基于zigbee的壓力傳感器數據采集系統設計

惠州市技師學院電子工程系 康婷霞

本文設計了一種基于zigbee的壓力傳感器數據采集系統，該系統采用CC2530微處理器，結合zigbee協議棧Z-Stack，實現壓力數據通過zigbee網絡自動采集。壓力傳感器的輸出信號通過16位的高精度∑-Δ型AD7705進行模數轉換，協調器節點收到的數據能夠通過AT24C04進行存儲，達到掉電保存。整個系統穩定可靠，更換不同的傳感器，可輕松實現不同應用需求。

1 引言

壓力傳感器的數據采集是自動監測、自動控制系統中非常重要的一部分，比如車載稱重系統，醫療器械中的稱重床，數字稱重計等都是通過壓力傳感器進行前端壓力信號的轉換，輸出的模擬信號再通過AD轉換器實現模/數轉換，所有的這些系統的壓力信號采集方式都是大同小異。同時，隨著無線通信技術的發展，特別是數字電路和射頻工藝的進步，使得壓力傳感器的無線數據采集變的更加經濟、可靠，相較于傳統的有線數據采集，它更有優勢。在一些高溫、高壓、嚴寒等惡劣環境，布線困難場所，無線方式能夠方便準確的進行數據的采集和傳輸。本文采用TI公司的CC2530芯片，設計了一種基于zigbee的壓力傳感器數據采集系統，實現壓力數據通過zigbee網絡自動采集，不同場合下通過更換不同量程的傳感器，可以方便的實現不同的系統應用，具有很強的實用性。

2 系統整體設計

本設計采用樹狀的Zigbee網絡結構，完整的系統包括三個部分，如圖1所示，從左至右分別為終端采集部分、路由部分、協調器部分，其中終端采集部分中的zigbee設備為RFD(Reduced Function Device,簡化功能設備)，路由部分和協調器部分的zigbee設備都為FFD(Full Function Device,全功能設備)。終端采集部分通過由壓力傳感器和高精度AD組成的壓力傳感器模塊對壓力信號進行模數轉換，然后通過終端節點無線發送，路由節點對終端信息進行路由轉發，協調器節點收到路由轉發的信息后進行相應的顯示和存儲。本系統中，由于傳輸距離較近，未使用圖1虛線框中的路由部分進行路由轉發，傳感器節點的數據直接傳送到協調器節點。

圖1 系統框圖

3 系統硬件實現

本設計的整個系統包括4個傳感器節點和一個協調器節點。每個傳感器節點由一個壓力傳感器，一個高精度的16位∑-Δ型AD7705，一個CC2530基本模塊組成；協調器節點由一個CC2530基本模塊外加存儲模塊AT24C04和Nokia5110液晶顯示屏組成，同時協調器節點的CC2530基本模塊帶有RS232串口，可以和PC機進行通信并且顯示。同時，傳感器節點和協調器節點的P1.3和P1.4都分別設置有兩個獨立按鍵S1，S2，用于Zigbee網絡中的通信節點配置。

3.1 傳感器

本系統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，本設計中采用的激勵源為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轉換器AD7705

系統的測量分辨率及精度主要取決于A/D轉換單元，這里選用高精度、寬動態范圍、2通道16位∑-Δ型AD7705，該器件具有完整的模擬前端，內部具有可選擇的增益，能夠直接測量傳感器輸入的微弱信號，轉換精度達到16位無誤碼，采用五線串行口與MCU連接。本設計中將CS直接接地，故連接CC2530的信號線就四根，具體連接方式如圖2所示。通過軟件設置AD7705第一通道為壓力測量通道，轉換頻率為50Hz，內部增益GAIN為64，單極性輸出，則經過AD7705放大后的傳感器信號AIN為640mv左右?；鶞孰妷翰捎肨I公司的REF3012，該芯片輸出的基準電壓VREF為1.25v，精度可達±2.5mV，在 0°C到+70°C時，最大的溫漂為50ppm/°C。根據AD的數據輸出編碼CODE=(216* AIN * GAIN )VREF，得最大CODE的十六進制編碼為0x8312，約為滿量程0xFFFF的一半。為了濾除ADC輸入端來自稱重傳感器的噪聲，在輸入端加入一個簡單的一階RC濾波器。同時為了防止其他電磁波等干擾，在AD芯片上加一金屬屏蔽罩，經過實驗發現，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芯片具有一個增強型的8051內核，32/64/128kB可編程閃存和8kB的RAM，包含模/數轉換器(ADC)、4個定時器、看門狗定時器、32.768kHz晶振的休眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路、21個可編程的數字I/O口。低功耗，在休眠模式下，僅有不到1uA的電流損耗，此時通過外部中斷或者睡眠定時器中斷進行喚醒系統。CC2530芯片的休眠模式轉換到主動模式的時間很短，特別適合那些需要電池壽命非常長的應用。本設計中協調器節點中的CC2530設置為休眠模式，睡眠定時器中斷喚醒，從而大大降低系統的功耗（如圖2）。

3.4 EEPROM存儲單元

AT24C04是4KB的電可擦除芯片，該芯片采用IIC協議與CC2530進行通信，AT24C04的SDA和SCL腳分別與CC2530的P1.0和P1.1相連。在壓力傳感器的數據采集系統中需要記錄一些重要的數據，比如zigbee終端協調器節點的編號，壓力傳感器無重物時的初始輸出等等，以達到掉電后保存。

3.5 終端顯示

終端顯示主要有兩種方式，一種是通過RS232串口與計算機相連，采用串口調試助手顯示，主要是注意CC2530的串口發的波特率和計算機接收波特率的一致，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進行顯示，該LCD具有如下特點：1)84*64的點陣LCD，可以顯示4行漢字。2)采用串行接口與處理器進行通信，包括電源和地在內的信號線僅有九條。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4Mbps。本設計中通過IO模擬SPI接口，實現數據的通信顯示。

