基于IEEE 1451.5的高精度智能稱重傳感器系統*

陳耿新 黃錦勝

基于IEEE 1451.5的高精度智能稱重傳感器系統*

陳耿新 黃錦勝

（揭陽職業技術學院）

針對稱重傳感器系統智能化、高精度的需求，應用IEEE 1451技術和數字濾波算法實現高精度智能稱重傳感器系統。首先，根據IEEE 1451.5架構設計稱重WTIM、NCAP及兩者ZigBee通信接口，研究TEDS定義、配置技術以實現稱重傳感器ZigBee接口的即插即用、自識別功能；同時，提出一種適用于應變式稱重傳感器的數字濾波算法，在保證稱重系統高分辨率的基礎上提高稱量精度；最后，搭建基于IEEE 1451.5的高精度智能稱重傳感器系統并研發稱重測量軟件，測試該系統的即插即用和精度性能。測試結果表明：該系統可實現智能稱重傳感器ZigBee接口即插即用；采用數字濾波算法的系統非線性誤差不超過0.0058%F.S、遲滯誤差不超過0.0037% F.S、重復性誤差不超過0.0051%F.S，比采用數字濾波前分別減少32.56%、22.92%、17.74%，精度顯著提高。

稱重傳感器系統；IEEE 1451；ZigBee；高精度；數字濾波

0 引言

稱重傳感器是應用最廣的計量器件之一，廣泛應用于工業、商貿、民用等領域。由于稱重系統需求量大且性能要求不斷提高，稱重傳感器技術及產品得到快速發展，智能化、高精度已成為稱重傳感器技術發展方向[1]。

IEEE 1451標準為傳感器智能化、網絡化提供系列軟硬件標準，研究人員將其應用于稱重傳感器系統中，實現稱重傳感器智能化[2-5]。張延響等根據應變式稱重傳感器誤差模型，利用IEEE 1451智能傳感器校正引擎對稱重傳感器進行非線性校正，在一定程度上抑制了非線性誤差和零漂問題[2]。劉桂雄、陳耿新等研究IEEE 1451.2智能傳感器即插即用機理，并將其應用于智能稱重傳感器系統中，結合變送器電子數據表（transducer electronic data sheet，TEDS）實現稱重傳感器的自識別[3-4]。鄭培亮研究基于ARM的IEEE 1451智能稱重傳感器，根據IEEE 1451.2標準實現智能變送器接口模塊、網絡適配器（network capable application processor，NCAP）及兩者的接口[5]。部分研究人員從事稱重傳感器精度提升技術研究[6-8]。林海軍等提出一種基于導數約束的稱重傳感器非線性誤差補償方法，構建針對稱重傳感器非線性誤差補償的神經網絡，研究該神經網絡的訓練約束條件和懲罰因子，該方法有效提高稱重傳感器的準確度[6]。Paw?owski A等研究分揀機稱重系統的快速自適應濾波技術與補償方法，以此提高測量精度和分揀準確性[7]。Choi K N研究帶式運輸機自動稱重系統中稱重傳感器的振動噪聲模型，利用降噪算法濾除峰值噪聲和脈沖寬度，動態控制低通濾波器的截止頻率和斜率，以此提高稱重測量的精度[8]。

本文研究基于IEEE 1451.5的高精度智能稱重傳感器系統，根據IEEE 1451.5標準設計、實現智能稱重傳感器系統的無線變送器接口模塊（wireless transducer interface module，WTIM）和NCAP，結合TEDS實現兩者之間ZigBee接口的即插即用；同時，提出一種提高應變式稱重傳感器測量精度的數字濾波算法，該算法可有效減小該稱重傳感器系統稱量的隨機誤差，顯著提高稱量精度，且具有足夠高的測量分辨率。

