面向物聯(lián)網(wǎng)的智能壓力變送器研究與設計

趙中兵，薛 忠，張 力 ，安春平

（1.陜西電器研究所 陜西 西安 710025；2.南昌航空大學 信息工程學院 江西 南昌 330063）

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，工業(yè)過程控制對變送器性能的要求也日益提高，從目前來看，在市場中現(xiàn)有的變送器，都是一些數(shù)字式的普通壓力變送器，測量精度低，工作可靠性差，且不具備故障診斷和自我修復等功能，在實際操作中難以監(jiān)控，現(xiàn)場設備維修復雜且成本高，需要耗費大量的人力和物力，在現(xiàn)場應用中存在管道壓力值難以控制、設備電壓不穩(wěn)、設備失竊或非人為挪動、線路發(fā)生老化等諸多安全隱患。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)成為全球公認的繼計算機、互聯(lián)網(wǎng)與移動通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)又一次新的信息化浪潮，是將信息化技術的應用更加全面地為人類生活和生產(chǎn)服務的信息化大升級，而智能化變送器則成為物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。它可以為企業(yè)和設備之間架起一道方便快捷的信息橋梁，可以時時刻刻對設備進行監(jiān)控，且實時的將變送器節(jié)點數(shù)據(jù)傳回信息中心，方便工作人員能夠對設備進行及時的查詢和管理，為用戶節(jié)省了大量的設備監(jiān)控及維修費用，是值得用戶信賴的產(chǎn)品。因此，為了適應新一代油氣田信息化建設并且將逐步實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)體系架構的支持，本方案研究設計了具有物聯(lián)網(wǎng)終端和節(jié)點功能的，可同步實現(xiàn)溫度、壓力、振動、位置等參數(shù)測量，支持網(wǎng)絡綜合決策的智能壓力變送器系統(tǒng)。

1 智能壓力變送器系統(tǒng)硬件設計

智能壓力變送器系統(tǒng)主要由中央微處理器、AD采集模塊、ZigBee 通訊模塊、wifi無線模塊、GPS 定位模塊、4～20 mA電流輸出模塊、存儲模塊和按鍵顯示模塊等組成，在此方案設計中，保留了傳統(tǒng)壓力變送器的輸出方式，如4～20 mA電流輸出，RS-422有線數(shù)字接口；還額外增加了新的ZigBee無線通訊模塊，用以無線方式向外界傳送數(shù)據(jù)；且采用GPS定位模塊來準確的掌握變送器的地理位置，以防止意外搬移和故障點判斷。系統(tǒng)總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構框圖Fig.1 Structure diagram of the intelligent pressure transmitter system

系統(tǒng)的工作流程為：變送器系統(tǒng)微處理器通過溫度、壓力傳感器將非電量信號轉換為模擬信號，再通過AD采集模塊將模擬信號轉換為數(shù)字信號送入微處理器進行處理。用戶可以通過手機終端等運用wifi無線網(wǎng)絡向變送器發(fā)布數(shù)據(jù)指令并進行參數(shù)設定，處理器將接受的到采集數(shù)據(jù)信息進行優(yōu)化合成處理，通過相應的算法得到準確的壓力測量值，通過無線通訊模塊將信息數(shù)據(jù)發(fā)送給遠程的數(shù)據(jù)中心存儲。當數(shù)據(jù)需要外傳時，變送器可以通過有線方式將數(shù)據(jù)傳送到大屏幕上。為了實時掌握生產(chǎn)的信息，了解變送器在現(xiàn)場的工作狀態(tài)控制中心或者管理者可以通過wifi無線網(wǎng)絡運用移動終端提取查看變送器工作情況、采集數(shù)據(jù)信息，當前健康狀況；數(shù)據(jù)中心的控制端可以連接到Internet上，當設備出現(xiàn)故障時，設備維修部門或生產(chǎn)廠家的專業(yè)部門可通過互聯(lián)網(wǎng)對設備故障進行遠程故障診斷，協(xié)助現(xiàn)場維修人員進行故障定位和處理。

1.1 傳感器模塊

隨著MEMS工藝的不斷發(fā)展和提高，傳感器的各項性能也有較大的提升。本方案中采用了可靠性高的濺射薄膜壓力傳感器，有助于提高整體系統(tǒng)的性能。濺射薄膜壓力傳感器是由貼片式壓力傳感器發(fā)展而來。

