惠州市技師學(xué)院電子工程系 康婷霞

本文設(shè)計(jì)了一種基于zigbee的壓力傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用CC2530微處理器，結(jié)合zigbee協(xié)議棧Z-Stack，實(shí)現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)通過(guò)zigbee網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)采集。壓力傳感器的輸出信號(hào)通過(guò)16位的高精度∑-Δ型AD7705進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)能夠通過(guò)AT24C04進(jìn)行存儲(chǔ)，達(dá)到掉電保存。整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，更換不同的傳感器，可輕松實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用需求。

1 引言

壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集是自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)控制系統(tǒng)中非常重要的一部分，比如車載稱重系統(tǒng)，醫(yī)療器械中的稱重床，數(shù)字稱重計(jì)等都是通過(guò)壓力傳感器進(jìn)行前端壓力信號(hào)的轉(zhuǎn)換，輸出的模擬信號(hào)再通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模/數(shù)轉(zhuǎn)換，所有的這些系統(tǒng)的壓力信號(hào)采集方式都是大同小異。同時(shí)，隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，特別是數(shù)字電路和射頻工藝的進(jìn)步，使得壓力傳感器的無(wú)線數(shù)據(jù)采集變的更加經(jīng)濟(jì)、可靠，相較于傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)采集，它更有優(yōu)勢(shì)。在一些高溫、高壓、嚴(yán)寒等惡劣環(huán)境，布線困難場(chǎng)所，無(wú)線方式能夠方便準(zhǔn)確的進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸。本文采用TI公司的CC2530芯片，設(shè)計(jì)了一種基于zigbee的壓力傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)通過(guò)zigbee網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)采集，不同場(chǎng)合下通過(guò)更換不同量程的傳感器，可以方便的實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)應(yīng)用，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用樹(shù)狀的Zigbee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，完整的系統(tǒng)包括三個(gè)部分，如圖1所示，從左至右分別為終端采集部分、路由部分、協(xié)調(diào)器部分，其中終端采集部分中的zigbee設(shè)備為RFD(Reduced Function Device,簡(jiǎn)化功能設(shè)備)，路由部分和協(xié)調(diào)器部分的zigbee設(shè)備都為FFD(Full Function Device,全功能設(shè)備)。終端采集部分通過(guò)由壓力傳感器和高精度AD組成的壓力傳感器模塊對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)終端節(jié)點(diǎn)無(wú)線發(fā)送，路由節(jié)點(diǎn)對(duì)終端信息進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收到路由轉(zhuǎn)發(fā)的信息后進(jìn)行相應(yīng)的顯示和存儲(chǔ)。本系統(tǒng)中，由于傳輸距離較近，未使用圖1虛線框中的路由部分進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)直接傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

圖1 系統(tǒng)框圖

3 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)的整個(gè)系統(tǒng)包括4個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)由一個(gè)壓力傳感器，一個(gè)高精度的16位∑-Δ型AD7705，一個(gè)CC2530基本模塊組成；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)由一個(gè)CC2530基本模塊外加存儲(chǔ)模塊AT24C04和Nokia5110液晶顯示屏組成，同時(shí)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的CC2530基本模塊帶有RS232串口，可以和PC機(jī)進(jìn)行通信并且顯示。同時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的P1.3和P1.4都分別設(shè)置有兩個(gè)獨(dú)立按鍵S1，S2，用于Zigbee網(wǎng)絡(luò)中的通信節(jié)點(diǎn)配置。

3.1 傳感器

本系統(tǒng)的傳感器采用懸臂梁式稱重傳感器，量程為30kg，精度為±0.02%F.S，靈敏度為2.0±0.1mV/V，輸入阻抗410±15Ω，輸出阻抗350±5Ω，絕緣電阻≥5000MΩ，本設(shè)計(jì)中采用的激勵(lì)源為5V，傳感器的電壓輸出為10mv左右。稱重傳感器一共有四根線，輸入線VCC和GND，輸出線V+和V-，傳感器的輸入輸出線均采用金屬屏蔽線，防止干擾。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換器AD7705

