基于物联网的轨道车门压力检测系统的设计

陆驰宇

（南京康尼电子科技有限公司 江苏南京 210046）

一、引言

压力计广泛地应用于矿井勘探、工业气体压力监测以及生产活动等领域。传统机械式压力计因操作复杂、读数不能保持等缺点，已逐渐被电子式压力计取代[1]。本文在研究电子式压力计的基础上，设计了一种基于物联网的压力传感器，将短距离蓝牙通讯模块集成到内部，在手机APP端可显示本次测量压力的最大值和有效值，同时还可以在手机APP端实现测量结果的存储和历史查询的功能[2]。

二、系统设计

基于物联网的压力检测系统是由压力计终端和手机APP两部分组成，压力计终端用于压力测量，而手机APP则用于接收压力计终端上传的数据，并将数据实现本地存储和历史查询的功能[3]。压力计终端是以STM32为控制核心，利用高精度应变式压力传感器采集压力值，通过精密放大电路对采集到的信号进行处理，再利用STM32的内部AD转换器对信号进行模数转换，进而求出压力值，系统框图如图1所示。

图1 基于物联网的压力检测系统框图

三、硬件电路设计

压力计终端是由高精度压力传感器、传感器供电电路、传感器信号处理电路、主控电路以及蓝牙传输电路组成[4]。其中高精度压力传感器是整个硬件系统的核心，其精度直接决定着整个系统的测量精度；供电电路一方面给传感器提供超低噪声、低纹波的激励电压，另一方面为信号处理电路提供偏置电压；蓝牙传输电路用于将测力计终端的数据发送到手机APP中，硬件框图如图2所示。

图2 系统硬件总体框图

（一）传感器供电电路

对于压力的测量，系统选用高精度压力传感器，压力传感器精度可达0.1‰，分辨率高达1mV/N。系统选用超低造成、低纹波的电源转换芯片MP2451DT，该芯片具有宽输入电压3.3V～36V之间，实测纹波电压小于8mV，完全能够满足传感器的测量精度。

（二）传感器信号处理电路

系统采用TI设计的专用仪用放大器INA128U，其具有超低温漂，0.5uV/℃；超低的补偿电压50uVmax；以及超低的偏置电流5nAmax；这些优点使得该款运放非常适合于本文的传感器信号放大，最大可将输入信号放大约1000倍。

（三）蓝牙传输电路

蓝牙传输电路是将系统测得的压力值实时发送给手机APP，蓝牙模块通过UART口与STM32之间实现数据传输，选用的蓝牙模块具有休眠、透传、连接成功指示等功能，当蓝牙模块处于某一状态时，与其连接的I/O口会出现相应的高低电平变化，通过高低电平的变化来判断蓝牙的状态。

四、软件设计

系统软件包括压力计终端软件和手机APP软件，其中压力记计终端软件是研究的重点。软件流程图如图3所示。

图3 系统软件流程图

五、实验数据分析

根据以上软硬件设计，完成了基于物联网的压力检测系统后，开始对整个系统进行联调测试。首先对压力计进行标定，利用最小二乘法拟合出压力－电压的数据曲线，再将数据曲线算法写入到STM32内部，最终通过检测到的电压值反推出压力计受到的压力值。

（一）校准实验

在进行联调之前，需要对测力计进行压力校准。已知压力传感器输出电压与受到压力成正相关关系，通过标准砝码来进行标定，记录每次叠加砝码系统输出的电压值，利用最小二乘法拟合出压力－电压曲线。

根据最小二乘法拟合出的数据曲线如下式所示：

最小二乘法拟合线性误差为0.38%。

式中y：是砝码质量，单位Kg；x：为系统输出电压，单位mV；

（二）准确性测试验证

由上式（1）可知，通过最小二乘法拟合出的线性误差为0.38%，该误差远小于预期。在标定完成之后，开始进行试验验证，可利用压力测试仪来测试本文压制的压力计的准确性，将此压力加载到压力计上。实际测试结果表明，该系统具有较高的准确性，系统整体测量误差小于0.5%，达到设计要求。

（三）与APP联调实验

在验证完压力计测量的准确性之后，开始进行整个系统的联调。当将压力加载到压力计上，手机APP界面可显示出测量压力的最大值和有效值，APP端还可以实现对每次测得压力值的存储和历史查询的功能。测试结果显示如图4所示。

图4 手机APP与测力计联调测试

六、总结

本文设计了一种基于物联网的压力检测系统，该系统的创新之处在于采用无线方式建立测力终端与手机APP之间的连接，实现数据的存储、查询。实际测试结果表明，设计的联网型压力计具有测量精度高的优点，操作简单，便于数据的存储和查询。