面向物联网的智能压力变送器研究与设计

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The research and design of intelligent pressure transmitter based on internet of thingsZHAO Zhong-bing ，XUE Zhong， ZHANG Li ，AN Chun·ping(1.ShaanxiElectricalApparatus ResearchInstitute，Xi∞ 710025，China；2.c0 ofInformation， Hangkong Univers ，№ lc 330063，China)Abstract：Currently on the market a lot of pressure transmitter's accuracy is not high，monitoring and calibration is poor，putforward a kind of ARM Cortex microprocessor as the core. tl a GPS positioning function and wireless data transceiverfunctions of a novel inteligent pressure transmiter design.This paper describes the overal system architecture of intelligenttransmiter，emphaticaly elaborated the transmiter inteligent design ideas and principles，through the field test shows that，this transmitter in calibration and information monitoring is superior to conventional transmiter。

Key words：inteligent；GPS po sitioning；pressure transmiter；ARM mi croprocesr随着互联网的发展。工业过程控制对变送器性能的要求也日益提高，从目前来看，在市场中现有的变送器，都是-些数字式的普通压力变送器 ，测量精度低，工作可靠性差，且不具备故障诊断和 自我修复等功能，在实际操作中难 以监控。

现场设备维修复杂且成本高。需要耗费大量的人力和物力 。

在现场应用中存在管道压力值难以控制、设备电压不稳、设备失窃或非人为挪动、线路发生老化等诸多安全隐患。物联网的出现成为全球公认的继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业又-次新的信息化浪潮 .是将信息化技术的应用更加全面地为人类生活和生产服务的信息化大升级 。

而智能化变送器则成为物联网的重要组成部分。它可以为企业和设备之间架起-道方便快捷的信息桥梁∩以时时刻刻对设备进行监控。且实时的将变送器节点数据传回信息中心.方便工作人员能够对设备进行及时的查询和管理。为用户节省了大量的设备监控及维修费用 。是值得用户信赖的产品。因此，为了适应新-代油气田信息化建设并且将逐步实现对物联网体系架构的支持。本方案研究设计了具有物联网终端和节点功能的∩同步实现温度、压力、振动、位置等参数测量。支持网络综合决策的智能压力变送器系统。

收稿 日期 ：2012-12-11 稿件编号：2012l2083基金项目：中国航天44所物联网变送器项目资助(GK120010-Y)1 智能压力变送器系统硬件设计智能压力变送器系统主要由中央微处理器 、AD采集模块、ZigBee通讯拈、wif无线拈、GPS定位拈、4-2O mA电流输出拈、存储拈和按键显示拈等组成 。在此方案设计中，保留了传统压力变送器的输出方式，如 4～20 mA电流输出，RS422有线数字接口；还额外增加了新的ZigBee无线通讯拈。用以无线方式向外界传送数据；且采用 GPS定位拈来准确的掌握变送器的地理位置，以防止意外搬移和故障点判断。系统总体结构框图如图 1所示。

键盘显示ll GPS接rl电路Il定位拈Wifi无线通讯拈zigB。e无线通信拈K422接1：2l l l 存储器电流输出图 l 系统总体结构框图Fig.1 Structure diagram of the inteligent pressure transmiter system系统的工作流程为：变送器系统微处理器通过温度、压作者简介：赵中兵(1974-)，男，陕西汉中人，高级工程师。研究方向：信号与信息处理、计算机测控。

- 170-赵中兵，等 面向物联网的智能压力变送器研究与设计力传感器将非电量信号转换为模拟信号，再通过 AD采集模块将模拟信号转换为数字信号送入微处理器进行处理。用户可以通过手机终端等运用 wif无线网络向变送器发布数据指令并进行参数设定 ，处理器将接受的到采集数据信息进行优化合成处理，通过相应的算法得到准确的压力测量值，通过无线通讯拈将信息数据发送给远程的数据中心存储。当数据需要外传时.变送器可以通过有线方式将数据传送到大屏幕上。为了实时掌握生产的信息 。了解变送器在现场的工作状态控制中心或者管理者可以通过 wif无线网络运用移动终端提取查看变送器工作情况、采集数据信息 ，当前降状况；数据中心的控制端可以连接到 Internet上，当设备出现故障时.设备维修部门或生产厂家的专业部门可通过互联网对设备故障进行远程故障诊断，协助现场维修人员进行故障定 位和处理。