系統(tǒng)的測(cè)量分辨率及精度主要取決于A/D轉(zhuǎn)換單元，這里選用高精度、寬動(dòng)態(tài)范圍、2通道16位∑-Δ型AD7705，該器件具有完整的模擬前端，內(nèi)部具有可選擇的增益，能夠直接測(cè)量傳感器輸入的微弱信號(hào)，轉(zhuǎn)換精度達(dá)到16位無(wú)誤碼，采用五線串行口與MCU連接。本設(shè)計(jì)中將CS直接接地，故連接CC2530的信號(hào)線就四根，具體連接方式如圖2所示。通過(guò)軟件設(shè)置AD7705第一通道為壓力測(cè)量通道，轉(zhuǎn)換頻率為50Hz，內(nèi)部增益GAIN為64，單極性輸出，則經(jīng)過(guò)AD7705放大后的傳感器信號(hào)AIN為640mv左右。基準(zhǔn)電壓采用TI公司的REF3012，該芯片輸出的基準(zhǔn)電壓VREF為1.25v，精度可達(dá)±2.5mV，在 0°C到+70°C時(shí)，最大的溫漂為50ppm/°C。根據(jù)AD的數(shù)據(jù)輸出編碼CODE=(216* AIN * GAIN )VREF，得最大CODE的十六進(jìn)制編碼為0x8312，約為滿量程0xFFFF的一半。為了濾除ADC輸入端來(lái)自稱重傳感器的噪聲，在輸入端加入一個(gè)簡(jiǎn)單的一階RC濾波器。同時(shí)為了防止其他電磁波等干擾，在AD芯片上加一金屬屏蔽罩，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，效果有所改善。

圖2 CC2530與AD7705的硬件連線圖

3.3 微處理器CC2530

CC2530芯片具有一個(gè)增強(qiáng)型的8051內(nèi)核，32/64/128kB可編程閃存和8kB的RAM，包含模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、4個(gè)定時(shí)器、看門(mén)狗定時(shí)器、32.768kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路、21個(gè)可編程的數(shù)字I/O口。低功耗，在休眠模式下，僅有不到1uA的電流損耗，此時(shí)通過(guò)外部中斷或者睡眠定時(shí)器中斷進(jìn)行喚醒系統(tǒng)。CC2530芯片的休眠模式轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的時(shí)間很短，特別適合那些需要電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)中的CC2530設(shè)置為休眠模式，睡眠定時(shí)器中斷喚醒，從而大大降低系統(tǒng)的功耗（如圖2）。

3.4 EEPROM存儲(chǔ)單元

AT24C04是4KB的電可擦除芯片，該芯片采用IIC協(xié)議與CC2530進(jìn)行通信，AT24C04的SDA和SCL腳分別與CC2530的P1.0和P1.1相連。在壓力傳感器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中需要記錄一些重要的數(shù)據(jù)，比如zigbee終端協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的編號(hào)，壓力傳感器無(wú)重物時(shí)的初始輸出等等，以達(dá)到掉電后保存。

3.5 終端顯示

終端顯示主要有兩種方式，一種是通過(guò)RS232串口與計(jì)算機(jī)相連，采用串口調(diào)試助手顯示，主要是注意CC2530的串口發(fā)的波特率和計(jì)算機(jī)接收波特率的一致，最終顯示輸出的界面如圖4和圖5所示。此外，在不使用串口情況下，采用Nokia5110進(jìn)行顯示，該LCD具有如下特點(diǎn)：1)84*64的點(diǎn)陣LCD，可以顯示4行漢字。2)采用串行接口與處理器進(jìn)行通信，包括電源和地在內(nèi)的信號(hào)線僅有九條。3)3.3V的低電壓供電，正常顯示的工作電流在200uA以下。4)傳輸速率高達(dá)4Mbps。本設(shè)計(jì)中通過(guò)IO模擬SPI接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的通信顯示。

