基于IEEE 1451.5的高精度智能稱重傳感器系統(tǒng)*

陳耿新 黃錦勝

基于IEEE 1451.5的高精度智能稱重傳感器系統(tǒng)*

陳耿新 黃錦勝

（揭陽職業(yè)技術(shù)學院）

針對稱重傳感器系統(tǒng)智能化、高精度的需求，應用IEEE 1451技術(shù)和數(shù)字濾波算法實現(xiàn)高精度智能稱重傳感器系統(tǒng)。首先，根據(jù)IEEE 1451.5架構(gòu)設計稱重WTIM、NCAP及兩者ZigBee通信接口，研究TEDS定義、配置技術(shù)以實現(xiàn)稱重傳感器ZigBee接口的即插即用、自識別功能；同時，提出一種適用于應變式稱重傳感器的數(shù)字濾波算法，在保證稱重系統(tǒng)高分辨率的基礎上提高稱量精度；最后，搭建基于IEEE 1451.5的高精度智能稱重傳感器系統(tǒng)并研發(fā)稱重測量軟件，測試該系統(tǒng)的即插即用和精度性能。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)可實現(xiàn)智能稱重傳感器ZigBee接口即插即用；采用數(shù)字濾波算法的系統(tǒng)非線性誤差不超過0.0058%F.S、遲滯誤差不超過0.0037% F.S、重復性誤差不超過0.0051%F.S，比采用數(shù)字濾波前分別減少32.56%、22.92%、17.74%，精度顯著提高。

稱重傳感器系統(tǒng)；IEEE 1451；ZigBee；高精度；數(shù)字濾波

0 引言

稱重傳感器是應用最廣的計量器件之一，廣泛應用于工業(yè)、商貿(mào)、民用等領(lǐng)域。由于稱重系統(tǒng)需求量大且性能要求不斷提高，稱重傳感器技術(shù)及產(chǎn)品得到快速發(fā)展，智能化、高精度已成為稱重傳感器技術(shù)發(fā)展方向[1]。

IEEE 1451標準為傳感器智能化、網(wǎng)絡化提供系列軟硬件標準，研究人員將其應用于稱重傳感器系統(tǒng)中，實現(xiàn)稱重傳感器智能化[2-5]。張延響等根據(jù)應變式稱重傳感器誤差模型，利用IEEE 1451智能傳感器校正引擎對稱重傳感器進行非線性校正，在一定程度上抑制了非線性誤差和零漂問題[2]。劉桂雄、陳耿新等研究IEEE 1451.2智能傳感器即插即用機理，并將其應用于智能稱重傳感器系統(tǒng)中，結(jié)合變送器電子數(shù)據(jù)表（transducer electronic data sheet，TEDS）實現(xiàn)稱重傳感器的自識別[3-4]。鄭培亮研究基于ARM的IEEE 1451智能稱重傳感器，根據(jù)IEEE 1451.2標準實現(xiàn)智能變送器接口模塊、網(wǎng)絡適配器（network capable application processor，NCAP）及兩者的接口[5]。部分研究人員從事稱重傳感器精度提升技術(shù)研究[6-8]。林海軍等提出一種基于導數(shù)約束的稱重傳感器非線性誤差補償方法，構(gòu)建針對稱重傳感器非線性誤差補償?shù)纳窠?jīng)網(wǎng)絡，研究該神經(jīng)網(wǎng)絡的訓練約束條件和懲罰因子，該方法有效提高稱重傳感器的準確度[6]。Paw?owski A等研究分揀機稱重系統(tǒng)的快速自適應濾波技術(shù)與補償方法，以此提高測量精度和分揀準確性[7]。Choi K N研究帶式運輸機自動稱重系統(tǒng)中稱重傳感器的振動噪聲模型，利用降噪算法濾除峰值噪聲和脈沖寬度，動態(tài)控制低通濾波器的截止頻率和斜率，以此提高稱重測量的精度[8]。