薄膜式壓力傳感器是利用薄膜技術在彈性上直接制作薄膜應變電路的一體化敏感元件（及薄膜壓力敏感元件），一方面沿用了傳統(tǒng)的彈性體粘貼箔式應變計的電測機理，并繼承了其原有的一些優(yōu)點，另一方面采用現(xiàn)代薄膜工藝技術，用陶瓷介質代替了粘貼膠層，克服了由膠層引起的蠕變等一系列的弊端，使其在長期穩(wěn)定性、耐高溫、高輸出阻抗等性能指標得到了極大的提高。所以薄膜壓力傳感器適合于要求穩(wěn)定性好、可靠性高或溫度范圍寬等惡劣條件下的壓力參數(shù)測量。

1.2 AD采集模塊

圖2 AD模數(shù)轉換原理圖Fig.2 Schematic diagram of AD conversion

1.3 ZigBee無線通信模塊

面向物聯(lián)網(wǎng)的智能壓力變送器，其中最重要的一個模塊就是ZigBee無線通訊模。ZigBee是符合IEEE 802.15.4協(xié)議標準的一種短距離、低功耗的無線通信技術。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。在本項目中，我們采用西安享天科技有限公司的XBee模塊，其可以工作在2.4 GHz免費頻段，采用低電壓供電并且功耗很低（接收數(shù)據(jù)時為45 mA，發(fā)送數(shù)據(jù)時為25 mA），其靈敏度高達-91 dBm，最大傳輸速率250 kbps，具有良好的抗干擾能力。

1.3.1 無線網(wǎng)絡的建立

在由ZigBee組成的無線網(wǎng)絡中，設備地址碼分為16 bit短地址碼或64 bit長地址碼，具有較大的網(wǎng)絡容量。在局域網(wǎng)內理論上可以連接216=65 536只無線節(jié)點，滿足絕大多數(shù)應用場合的使用，采用基于ZigBee協(xié)議的無線通信方式能有效地解決數(shù)字衡器網(wǎng)絡節(jié)點受限問題，可以應用到大規(guī)模的分布式測量系統(tǒng)。由于ZigBee是基于802.15.4協(xié)議棧而建立的，它具有強大的設備聯(lián)網(wǎng)功能，并支持3種自組織無線網(wǎng)絡類型，包括：星型結構、網(wǎng)狀結構（Mesh）和簇狀結構（Cluster tree），在組網(wǎng)上采取自動組網(wǎng)，只要在網(wǎng)絡模塊的通信范圍內，就可以通過彼此自動尋找，很快就可以形成一個互聯(lián)互通的Zigbee網(wǎng)絡。同時由于模塊的移動，彼此間的聯(lián)絡還會發(fā)生變化，模塊還可以通過重新尋找通信對象，確定彼此間的聯(lián)絡，對原有網(wǎng)絡進行刷新。具有較強的自組織及自愈能力。

以大型油田的某區(qū)域無線網(wǎng)絡為例，該區(qū)域有一根輸油管道，由10只智能壓力變送器、1只網(wǎng)關儀表及一個數(shù)據(jù)中心構成一個獨立的點對多點的無線網(wǎng)絡，無線網(wǎng)絡系統(tǒng)內的每只變送器節(jié)點都配置了獨立的ID號，傳感器工作于從動模式，儀表工作于主動模式，儀表通過指令控制傳感器實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。數(shù)據(jù)中心通過無線網(wǎng)絡向無線儀表提取數(shù)據(jù)。