4 系統軟件實現

TI公司推出的Zigbee協議棧是基于優先級的輪轉查詢式操作系統，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。Zigbee協議棧為每個層均分配的不同的任務編號，每一個任務中又包含若干個事件。對于開發者來說，一般只需要關注應用層函數的設計即可。當然，如果硬件電路不同，則其硬件抽象層函數也是不同的。本采集系統的軟件在CC2530的協議棧基礎上進行設計。

4.1 傳感節點的數據采集

首先需要對AD7705進行初始化，對相關的寄存器進行配置，本設計設置雙極性輸入，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。AD7705的DRDY輸出端上的邏輯低電平表示從AD7705的數據寄存器獲取新的輸出字，即AD7705完成一次A/D轉換。完成對一個完全的輸出字的讀操作后，DRDY引腳立即回到高電平。RFD定時對傳感器采集的數據，通過射頻端發送。終端節點的功耗主要是無線的發送，通過定時中斷發送，能提高RFD節點的使用時間。傳感器的數據采集流程圖如圖3所示。其中in為AD有效轉換的次數。

整個上述的過程封裝到myApp_Readsensor()函數，調用此函數，即可得到經過軟件處理過的數據。處理方法主要用到了數值濾波和壓力補償。目前關于數字濾波的方法很多，本系統采用的是復合濾波方法，首先將30次采樣值按大小排列，然后去掉前五個值和后五個值，然后對剩余的20個數據求算術平均值。復合濾波既可以去掉脈沖干擾，又可以對采樣值進行平滑加工，它兼有中值濾波和算術平均值的優點。關于溫度引起的壓力傳感器熱零點漂移現象，采用非線性函數多項式擬合的規范方法。在程序中通過擬合出的規范化多項式，對壓力值進行溫度漂移的補償計算。最后函數返回的穩定數據，通過zb_SendDataRequest()函數發送。

圖3 傳感器的數據采集流程圖

4.2 協調器節點和傳感節點之間的通信

首先是協調器啟動和建立網絡，協調器節點啟動后，首先完成系統的初始化，然后進入操作系統。協調器節點首次啟動時，flash存儲器中的Startoption默認值為0x00，不能建立網絡，此時按下按鍵S1，設置其為協調器，并且重啟協調器，最后ZDO層通過系統定時器函數osal_start_timerEx(ZDAppTaskID,ZDO_NETWORK_INIT,delay )產生網絡初始化事件，該事件通過啟動ZDO_StartDevice ()函數，調用NLME_NetworkFormationRequest()來形成網絡，建立網絡后，給予ZDO層反饋。ZDO層設置網絡啟動事件，更新網絡狀態，最后將自己的設備狀態改為啟動狀態。

傳感器節點首次啟動時，flash存儲器中的Startoption默認值為0x00，不能加入網絡，此時按下按鍵S2，設置其為傳感節點，并且重啟傳感節點，同協調器一樣，在ZDO層形成網絡事件，并且啟動ZDO_StartDevice ()函數，調用NLME_NetworkDiscoveryRequest()函數尋找網絡，當發現有網絡存在后，網絡層給予ZDO層發現網絡反饋信息。然后網絡層發起加入網絡請求，如加入網絡成功，網絡層將給予ZDO層加入網絡反饋。ZDO層更新網絡狀態，最后改變自己的設備狀態位加入狀態，然后啟用定時器，不斷發觸發綁定事件。

按下協調器節點的允許綁定按鍵S2，執行綁定函數zb_Allow-Bind()，協調器允許綁定，這樣傳感節發送的綁定請求才能得到協調器的響應。傳感器的綁定事件通過zb_BindDevice()形成綁定請求，協調器節點在自身尋找相匹配的描述符，找到后則給傳感節點發送綁定響應信息，傳感節點收到響應后，建立綁定表。當傳感節點與協調器節點建立綁定連接后，將自動進入數據采集并且發送至協調器節點，協調器節點通過串口將數據發送到終端。

4.3 協調器節點的數據處理

傳感節點將多次AD采集的數據經過一系列處理后，向協調器發送一個十進制數字轉換量。由于傳感器的零點輸出和托盤的影響，空載時，傳感器的輸出不為零。本設計將協調器節點外擴一片掉電數據不丟失的芯片AT24C04，空載時，收到的傳感節點數據通過按鍵方式，寫入AT24C04，加載物體時，協調器節點收到的數據減去空載的數據，得到實際變化量，通過相應的數值轉換和標定顯示物體的實際重量。

圖4 加載前的數據顯示

圖5 加載后的數據顯示

5 實驗結果與分析

在PC機的串口調試界面中，當空載時，4個節點收到的信息如圖4所示，協調器節點給每個傳感器節點都分配一個16位的網絡地址。將每個傳感器節點的托盤上放1kg的砝碼，收到一組穩定的數據如圖5所示，加載前后數據的對比如表1所示。

加載物體前，由于零點輸出和托盤本身的重量，所以傳感器的輸出不為零，相應的轉換值也不為零，為一穩定的量。每個傳感節點的托盤加載1kg的砝碼，采集到一組穩定的數據，加載前后的結果表明，該數據采集系統能夠準確測量壓力傳感器的數據，且最小分辨率為1g左右。

表1 加載前后結果對比

6 結束語

將zigbee與壓力傳感器結合，構成無線壓力數據采集系統，其適應性強，方便地實現了多點測量，有效避免了有線采集時布線復雜的難題。在溫度變化不大，電源穩定的條件下，該系統能夠準確的實現壓力傳感器數據的采集。實際的應用中，可以更換不同量程的傳感器，以滿足不同的應用需求。