本文研究基于IEEE 1451.5的高精度智能稱重傳感器系統(tǒng)，根據(jù)IEEE 1451.5標準設計、實現(xiàn)智能稱重傳感器系統(tǒng)的無線變送器接口模塊（wireless transducer interface module，WTIM）和NCAP，結(jié)合TEDS實現(xiàn)兩者之間ZigBee接口的即插即用；同時，提出一種提高應變式稱重傳感器測量精度的數(shù)字濾波算法，該算法可有效減小該稱重傳感器系統(tǒng)稱量的隨機誤差，顯著提高稱量精度，且具有足夠高的測量分辨率。

1 IEEE 1451.5智能稱重傳感器系統(tǒng)

IEEE 1451.5標準是無線智能傳感器標準，利用該標準可實現(xiàn)無線智能傳感器的網(wǎng)絡化、互換性、互操作性和即插即用。本文搭建的IEEE 1451.5智能稱重傳感器系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，由WTIM和NCAP構(gòu)成，兩者可通過標準無線接口（包括IEEE 802.11、Bluetooth、ZigBee及6LoWPAN）通信。WTIM中的TEDS描述、保存WTIM及其稱重傳感器的信息及參數(shù)。NCAP可連接一個或多個WTIM，并通過網(wǎng)絡接口連接外部網(wǎng)絡（如以太網(wǎng)）。本文WTIM與NCAP之間通過短距離、低功耗、低時延、高可靠性的ZigBee進行通信。

1.1 WTIM設計

WTIM的功能是利用稱重傳感器獲取對象的重量信號；然后利用信號調(diào)理與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路對該信號進行硬件濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換等處理；最后通過ZigBee無線接口將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至NCAP。

本文IEEE 1451.5智能稱重傳感器系統(tǒng)采用ZigBee芯片JN5139。稱重WTIM的硬件電路原理圖如圖2所示，稱重傳感器YZC-1B輸出為模擬信號。模擬信號通過硬件濾波電路、外置ADC或JN5139內(nèi)置12位ADC連接至JN5139。為提高測量精度，本文采用24位、轉(zhuǎn)換精度高的∑-Δ型模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7190。核心部件JN5139運行傳感終端程序、路由程序，負責ZigBee接口配置、收發(fā)數(shù)據(jù)、信號處理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。JN5139的128 kB Flash可用于存儲TEDS。

圖1 IEEE 1451.5智能稱重傳感器系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖2 稱重WTIM的硬件電路原理圖

1.2 NCAP設計

NACP通過ZigBee無線接口接收WTIM發(fā)送的TEDS信息和稱重傳感數(shù)據(jù)，并將傳感數(shù)據(jù)校正后發(fā)送至外部網(wǎng)絡的遠程客戶端。NCAP可以是包括ZigBee接口的嵌入式系統(tǒng)，也可由計算機連接ZigBee協(xié)調(diào)器構(gòu)成。

NCAP由計算機與ZigBee協(xié)調(diào)器件組成，兩者通過串口通信，計算機運行網(wǎng)絡通信協(xié)議和稱重測量軟件。ZigBee協(xié)調(diào)器程序流程如圖3所示，其中網(wǎng)絡指ZigBee網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)處理包括TEDS數(shù)據(jù)和稱重傳感數(shù)據(jù)處理。ZigBee協(xié)調(diào)器核心是JN5139，負責ZigBee網(wǎng)絡建立、參數(shù)設置和數(shù)據(jù)處理。

圖3 ZigBee協(xié)調(diào)器程序流程圖

1.3 自識別技術(shù)

傳感器自識別是IEEE 1451.5智能傳感器的主要特點之一，TEDS定義與配置是實現(xiàn)傳感器即插即用、自識別的核心技術(shù)。

TEDS系統(tǒng)描述WTIM及其各傳感通道的類型、參數(shù)、操作方式和屬性。WTIM通過TEDS向NCAP提供自身描述信息及相關(guān)參數(shù)；NCAP讀取、解析TEDS獲取WTIM及傳感通道的信息及參數(shù)，并據(jù)此配置、分配資源。IEEE 1451標準定義多個TEDS，其中Meta-TEDS、Transducer Channel TEDS、PHY TEDS是傳感器自識別必須具備的[4]。

