行信号以及传递函数。

采用PID 控制器，自动控制电子测量装置的结构如图5 所示。PID 控制器的输入为电子测量装置的控制目标值，PID 控制器运行PID 控制算法[11]，输出控制量，自动控制电子测量装置的精准运行。

图5 电子测量装置自动控制结构Fig.5 Automatic control structure of electronic measurement device

2 系统测试

选取某精密仪器生产企业的电子测量装置作为研究对象（9 个电子电压表，18 个电子电流表，35个电子计数器，10 个电子长度测量仪），采用本文系统自动控制电子测量装置，系统的自动控制界面如图6 所示。通过图6 的系统运行界面图可以看出，所设计的电子测量装置自动控制系统可以实现稳定、可靠地运行。系统可以利用无线传感网络，获取电子测量装置的实时运行数据，依据电子测量装置的实时运行状态，对电子测量装置发出控制指令，实现电子测量装置的自动控制。

图6 系统运行界面图Fig.6 System operation interface diagram

本文系统利用传感器采集电子测量装置的运行信号，随机选取其中的4 个电子电流表，电子电流表运行信号采集结果如图7 所示。通过图7 实验结果可以看出，采用本文系统可以利用针对电子测量装置设置的传感器节点，采集不同电子电流表的电流运行信号。依据电子测量装置的信号采集结果，确定电子测量装置的控制量，利用PID 控制器控制电子测量装置以理想状态运行。

图7 电流运行信号采集结果Fig.7 Current operation signal collection results

本文系统采用无线传感网络作为通信技术，无线传感网络的通信性能对电子测量装置自动控制的效果影响极大。设置系统的发包速率为0.07 pps，统计不同传输距离时，无线传感网络的通信丢包率，统计结果如图8 所示。图8 实验结果可以看出，伴随传感器节点传输距离的不断增加，系统传输电子测量装置数据的丢包率逐渐提升。电子测量装置自动控制设置传感节点时，应该将传感节点设置在理想的通信范围内，保证无线通信网络的覆盖面积，避免由于传感节点距离太远，影响系统的通信可靠性。

图8 系统丢包率统计结果Fig.8 Statistical results of system packet loss rate

统计不同传输距离时，本文系统运行时无线传感网络通信的信号强度变化，统计结果如图9 所示。图9 系统测试结果可以看出，采用本文系统自动控制电子测量装置，伴随通信距离不断增加，无线传感网络的信号强度随之降低。进一步分析图9 的系统测试结果，节点距离由5 m 逐渐提升至7 m 后，信号强度值由-50 dB 左右降低至-70 dB 左右。伴随传感节点设置距离的不断提升，无线传感网络的信号强度虽然有所下降，但是仍然保持在-70 dB 以上，验证系统所采用的无线传感网络具有较高的通信有效性，可以为电子测量装置的自动控制提供良好的通信基础。

图9 系统传输的信号强度变化结果Fig.9 Results of signal strength changes transmitted by the system

采用本文系统对电子测量装置自动控制，选取电子长度测量仪作为测试对象，控制前后电子长度测量仪的测量结果变化如表1 所示。表1 实验结果可以看出，采用本文系统控制的电子长度测量仪，测量精度有了明显的提升。实验结果验证本文系统可以实现电子测量装置的远程控制，满足精密电子元件生产的高精度测量需求。

表1 电子测量装置控制结果Tab.1 Control results of electronic measurement devices

统计不同类型电子测量装置，采用本文系统控制前后的测量误差，统计结果如图10 所示。图10实验结果可以看出，采用本文系统自动控制的电子测量装置，测量精度较高，测量误差低于0.4%，控制效果理想，可应用于电子测量装置控制的实际应用中。

图10 电子测量装置测量误差Fig.10 Measurement error of electronic measurement device

3 结语

为了提升电子测量装置的控制性能，设计基于无线传感技术的电子测量装置自动控制系统，选取无线传感技术，作为电子测量装置运行数据传输的通信方式，利用无线传感技术具有的高效通信性能，提升电子测量装置的控制性能。所设计系统可以实现电子测量装置的远程控制，降低电子测量装置管理人员的工作量，系统具有可扩展性强、成本低的优势，提升电子测量装置的测量精度，优化电子测量装置的运行水平。