1.1 传感器拈随着 MEMS工艺的不断发展和提高，传感器的各项性能也有较大的提升。本方案中采用了可靠性高的溅射薄膜压力传感器.有助于提高整体系统的性能ˇ射薄膜压力传感器是由贴片式压力传感器发展而来。

C20.1 U薄膜式压力传感器是利用薄膜技术在弹性上直接制作薄膜应变电路的-体化敏感元件(及薄膜压力敏感元件)，-方面沿用了传统的弹性体粘贴箔式应变计的电测机理，并继承了其原有的-些优点，另-方面采用现代薄膜工艺技术 。

用陶瓷介质代替了粘贴胶层，克服了由胶层引起的蠕变等-系列的弊端.使其在长期稳定性 、耐高温、高输出阻抗等性能指标得到了极大的提高 。所以薄膜压力传感器适合于要求稳定性好 、可靠性高或温度范围宽等恶劣条件下的压力参数测量。

1.2 AD采集拈本项 目中选择 ADS1232作为智能变送器的信号放大及AD转换 电路 ，ADS1232内部具有-个可编程增益放大器 。

AD采样采用采样方式，24位的采样精度，采集通道 1用来采集压力值，采集通道 2用来采集温度值，采样信号、通过滤波电路接到ADS1232的AINN1和 AINP1端。采用这样的设计是可以有效的抵制传感器激励电源的扰动。同时可通过软件设置 ADS1232的增益大小，STM32F103微处理器控制数据的采集，并读拳 ADS1232转换后的内码值进行数据补偿及修正处理，最后通过 ZigBee无线拈将数据发送出去。

3.3V图2 AD模数转换原理图Fig.2 Schematic diagram of AD conversion1.3 ZigB 无线通信拈面向物联网的智能压力变送器，其中最重要的-个拈就是ZigBee无线通讯模。ZigBee是符合 IEEE 802.15.4协议标准的-种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离 、低复杂度 、自组织 、低功耗 、低数据速率 、低成本 。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。在本项 目中，我们采用西安享天科技有限公司的XBee拈 ，其可以工作在 2.4 GHz频段，采用低电压供电并且功耗很低(接收数据时为 45 mA，发送数据时为 25 mA)，其灵敏度高达-91 dBm，最大传输速率 250 kbps，具有良好的抗干扰能力 。

1.3.1 无线网络的建立在由ZigBee组成的无线网络中，设备地址码分为 16 bit短地址码或 64 bit长地址码，具有较大的网络容量。在局域网内理论上可以连接 2 %65 536只无线节点。满足绝大多数应用诚的使用 ，采用基于 ZigBee协议的无线通信方式能有效地解决数字衡器网络节点受限问题，可以应用到大规模的分布式测量系统。由于 ZigBee是基于 802.15.4协议栈而建立的 ，它具有强大的设备联网功能，并支持 3种 自组织无线网络类型，包括：星型结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Clustertree)，在组网上采取 自动组网，只要在网络拈的通信范围内 。就可以通过彼此 自动寻找，很快就可以形成-个互联互通的 Zigbee网络。同时由于拈的移动.彼此间的联络还会发生变化 ，拈还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。具有较强的自组织及自愈能力。

以大型油田的某区域无线网络为例，该区域有-根输油- 171-《电子设计工程2013年第8期管道，由 10只智能压力变送器、1只网关仪表及-个数据中心构成-个独立的点对多点的无线网络 无线网络系统内的每只变送器节点都配置了独立的 ID号，传感器工作于从动模式，仪表工作于主动模式，仪表通过指令控制传感器实现数据交换。数据中心通过无线网络向无线仪表提取数据。