智能稱重傳感器系統(tǒng)傳感器自識別流程如圖4所示。WTIM在成功接入ZigBee網(wǎng)絡后，向NCAP發(fā)送自識別中斷請求開始自識別操作；WTIM、NCAP任一方接收到對方消息幀后須返回確認應答幀，若發(fā)送方在規(guī)定時間內(nèi)沒接收到對方確認應答幀則重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直至發(fā)送成功或發(fā)送次數(shù)達到最大值。

圖4 智能稱重傳感器系統(tǒng)傳感器自識別流程圖

TEDS配置是IEEE 1451智能傳感器自識別的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。TEDS配置流程包括：NCAP接收到各TEDS后，需通過校驗和字段驗證其完整性、正確性；對通過驗證的TEDS進行解析、翻譯，獲取WTIM及其通道相關(guān)信息、參數(shù)，再根據(jù)這些信息、參數(shù)配置相關(guān)資源以完成后續(xù)功能，如NCAP配置校正引擎相關(guān)參數(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)解耦、校正。

2 系統(tǒng)測量精度提高

為提高稱重傳感器精度，本文除了利用硬件濾波、高精度ADC和斬波技術(shù)外，還提出一種符合應變式稱重傳感器信號特點的數(shù)字濾波算法，保證系統(tǒng)高分辨率的同時減小隨機誤差影響，進一步有效提高稱重傳感器系統(tǒng)的測量精度。

本文提出的稱重傳感器系統(tǒng)數(shù)字濾波算法流程圖如圖5所示。設置一個長度為8的隊列，用于保存最近采集的8個稱重數(shù)據(jù)，隊列元素1，2保存最新、次新數(shù)據(jù)，以此類推。隊列未滿時，新數(shù)據(jù)進入隊列后，計算隊列已存放數(shù)據(jù)的各元素的算術(shù)平均值，該值作為濾波輸出out。由于此時隊列長度較小，靈敏度較高，能較快響應重量變化。

隊列滿后，選取隊列后3個元素6~8的中間值mid。對于隊列中前5個元素1~5，首先獲得它們的最大值max1、次大值max2與最小值min1、次小值min2，然后將max2、min2與mid比較，最后根據(jù)稱重傳感器系統(tǒng)分辨率要求設置比較閾值，比較結(jié)果按以下3種情況進行處理：1）若max2－mid≥，則濾波輸出out=max1，否則out=mid；2）若min2－mid≤－，則濾波輸出out=min1，否則out=mid；3）若max2－mid≤且min2－mid≥－，則out=mid。由于稱重數(shù)據(jù)變化較為緩慢，隊列滿后采用上述綜合中值濾波與去抖動濾波的方法，當檢測到稱量重量的變化量達分辨率時，稱重傳感器系統(tǒng)及時輸出變化的重量；當未檢測到稱量重量變化時，則輸出修正的值。該方法可及時響應重量測量變化，又可有效消除測量數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的波動脈沖干擾，提高稱重傳感器系統(tǒng)的測量精度。

圖5 稱重傳感器系統(tǒng)數(shù)字濾波算法流程圖

3 系統(tǒng)搭建與測試

研制WTIM、NCAP及稱重測量軟件，搭建基于IEEE 1451.5的高精度智能稱重傳感器系統(tǒng)并進行即插即用、稱重精度測試?；贗EEE 1451.5的高精度智能稱重傳感器測試系統(tǒng)如圖6所示，NCAP由計算機、ZigBee協(xié)調(diào)器構(gòu)成，計算機上運行圖7所示基于MATLAB的稱重測量軟件。