1 IEEE 1451.5智能稱重傳感器系統

IEEE 1451.5標準是無線智能傳感器標準，利用該標準可實現無線智能傳感器的網絡化、互換性、互操作性和即插即用。本文搭建的IEEE 1451.5智能稱重傳感器系統架構如圖1所示，由WTIM和NCAP構成，兩者可通過標準無線接口（包括IEEE 802.11、Bluetooth、ZigBee及6LoWPAN）通信。WTIM中的TEDS描述、保存WTIM及其稱重傳感器的信息及參數。NCAP可連接一個或多個WTIM，并通過網絡接口連接外部網絡（如以太網）。本文WTIM與NCAP之間通過短距離、低功耗、低時延、高可靠性的ZigBee進行通信。

1.1 WTIM設計

WTIM的功能是利用稱重傳感器獲取對象的重量信號；然后利用信號調理與數據轉換電路對該信號進行硬件濾波、模數轉換等處理；最后通過ZigBee無線接口將處理后的數據傳輸至NCAP。

本文IEEE 1451.5智能稱重傳感器系統采用ZigBee芯片JN5139。稱重WTIM的硬件電路原理圖如圖2所示，稱重傳感器YZC-1B輸出為模擬信號。模擬信號通過硬件濾波電路、外置ADC或JN5139內置12位ADC連接至JN5139。為提高測量精度，本文采用24位、轉換精度高的∑-Δ型模數轉換器AD7190。核心部件JN5139運行傳感終端程序、路由程序，負責ZigBee接口配置、收發數據、信號處理、數據轉換。JN5139的128 kB Flash可用于存儲TEDS。

圖1 IEEE 1451.5智能稱重傳感器系統架構圖

圖2 稱重WTIM的硬件電路原理圖

1.2 NCAP設計

NACP通過ZigBee無線接口接收WTIM發送的TEDS信息和稱重傳感數據，并將傳感數據校正后發送至外部網絡的遠程客戶端。NCAP可以是包括ZigBee接口的嵌入式系統，也可由計算機連接ZigBee協調器構成。

NCAP由計算機與ZigBee協調器件組成，兩者通過串口通信，計算機運行網絡通信協議和稱重測量軟件。ZigBee協調器程序流程如圖3所示，其中網絡指ZigBee網絡，數據處理包括TEDS數據和稱重傳感數據處理。ZigBee協調器核心是JN5139，負責ZigBee網絡建立、參數設置和數據處理。

圖3 ZigBee協調器程序流程圖

1.3 自識別技術

傳感器自識別是IEEE 1451.5智能傳感器的主要特點之一，TEDS定義與配置是實現傳感器即插即用、自識別的核心技術。

TEDS系統描述WTIM及其各傳感通道的類型、參數、操作方式和屬性。WTIM通過TEDS向NCAP提供自身描述信息及相關參數；NCAP讀取、解析TEDS獲取WTIM及傳感通道的信息及參數，并據此配置、分配資源。IEEE 1451標準定義多個TEDS，其中Meta-TEDS、Transducer Channel TEDS、PHY TEDS是傳感器自識別必須具備的[4]。

智能稱重傳感器系統傳感器自識別流程如圖4所示。WTIM在成功接入ZigBee網絡后，向NCAP發送自識別中斷請求開始自識別操作；WTIM、NCAP任一方接收到對方消息幀后須返回確認應答幀，若發送方在規定時間內沒接收到對方確認應答幀則重新發送數據，直至發送成功或發送次數達到最大值。

圖4 智能稱重傳感器系統傳感器自識別流程圖

TEDS配置是IEEE 1451智能傳感器自識別的關鍵環節。TEDS配置流程包括：NCAP接收到各TEDS后，需通過校驗和字段驗證其完整性、正確性；對通過驗證的TEDS進行解析、翻譯，獲取WTIM及其通道相關信息、參數，再根據這些信息、參數配置相關資源以完成后續功能，如NCAP配置校正引擎相關參數實現數據解耦、校正。

2 系統測量精度提高

為提高稱重傳感器精度，本文除了利用硬件濾波、高精度ADC和斬波技術外，還提出一種符合應變式稱重傳感器信號特點的數字濾波算法，保證系統高分辨率的同時減小隨機誤差影響，進一步有效提高稱重傳感器系統的測量精度。