图3 网络连接图Fig.3 Network connection diagram1.3.2 ZigBee技术应用在变送器上的特点优势提高了系统的可靠性.增强了系统的抗干扰能力。在无线通信技术上，Zigbee无线通信技术采用免冲突多载波信道接人(CSMA-CA)方式 ，有效地避免了无线电载波之间的冲突；为保证传输数据的可靠性，建立了完整的应答通信协议。

Zigbee技术采用网状网通信方式 。即多信道通信.在实际工业现场 ，由于各种原因往往并不能保证每-个无线通道都能够始终畅通，当某-信道出现故障后通信数据仍然可以通过其他道路到达 目的地。从而保证 了通信的可靠性；另外 ，Zigbee系统通信方式采用直序扩频技术(DSSS)，该技术抗干扰能力极强，保密性很高，采用分析扩频系统去截获系统的通信内容几乎是不可能的。还有-点就是低功耗.Zigbee设备为低功耗设备 ，其发射输出功率为 0～3.6 dBm，通信距离为30～70 nl，具有能量检测和链路质量指示能力，根据这些检测结果 ，设备可以自动调整发射功率，在保证通信链路质量的条件下.最低限度地消耗设备能量。

数字式的压力变送器结合了ZigBee无线通信技术 .将无线通信技术应用在变送器上∩以解决现有变送器系统的抗干扰能力差及容易受外部环境影响等缺点。由于设备对外输出接 V1只有-根对外的天线 .没有太多对外接口.在安装调试及设备使用的过程中避免了许多人为接触的过程，系统受损的因素大大降低，同时由于没有设备之间的互联线缆 ，可以满足-些特殊应用需求。

2 智能压力变送器系统软件设计系统软件主要是对采集的压力、温度值和 GPS定位值的采集和数据优化，通讯协议的设计与制定.信号的输入、输出控制等。本软件的设计 目的是要实现能够支持压力变送器多温区多段传感器非线性标定 ，压力变送器系统参数远程设置 、标定和查询，具有压力变送器系统参数安全防护及自修复功能，根据 MODBUS协议可以与任何设备连接，支持通过ZigBee无线通讯对变送器进行参数设置及温度 、压力及经纬度数据提龋- 172-2.1 总体软件构架软件总体分为3类 ：监控程序、测控程序和通讯程序。总体架构如图4所示。

雨监控程序I J测控程序I l通I耋 圉国样便于用户提高监控质量和工作效率。

I中断优先级 断l由I 中 申 现场设备发生故 现场殳备的输出信l 型金： 盘l现场设备的输出障，导致输出信 号正确，但是有部件I 设 簋罂点 常lI茬善誊军 崭 号错误 处于疲劳状态，建测 的性能指标 l操倍 舌时矗 进行设备维护l. I 无效状态图 5 故障诊断子程序框 图Fig.5 Architecture diagram of fault diagnosis故障诊断子程序怪为 4个中断响应，失效中断主要是判断现场设备的基本工作状态有无发生变化，通过检测个模块工作电压来进行判别；维修中断是通过现场设备的信号强弱来发现处于疲劳工作状态的器件，并向外部发出警报进行设备 维护 ；超范 围中断 主要 是检测测量 的压力 、温度 值是否超出用户预设的最高限或最低限，如有异常发生则红灯闪烁赵 中兵，等 面向物联网的智能压力变送器研究与设计进行提示；功能拈中断子程序主要是针对各个小拈的检测，通过定时发送命令来检测其是否正常工作。

2.3 自我修复通过对软件的设计.来纠正系统在工作过程中可能会出现的-些问题 .提高了整个设备运行的可靠性 ，同时为管理人员的工作提供了很多方便。自我修复的功能主要是在以下几个方 面 ：1)程序跑飞后 ，可从备份程序中调用参数 ，实现参数 自