智能稱重傳感器ZigBee接口即插即用性能測試以平均初次入網(wǎng)時間t、平均重新入網(wǎng)時間t、平均斷網(wǎng)識別時間t作為評價指標。平均初次入網(wǎng)時間t定義為從WTIM首次向NCAP發(fā)送入網(wǎng)請求，直至其收到NCAP入網(wǎng)確認所需的平均時間；平均重新入網(wǎng)時間t定義為已加入網(wǎng)絡的WTIM斷開連接后，從WTIM再次發(fā)送入網(wǎng)請求，直至其收到NCAP入網(wǎng)確認所需的平均時間；平均斷網(wǎng)識別時間t定義為從WTIM發(fā)生故障或斷電開始，到NCAP識別WTIM斷網(wǎng)所用的平均時間。t，t，t越小，智能稱重傳感器ZigBee接口即插即用性能越好。

在上述基于IEEE 1451.5的高精度智能傳感器系統(tǒng)上進行即插即用測試實驗。表1是不同距離下，該系統(tǒng)ZigBee接口t，t，t測試結(jié)果，可以看出，t，t，t隨著通信距離增大而增加。

圖6 基于IEEE 1451.5的高精度智能稱重傳感器測試系統(tǒng)

圖7 基于MATLAB的稱重測量軟件

在圖6所示智能稱重傳感器測試系統(tǒng)中對該系統(tǒng)測量精度進行測試。采用國標GB/T7551－2008《稱重傳感器》規(guī)定的線性、滯后、重復性等作為精度指標。測試系統(tǒng)使用量程3kg的應變式稱重傳感器YZC-1B，其指標為：非線性誤差0.0086%F.S、遲滯誤差0.0048% F.S、重復性誤差0.0062%F.S。

表1 智能傳感器系統(tǒng)ZigBee接口即插即用測試結(jié)果

重復對圖6所示智能稱重傳感器測試系統(tǒng)進行10次正反行程的測量，從0 g開始，按標準規(guī)定逐次加載或卸載500 g砝碼，直至滿量程；數(shù)字濾波閾值取100。利用圖7所示稱重測量軟件顯示、自動保存測量數(shù)據(jù)，并計算各精度指標和顯示誤差曲線。

基于IEEE 1451.5的高精度智能稱重傳感器系統(tǒng)精度測量結(jié)果如圖8所示，包括非線性誤差e、遲滯誤差e、重復性誤差e。可以看出，采用本文數(shù)字濾波算法后，該系統(tǒng)的e不超過0.0058%F.S，e不超過0.0037% F.S，e不超過0.0051%F.S，比采用數(shù)字濾波前分別減少32.56%、22.92%、17.74%，系統(tǒng)的精度指標明顯提高。

圖8 基于IEEE 1451.5的智能稱重傳感器系統(tǒng)精度測量結(jié)果

4 結(jié)論

1）基于IEEE 1451.5的智能稱重傳感器包括稱重WTIM、NCAP及兩者之間的無線通信接口，利用WTIM中TEDS可實現(xiàn)該無線通信接口的即插即用。

2）TEDS描述、保存WTIM及其傳感通道的信息及參數(shù)，TEDS定義、傳輸、配置是實現(xiàn)智能稱重傳感器自識別的關(guān)鍵。

3）本文提出的符合應變式稱重傳感器信號特點的數(shù)字濾波方法，可有效抑制外界原因引起的隨機誤差，使稱重傳感器系統(tǒng)的非線性誤差、遲滯誤差、重復性誤差均大大減小，精度得到明顯提高；該方法選取合適的閾值，可保證系統(tǒng)具有足夠高的分辨率，并減小外界干擾的影響。

[1] 劉九卿.應變式稱重傳感器技術(shù)現(xiàn)狀及創(chuàng)新發(fā)展趨勢(待續(xù))[J].工業(yè)計量,2015,25(2):45-51.

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[4] 陳耿新. 網(wǎng)絡化智能傳感器的即插即用實現(xiàn)機理與方法[D].廣州:華南理工大學,2012.

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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

陳耿新，男，1984年生，講師，工程師，主要研究方向：智能傳感技術(shù)及應用。E-mail: jycchengx@163.com

2015年度揭陽市科技計劃項目（2015B01024）；揭陽職業(yè)技術(shù)學院2014年度科學研究項目（2014JYCKY02）。