圖3 網(wǎng)絡連接圖Fig.3 Network connection diagram

1.3.2 ZigBee技術應用在變送器上的特點優(yōu)勢

提高了系統(tǒng)的可靠性，增強了系統(tǒng)的抗干擾能力。在無線通信技術上，Zigbee無線通信技術采用免沖突多載波信道接入（CSMA-CA）方式，有效地避免了無線電載波之間的沖突；為保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，建立了完整的應答通信協(xié)議。Zigbee技術采用網(wǎng)狀網(wǎng)通信方式，即多信道通信，在實際工業(yè)現(xiàn)場，由于各種原因往往并不能保證每一個無線通道都能夠始終暢通，當某一信道出現(xiàn)故障后通信數(shù)據(jù)仍然可以通過其他道路到達目的地。從而保證了通信的可靠性；另外，Zigbee系統(tǒng)通信方式采用直序擴頻技術（DSSS），該技術抗干擾能力極強，保密性很高，采用分析擴頻系統(tǒng)去截獲系統(tǒng)的通信內容幾乎是不可能的。還有一點就是低功耗，Zigbee設備為低功耗設備，其發(fā)射輸出功率為0～3.6 dBm，通信距離為30～70 m，具有能量檢測和鏈路質量指示能力，根據(jù)這些檢測結果，設備可以自動調整發(fā)射功率，在保證通信鏈路質量的條件下，最低限度地消耗設備能量。

數(shù)字式的壓力變送器結合了ZigBee無線通信技術，將無線通信技術應用在變送器上，可以解決現(xiàn)有變送器系統(tǒng)的抗干擾能力差及容易受外部環(huán)境影響等缺點。由于設備對外輸出接口只有一根對外的天線，沒有太多對外接口，在安裝調試及設備使用的過程中避免了許多人為接觸的過程，系統(tǒng)受損的因素大大降低，同時由于沒有設備之間的互聯(lián)線纜，可以滿足一些特殊應用需求。

2 智能壓力變送器系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件主要是對采集的壓力、溫度值和GPS定位值的采集和數(shù)據(jù)優(yōu)化，通訊協(xié)議的設計與制定，信號的輸入、輸出控制等。本軟件的設計目的是要實現(xiàn)能夠支持壓力變送器多溫區(qū)多段傳感器非線性標定，壓力變送器系統(tǒng)參數(shù)遠程設置、標定和查詢，具有壓力變送器系統(tǒng)參數(shù)安全防護及自修復功能，根據(jù)MODBUS協(xié)議可以與任何設備連接，支持通過ZigBee無線通訊對變送器進行參數(shù)設置及溫度、壓力及經(jīng)緯度數(shù)據(jù)提取。

（2）商戶/系統(tǒng)商后臺轉發(fā)，即商戶/系統(tǒng)商開發(fā)并部署獨立的服務端（支付中臺），門店收銀終端先請求到商戶服務端，再由服務端請求支付寶。

2.1 總體軟件構架

軟件總體分為3類：監(jiān)控程序、測控程序和通訊程序?？傮w架構如圖4所示。

圖4 軟件總體結構框圖Fig.4 Software architecture diagram of intelligent pressure transmitter system

監(jiān)控程序主要是負責系統(tǒng)的整體檢測和各模塊工作的初始化。在微處理器完成一系列的數(shù)據(jù)采集、運算任務后，通過友好的人機界面，可直接顯示在數(shù)據(jù)中心或終端設備上，以便管理人員的監(jiān)控。這是本設計的一大亮點，它充分體現(xiàn)了物物相連的物聯(lián)網(wǎng)特征。

測控程序主要是負責數(shù)據(jù)的采集、非線性補償、零點補償?shù)葦?shù)據(jù)優(yōu)化，并且按照用戶的需要送入指定的位置。在本設計方案中，數(shù)據(jù)輸出主要為有線和無線兩種輸出方式，有線的輸出方式主要是基于傳統(tǒng)的變送器介入方式考慮的，采用RS-422接口；無線方式采用的是ZigBee，通過網(wǎng)關與外界進行數(shù)據(jù)交換。

通訊程序主要是負責數(shù)據(jù)信息的接受和發(fā)送。根據(jù)MODBUS協(xié)議可以與任何設備連接，并且支持手機終端通過wifi對變送器進行標定和查詢。

2.2 故障診斷子程序設計

所謂的變送器智能化，實質上是要變送器完成一切在運行過程中可能會出現(xiàn)的問題，實現(xiàn)自我診斷和自我修復，這樣便于用戶提高監(jiān)控質量和工作效率。

圖5 故障診斷子程序框圖Fig.5 Architecture diagram of fault diagnosis

故障診斷子程序共分為4個中斷響應，失效中斷主要是判斷現(xiàn)場設備的基本工作狀態(tài)有無發(fā)生變化，通過檢測個模塊工作電壓來進行判別；維修中斷是通過現(xiàn)場設備的信號強弱來發(fā)現(xiàn)處于疲勞工作狀態(tài)的器件，并向外部發(fā)出警報進行設備維護；超范圍中斷主要是檢測測量的壓力、溫度值是否超出用戶預設的最高限或最低限，如有異常發(fā)生則紅燈閃爍

