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(xué) 信息工程學(xué)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(fù)等功能，在實際操作中難以監(jiān)控，現(xiàn)場設(shè)備維修復(fù)雜且成本高，需要耗費大量的人力和物力，在現(xiàn)場應(yīng)用中存在管道壓力值難以控制、設(shè)備電壓不穩(wěn)、設(shè)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(rèn)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(shù)的應(yīng)用更加全面地為人類生活和生產(chǎn)服務(wù)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(shè)備之間架起一道方便快捷的信息橋梁，可以時時刻刻對設(shè)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?qū)υO(shè)備進行及時的查詢和管理，為用戶節(jié)省了大量的設(shè)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(yīng)新一代油氣田信息化建設(shè)并且將逐步實現(xiàn)對物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的支持，本方案研究設(shè)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(luò)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(shè)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(shè)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(zhǔn)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(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換為模擬信號，再通過AD采集模塊將模擬信號轉(zhuǎn)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(luò)向變送器發(fā)布數(shù)據(jù)指令并進行參數(shù)設(shè)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(yīng)的算法得到準(zhǔn)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(yuǎn)程的數(shù)據(jù)中心存儲。當(dāng)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(luò)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(dāng)前健康狀況；數(shù)據(jù)中心的控制端可以連接到Internet上，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，設(shè)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(shè)備故障進行遠(yuǎn)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(shù)在彈性上直接制作薄膜應(yīng)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(yīng)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(shù)，用陶瓷介質(zhì)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(biāo)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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)的一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點是近距離、低復(fù)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(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)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(luò)的建立

在由ZigBee組成的無線網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)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(luò)容量。在局域網(wǎng)內(nèi)理論上可以連接216=65 536只無線節(jié)點，滿足絕大多數(shù)應(yīng)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(luò)節(jié)點受限問題，可以應(yīng)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(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，并支持3種自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，包括：星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（Mesh）和簇狀結(jié)構(gòu)（Cluster tree），在組網(wǎng)上采取自動組網(wǎng)，只要在網(wǎng)絡(luò)模塊的通信范圍內(nèi)，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(luò)。同時由于模塊的移動，彼此間的聯(lián)絡(luò)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(luò)，對原有網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(guān)儀表及一個數(shù)據(jù)中心構(gòu)成一個獨立的點對多點的無線網(wǎng)絡(luò)，無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)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(luò)向無線儀表提取數(shù)據(jù)。

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

1.3.2 ZigBee技術(shù)應(yīng)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(shù)上，Zigbee無線通信技術(shù)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(yīng)答通信協(xié)議。Zigbee技術(shù)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(dāng)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(shù)（DSSS），該技術(shù)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(nèi)容幾乎是不可能的。還有一點就是低功耗，Zigbee設(shè)備為低功耗設(shè)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(zhì)量指示能力，根據(jù)這些檢測結(jié)果，設(shè)備可以自動調(diào)整發(fā)射功率，在保證通信鏈路質(zhì)量的條件下，最低限度地消耗設(shè)備能量。

數(shù)字式的壓力變送器結(jié)合了ZigBee無線通信技術(shù)，將無線通信技術(shù)應(yīng)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(shè)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(diào)試及設(shè)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(shè)備之間的互聯(lián)線纜，可以滿足一些特殊應(yīng)用需求。

2 智能壓力變送器系統(tǒng)軟件設(shè)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(shè)計與制定，信號的輸入、輸出控制等。本軟件的設(shè)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(biāo)定，壓力變送器系統(tǒng)參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)置、標(biāo)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(fù)功能，根據(jù)MODBUS協(xié)議可以與任何設(shè)備連接，支持通過ZigBee無線通訊對變送器進行參數(shù)設(shè)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(zhuǎn)發(fā)，即商戶/系統(tǒng)商開發(fā)并部署獨立的服務(wù)端（支付中臺），門店收銀終端先請求到商戶服務(wù)端，再由服務(wù)端請求支付寶。

2.1 總體軟件構(gòu)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(gòu)如圖4所示。

圖4 軟件總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Software architecture diagram of intelligent pressure transmitter system

監(jiān)控程序主要是負(fù)責(zé)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(wù)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(shè)備上，以便管理人員的監(jiān)控。這是本設(shè)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(fù)責(zé)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(shè)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(guān)與外界進行數(shù)據(jù)交換。

通訊程序主要是負(fù)責(zé)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(shè)備連接，并且支持手機終端通過wifi對變送器進行標(biāo)定和查詢。

2.2 故障診斷子程序設(shè)計

所謂的變送器智能化，實質(zhì)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(fù)，這樣便于用戶提高監(jiān)控質(zhì)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(yīng)，失效中斷主要是判斷現(xiàn)場設(shè)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(shè)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(shè)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(yù)設(shè)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(fù)

通過對軟件的設(shè)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(shè)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(fù)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(diào)用參數(shù)，實現(xiàn)參數(shù)自我恢復(fù)。

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(fù)電壓、電流，使其正常工作。

具體供電要求：

① 設(shè)備供電電壓范圍：DC9 V～DC36 V以內(nèi)；

②最大工作電流：150 mA。

3）ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點出現(xiàn)異常時可自動復(fù)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(guān)信息（生產(chǎn)日期、使用日期、生產(chǎn)部門、設(shè)計人員和相關(guān)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(shè)計生產(chǎn)人員聯(lián)系咨詢。

3 試驗結(jié)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(shè)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(nèi)、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(nèi)測試結(jié)果Tab.1 Indoor test result of the intelligent pressure transmitter system

4 結(jié) 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(yīng)用于任何復(fù)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(shù)，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(guān)鍵數(shù)據(jù)信息的交換傳輸，并建立技術(shù)應(yīng)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(zhuǎn)換為技術(shù)應(yīng)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(jié)果Tab.2 Ondoor test result of the intelligent pressure transmitter system

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