4 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

TI公司推出的Zigbee協(xié)議棧是基于優(yōu)先級(jí)的輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)，它是由稱為層的模塊組成，每一層為其上一層提供特定的服務(wù)。Zigbee協(xié)議棧為每個(gè)層均分配的不同的任務(wù)編號(hào)，每一個(gè)任務(wù)中又包含若干個(gè)事件。對(duì)于開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，一般只需要關(guān)注應(yīng)用層函數(shù)的設(shè)計(jì)即可。當(dāng)然，如果硬件電路不同，則其硬件抽象層函數(shù)也是不同的。本采集系統(tǒng)的軟件在CC2530的協(xié)議?；A(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.1 傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集

首先需要對(duì)AD7705進(jìn)行初始化，對(duì)相關(guān)的寄存器進(jìn)行配置，本設(shè)計(jì)設(shè)置雙極性輸入，增益為64，差分通道1，片外晶振。AD7705的SCLK、DIN、DOUT、DRDY分別與CC2530的P0.0、P0.1、P0.2、P0.3相連，其中CC2530的P0.0和P0.1引腳配置為輸出，P0.2和P0.3引腳配置為輸入。CS接地，使得AD7705處于選通的狀態(tài)。AD7705的DRDY輸出端上的邏輯低電平表示從AD7705的數(shù)據(jù)寄存器獲取新的輸出字，即AD7705完成一次A/D轉(zhuǎn)換。完成對(duì)一個(gè)完全的輸出字的讀操作后，DRDY引腳立即回到高電平。RFD定時(shí)對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)，通過(guò)射頻端發(fā)送。終端節(jié)點(diǎn)的功耗主要是無(wú)線的發(fā)送，通過(guò)定時(shí)中斷發(fā)送，能提高RFD節(jié)點(diǎn)的使用時(shí)間。傳感器的數(shù)據(jù)采集流程圖如圖3所示。其中in為AD有效轉(zhuǎn)換的次數(shù)。

整個(gè)上述的過(guò)程封裝到myApp_Readsensor()函數(shù)，調(diào)用此函數(shù)，即可得到經(jīng)過(guò)軟件處理過(guò)的數(shù)據(jù)。處理方法主要用到了數(shù)值濾波和壓力補(bǔ)償。目前關(guān)于數(shù)字濾波的方法很多，本系統(tǒng)采用的是復(fù)合濾波方法，首先將30次采樣值按大小排列，然后去掉前五個(gè)值和后五個(gè)值，然后對(duì)剩余的20個(gè)數(shù)據(jù)求算術(shù)平均值。復(fù)合濾波既可以去掉脈沖干擾，又可以對(duì)采樣值進(jìn)行平滑加工，它兼有中值濾波和算術(shù)平均值的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)于溫度引起的壓力傳感器熱零點(diǎn)漂移現(xiàn)象，采用非線性函數(shù)多項(xiàng)式擬合的規(guī)范方法。在程序中通過(guò)擬合出的規(guī)范化多項(xiàng)式，對(duì)壓力值進(jìn)行溫度漂移的補(bǔ)償計(jì)算。最后函數(shù)返回的穩(wěn)定數(shù)據(jù)，通過(guò)zb_SendDataRequest()函數(shù)發(fā)送。

圖3 傳感器的數(shù)據(jù)采集流程圖

4.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和傳感節(jié)點(diǎn)之間的通信

首先是協(xié)調(diào)器啟動(dòng)和建立網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)后，首先完成系統(tǒng)的初始化，然后進(jìn)入操作系統(tǒng)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)首次啟動(dòng)時(shí)，flash存儲(chǔ)器中的Startoption默認(rèn)值為0x00，不能建立網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)按下按鍵S1，設(shè)置其為協(xié)調(diào)器，并且重啟協(xié)調(diào)器，最后ZDO層通過(guò)系統(tǒng)定時(shí)器函數(shù)osal_start_timerEx(ZDAppTaskID,ZDO_NETWORK_INIT,delay )產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)初始化事件，該事件通過(guò)啟動(dòng)ZDO_StartDevice ()函數(shù)，調(diào)用NLME_NetworkFormationRequest()來(lái)形成網(wǎng)絡(luò)，建立網(wǎng)絡(luò)后，給予ZDO層反饋。ZDO層設(shè)置網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)事件，更新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，最后將自己的設(shè)備狀態(tài)改為啟動(dòng)狀態(tài)。