進行提示；功能模塊中斷子程序主要是針對各個小模塊的檢測，通過定時發(fā)送命令來檢測其是否正常工作。

2.3 自我修復

通過對軟件的設計，來糾正系統(tǒng)在工作過程中可能會出現(xiàn)的一些問題，提高了整個設備運行的可靠性，同時為管理人員的工作提供了很多方便。自我修復的功能主要是在以下幾個方面：

1）程序跑飛后，可從備份程序中調用參數(shù)，實現(xiàn)參數(shù)自我恢復。

2）供電電壓、電流超出范圍后，系統(tǒng)可利用穩(wěn)壓芯片和硬件電路自動修復電壓、電流，使其正常工作。

具體供電要求：

① 設備供電電壓范圍：DC9 V～DC36 V以內；

②最大工作電流：150 mA。

3）ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點出現(xiàn)異常時可自動復位，重新連接；發(fā)生路由終端時，可自動選擇其他路由，時刻保持通信暢通。

4）支持管理軟件和移動終端對變送器相關信息（生產(chǎn)日期、使用日期、生產(chǎn)部門、設計人員和相關人員聯(lián)系方式）的查詢，變送器使用維修的任何問題可直接與設計生產(chǎn)人員聯(lián)系咨詢。

3 試驗結果

該測試用于這個系統(tǒng)的通訊數(shù)據(jù)測試，實驗所用ZigBee模塊為西安享天科技有限公司的XBee模塊，將此模塊接入系統(tǒng)中，設置波特率為9 600，8 bit數(shù)據(jù)位，1 bit起始位，1 bit停止位，無校驗位，采用長度為15 cm的SMA天線進行室內、室外測量后得到的實驗數(shù)據(jù)如下：

表1 智能變送器系統(tǒng)室內測試結果Tab.1 Indoor test result of the intelligent pressure transmitter system

4 結 論

該智能化變送器系統(tǒng)針對傳統(tǒng)變送器的不足，在硬件和軟件方面都做了改進優(yōu)化，已滿足用戶的需求。經(jīng)過實際測試表明，本款面向物聯(lián)網(wǎng)的智能化的壓力變送器測量壓力精確，靈敏度高，工作穩(wěn)定，能夠可靠的應用于任何復雜、惡劣的環(huán)境中。本課題研究的主要意義在于采用ZigBee無線通訊技術，實現(xiàn)變送器物聯(lián)網(wǎng)的信息識別、信息通信、地理位置定位等關鍵數(shù)據(jù)信息的交換傳輸，并建立技術應用的系統(tǒng)模型。加強了變送器物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)品開發(fā)進行前瞻性研究，立足于成本經(jīng)濟的方案研究，并可轉換為技術應用，是一種新型有效的智能化產(chǎn)品。

表2 智能變送器系統(tǒng)室外測試結果Tab.2 Ondoor test result of the intelligent pressure transmitter system

[1]朱仲英.傳感網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)的進展與趨勢[J].微型電腦應用，2010，26（1）:1-4.

ZHU Zhong-ying.Progress and trends of sensor networks and the internet of things[J].Microcomputer Applications，2010，26（1）:1-4.

[2]劉海濤.物聯(lián)網(wǎng)“推高”第三次信息浪潮[N].中國電子報，2009-12-l1（3）.

[3]張俊.淺談無線傳感器網(wǎng)絡在物聯(lián)網(wǎng)中的應用[N].物流技術，2010（3）.

[4]ADS1232 Data Sheet[Z].Cypress Semiconductor Corporation，2006.

[5]張周.ZigBee技術研究及其在智能家居中的應用[D].廈門:廈門大學，2007.

[6]王永春.ZigBee技術在智能家居中的應用[J].智能建筑與城市信息，2009（1）：68-76.

WANG Yong-chun.Application of the ZigBee technology in smart home[J].Intelligent Building and City Information，2009（1）:68-76.

[7]ZigBee Alliance.IEEE802.15.4，low-rate wireless personal area network，LR-WPAN[S].The United States:Network Specification（DraftVersion1.0），2004.