本文提出的稱重傳感器系統數字濾波算法流程圖如圖5所示。設置一個長度為8的隊列，用于保存最近采集的8個稱重數據，隊列元素1，2保存最新、次新數據，以此類推。隊列未滿時，新數據進入隊列后，計算隊列已存放數據的各元素的算術平均值，該值作為濾波輸出out。由于此時隊列長度較小，靈敏度較高，能較快響應重量變化。

隊列滿后，選取隊列后3個元素6~8的中間值mid。對于隊列中前5個元素1~5，首先獲得它們的最大值max1、次大值max2與最小值min1、次小值min2，然后將max2、min2與mid比較，最后根據稱重傳感器系統分辨率要求設置比較閾值，比較結果按以下3種情況進行處理：1）若max2－mid≥，則濾波輸出out=max1，否則out=mid；2）若min2－mid≤－，則濾波輸出out=min1，否則out=mid；3）若max2－mid≤且min2－mid≥－，則out=mid。由于稱重數據變化較為緩慢，隊列滿后采用上述綜合中值濾波與去抖動濾波的方法，當檢測到稱量重量的變化量達分辨率時，稱重傳感器系統及時輸出變化的重量；當未檢測到稱量重量變化時，則輸出修正的值。該方法可及時響應重量測量變化，又可有效消除測量數據中出現的波動脈沖干擾，提高稱重傳感器系統的測量精度。

圖5 稱重傳感器系統數字濾波算法流程圖

3 系統搭建與測試

研制WTIM、NCAP及稱重測量軟件，搭建基于IEEE 1451.5的高精度智能稱重傳感器系統并進行即插即用、稱重精度測試。基于IEEE 1451.5的高精度智能稱重傳感器測試系統如圖6所示，NCAP由計算機、ZigBee協調器構成，計算機上運行圖7所示基于MATLAB的稱重測量軟件。

智能稱重傳感器ZigBee接口即插即用性能測試以平均初次入網時間t、平均重新入網時間t、平均斷網識別時間t作為評價指標。平均初次入網時間t定義為從WTIM首次向NCAP發送入網請求，直至其收到NCAP入網確認所需的平均時間；平均重新入網時間t定義為已加入網絡的WTIM斷開連接后，從WTIM再次發送入網請求，直至其收到NCAP入網確認所需的平均時間；平均斷網識別時間t定義為從WTIM發生故障或斷電開始，到NCAP識別WTIM斷網所用的平均時間。t，t，t越小，智能稱重傳感器ZigBee接口即插即用性能越好。

在上述基于IEEE 1451.5的高精度智能傳感器系統上進行即插即用測試實驗。表1是不同距離下，該系統ZigBee接口t，t，t測試結果，可以看出，t，t，t隨著通信距離增大而增加。

圖6 基于IEEE 1451.5的高精度智能稱重傳感器測試系統

圖7 基于MATLAB的稱重測量軟件

在圖6所示智能稱重傳感器測試系統中對該系統測量精度進行測試。采用國標GB/T7551－2008《稱重傳感器》規定的線性、滯后、重復性等作為精度指標。測試系統使用量程3kg的應變式稱重傳感器YZC-1B，其指標為：非線性誤差0.0086%F.S、遲滯誤差0.0048% F.S、重復性誤差0.0062%F.S。

表1 智能傳感器系統ZigBee接口即插即用測試結果

重復對圖6所示智能稱重傳感器測試系統進行10次正反行程的測量，從0 g開始，按標準規定逐次加載或卸載500 g砝碼，直至滿量程；數字濾波閾值取100。利用圖7所示稱重測量軟件顯示、自動保存測量數據，并計算各精度指標和顯示誤差曲線。

基于IEEE 1451.5的高精度智能稱重傳感器系統精度測量結果如圖8所示，包括非線性誤差e、遲滯誤差e、重復性誤差e。可以看出，采用本文數字濾波算法后，該系統的e不超過0.0058%F.S，e不超過0.0037% F.S，e不超過0.0051%F.S，比采用數字濾波前分別減少32.56%、22.92%、17.74%，系統的精度指標明顯提高。