傳感器節(jié)點(diǎn)首次啟動(dòng)時(shí)，flash存儲(chǔ)器中的Startoption默認(rèn)值為0x00，不能加入網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)按下按鍵S2，設(shè)置其為傳感節(jié)點(diǎn)，并且重啟傳感節(jié)點(diǎn)，同協(xié)調(diào)器一樣，在ZDO層形成網(wǎng)絡(luò)事件，并且啟動(dòng)ZDO_StartDevice ()函數(shù)，調(diào)用NLME_NetworkDiscoveryRequest()函數(shù)尋找網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)存在后，網(wǎng)絡(luò)層給予ZDO層發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)反饋信息。然后網(wǎng)絡(luò)層發(fā)起加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，如加入網(wǎng)絡(luò)成功，網(wǎng)絡(luò)層將給予ZDO層加入網(wǎng)絡(luò)反饋。ZDO層更新網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，最后改變自己的設(shè)備狀態(tài)位加入狀態(tài)，然后啟用定時(shí)器，不斷發(fā)觸發(fā)綁定事件。

按下協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的允許綁定按鍵S2，執(zhí)行綁定函數(shù)zb_Allow-Bind()，協(xié)調(diào)器允許綁定，這樣傳感節(jié)發(fā)送的綁定請(qǐng)求才能得到協(xié)調(diào)器的響應(yīng)。傳感器的綁定事件通過(guò)zb_BindDevice()形成綁定請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在自身尋找相匹配的描述符，找到后則給傳感節(jié)點(diǎn)發(fā)送綁定響應(yīng)信息，傳感節(jié)點(diǎn)收到響應(yīng)后，建立綁定表。當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)建立綁定連接后，將自動(dòng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集并且發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口將數(shù)據(jù)發(fā)送到終端。

4.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理

傳感節(jié)點(diǎn)將多次AD采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)一系列處理后，向協(xié)調(diào)器發(fā)送一個(gè)十進(jìn)制數(shù)字轉(zhuǎn)換量。由于傳感器的零點(diǎn)輸出和托盤(pán)的影響，空載時(shí)，傳感器的輸出不為零。本設(shè)計(jì)將協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)外擴(kuò)一片掉電數(shù)據(jù)不丟失的芯片AT24C04，空載時(shí)，收到的傳感節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)按鍵方式，寫(xiě)入AT24C04，加載物體時(shí)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)減去空載的數(shù)據(jù)，得到實(shí)際變化量，通過(guò)相應(yīng)的數(shù)值轉(zhuǎn)換和標(biāo)定顯示物體的實(shí)際重量。

圖4 加載前的數(shù)據(jù)顯示

圖5 加載后的數(shù)據(jù)顯示

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在PC機(jī)的串口調(diào)試界面中，當(dāng)空載時(shí)，4個(gè)節(jié)點(diǎn)收到的信息如圖4所示，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)給每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)都分配一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址。將每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的托盤(pán)上放1kg的砝碼，收到一組穩(wěn)定的數(shù)據(jù)如圖5所示，加載前后數(shù)據(jù)的對(duì)比如表1所示。

加載物體前，由于零點(diǎn)輸出和托盤(pán)本身的重量，所以傳感器的輸出不為零，相應(yīng)的轉(zhuǎn)換值也不為零，為一穩(wěn)定的量。每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的托盤(pán)加載1kg的砝碼，采集到一組穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，加載前后的結(jié)果表明，該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測(cè)量壓力傳感器的數(shù)據(jù)，且最小分辨率為1g左右。

表1 加載前后結(jié)果對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

將zigbee與壓力傳感器結(jié)合，構(gòu)成無(wú)線壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其適應(yīng)性強(qiáng)，方便地實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)測(cè)量，有效避免了有線采集時(shí)布線復(fù)雜的難題。在溫度變化不大，電源穩(wěn)定的條件下，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)壓力傳感器數(shù)據(jù)的采集。實(shí)際的應(yīng)用中，可以更換不同量程的傳感器，以滿足不同的應(yīng)用需求。