面向物联网的智能压力变送器研究与设计

2013-09-25赵中兵安春平

电子设计工程 2013年8期

赵中兵，薛忠，张力，安春平

（1.陕西电器研究所陕西西安 710025；2.南昌航空大学信息工程学院江西南昌 330063）

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，都是一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一次新的信息化浪潮，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一道方便快捷的信息桥梁，可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，为了适应新一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，可同步实现温度、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。

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 通讯模块、wifi无线模块、GPS 定位模块、4～20 mA电流输出模块、存储模块和按键显示模块等组成，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，RS-422有线数字接口；还额外增加了新的ZigBee无线通讯模块，用以无线方式向外界传送数据；且采用GPS定位模块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。

图1 系统总体结构框图Fig.1 Structure diagram of the intelligent pressure transmitter system

系统的工作流程为：变送器系统微处理器通过温度、压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wifi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，通过无线通讯模块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wifi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，当前健康状况；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 传感器模块

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。溅射薄膜压力传感器是由贴片式压力传感器发展而来。

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一体化敏感元件（及薄膜压力敏感元件），一方面沿用了传统的弹性体粘贴箔式应变计的电测机理，并继承了其原有的一些优点，另一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一系列的弊端，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采集模块

图2 AD模数转换原理图Fig.2 Schematic diagram of AD conversion

1.3 ZigBee无线通信模块

面向物联网的智能压力变送器，其中最重要的一个模块就是ZigBee无线通讯模。ZigBee是符合IEEE 802.15.4协议标准的一种短距离、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模块，其可以工作在2.4 GHz免费频段，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216=65 536只无线节点，满足绝大多数应用场合的使用，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（Cluster tree），在组网上采取自动组网，只要在网络模块的通信范围内，就可以通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的Zigbee网络。同时由于模块的移动，彼此间的联络还会发生变化，模块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，该区域有一根输油管道，由10只智能压力变送器、1只网关仪表及一个数据中心构成一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 diagram

1.3.2 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入（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一个无线通道都能够始终畅通，当某一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。还有一点就是低功耗，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 m，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，可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口只有一根对外的天线，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，可以满足一些特殊应用需求。

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取。

（2）商户/系统商后台转发，即商户/系统商开发并部署独立的服务端（支付中台），门店收银终端先请求到商户服务端，再由服务端请求支付宝。

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。

图4 软件总体结构框图Fig.4 Software architecture diagram of intelligent pressure transmitter system

监控程序主要是负责系统的整体检测和各模块工作的初始化。在微处理器完成一系列的数据采集、运算任务后，通过友好的人机界面，可直接显示在数据中心或终端设备上，以便管理人员的监控。这是本设计的一大亮点，它充分体现了物物相连的物联网特征。

测控程序主要是负责数据的采集、非线性补偿、零点补偿等数据优化，并且按照用户的需要送入指定的位置。在本设计方案中，数据输出主要为有线和无线两种输出方式，有线的输出方式主要是基于传统的变送器介入方式考虑的，采用RS-422接口；无线方式采用的是ZigBee，通过网关与外界进行数据交换。

通讯程序主要是负责数据信息的接受和发送。根据MODBUS协议可以与任何设备连接，并且支持手机终端通过wifi对变送器进行标定和查询。

2.2 故障诊断子程序设计

所谓的变送器智能化，实质上是要变送器完成一切在运行过程中可能会出现的问题，实现自我诊断和自我修复，这样便于用户提高监控质量和工作效率。

图5 故障诊断子程序框图Fig.5 Architecture diagram of fault diagnosis

故障诊断子程序共分为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

进行提示；功能模块中断子程序主要是针对各个小模块的检测，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一些问题，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，实现参数自我恢复。

2）供电电压、电流超出范围后，系统可利用稳压芯片和硬件电路自动修复电压、电流，使其正常工作。

具体供电要求：

① 设备供电电压范围：DC9 V～DC36 V以内；

②最大工作电流：150 mA。

3）ZigBee网络节点出现异常时可自动复位，重新连接；发生路由终端时，可自动选择其他路由，时刻保持通信畅通。

4）支持管理软件和移动终端对变送器相关信息（生产日期、使用日期、生产部门、设计人员和相关人员联系方式）的查询，变送器使用维修的任何问题可直接与设计生产人员联系咨询。

3 试验结果

该测试用于这个系统的通讯数据测试，实验所用ZigBee模块为西安享天科技有限公司的XBee模块，将此模块接入系统中，设置波特率为9 600，8 bit数据位，1 bit起始位，1 bit停止位，无校验位，采用长度为15 cm的SMA天线进行室内、室外测量后得到的实验数据如下：

表1 智能变送器系统室内测试结果Tab.1 Indoor test result of the intelligent pressure transmitter system

4 结论

该智能化变送器系统针对传统变送器的不足，在硬件和软件方面都做了改进优化，已满足用户的需求。经过实际测试表明，本款面向物联网的智能化的压力变送器测量压力精确，灵敏度高，工作稳定，能够可靠的应用于任何复杂、恶劣的环境中。本课题研究的主要意义在于采用ZigBee无线通讯技术，实现变送器物联网的信息识别、信息通信、地理位置定位等关键数据信息的交换传输，并建立技术应用的系统模型。加强了变送器物联网的产品开发进行前瞻性研究，立足于成本经济的方案研究，并可转换为技术应用，是一种新型有效的智能化产品。