圖8 基于IEEE 1451.5的智能稱重傳感器系統精度測量結果

4 結論

1）基于IEEE 1451.5的智能稱重傳感器包括稱重WTIM、NCAP及兩者之間的無線通信接口，利用WTIM中TEDS可實現該無線通信接口的即插即用。

2）TEDS描述、保存WTIM及其傳感通道的信息及參數，TEDS定義、傳輸、配置是實現智能稱重傳感器自識別的關鍵。

3）本文提出的符合應變式稱重傳感器信號特點的數字濾波方法，可有效抑制外界原因引起的隨機誤差，使稱重傳感器系統的非線性誤差、遲滯誤差、重復性誤差均大大減小，精度得到明顯提高；該方法選取合適的閾值，可保證系統具有足夠高的分辨率，并減小外界干擾的影響。

[1] 劉九卿.應變式稱重傳感器技術現狀及創新發展趨勢(待續)[J].工業計量,2015,25(2):45-51.

[2] 張延響,程學珍,楊吉語,等.基于曲線擬合的智能稱重傳感器自校正[J].微型機與應用,2017,36(5):65-68.

[3] Liu Guixiong, Chen Gengxin, Zhou Yuebin. SPWD based IEEE 1451.2 smart sensor self-recognition mechanism and realization[J]. Procedia Engineering, 2012, 29(4):2501-2505.

[4] 陳耿新. 網絡化智能傳感器的即插即用實現機理與方法[D].廣州:華南理工大學,2012.

[5] 鄭培亮.基于ARM的IEEE 1451智能稱重傳感器設計[D]. 廣州:華南理工大學,2011.

[6] 林海軍,王震宇,林亞平,等.基于導數約束的稱重傳感器非線性誤差補償方法[J].傳感技術學報,2013,26(11):1537-1542.

[7] Paw?owski A, Rodríguez F, Sánchez-Hermosilla J, et al. Adaptive weighing system with fast nonstationary filtering and centrifugal force compensation[J]. IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement,2017 (99):1-8.

[8] Choi K N. Noise in load cell signal in an automatic weighing system based on a belt conveyor[J]. Journal of Sensors, 2017(5):1-9.

[9] 汪其銳,王桂華,王永軍.數字濾波技術在稱重傳感器信號上的應用[J].山東工業技術,2015(15):256-257.

High-Precision and Smart Weighing Sensor System Based on IEEE 1451.5

Chen Gengxin Huang Jinsheng

(Jieyang Vocational & Technical College)

Contraposing the smart and high-precision demand of weighing sensor system, this paper designs and realizes high-precision and smart weighing sensor system using IEEE 1451 and digital filter algorithm. Firstly, weighing WTIM and NCAP is designed. TEDS definition and configuration technology is researched for ZigBee interface self-identification between WTIM and NCAP. Digital filter algorithm is presented for strain gauge load cell. The digital filter algorithm can improve precision and ensure high resolution of weighing sensor system.Finally, high-precision and smart weighing sensor system based on IEEE 1451.5 is constructed for its plug and play performance and precision performance test. The weighing test software is implemented. The test result shows that the system realize ZigBee interface plug and play. The precision of weighing system using the digital filter algorithm is high. The system’s non-linear erroreis lower than 0.0058%F.S. Its hysteresis erroreis lower than 0.0037% F.S. Its repeatability erroreis lower than 0.0051%F.S. Comparing with the weighing sensor system not using digital filter algorithm, itse,eandereduce 32.56%, 22.92% and 17.74%.

Weighing Sensor System; IEEE 1451; ZigBee;High-Precision; Digital Filtering

陳耿新，男，1984年生，講師，工程師，主要研究方向：智能傳感技術及應用。E-mail: jycchengx@163.com

2015年度揭陽市科技計劃項目（2015B01024）；揭陽職業技術學院2014年度科學研究項目（2014JYCKY02）。