基于物聯網的軌道車門壓力檢測系統的設計

陸馳宇

（南京康尼電子科技有限公司 江蘇南京 210046）

一、引言

壓力計廣泛地應用于礦井勘探、工業氣體壓力監測以及生產活動等領域。傳統機械式壓力計因操作復雜、讀數不能保持等缺點，已逐漸被電子式壓力計取代[1]。本文在研究電子式壓力計的基礎上，設計了一種基于物聯網的壓力傳感器，將短距離藍牙通訊模塊集成到內部，在手機APP端可顯示本次測量壓力的最大值和有效值，同時還可以在手機APP端實現測量結果的存儲和歷史查詢的功能[2]。

二、系統設計

基于物聯網的壓力檢測系統是由壓力計終端和手機APP兩部分組成，壓力計終端用于壓力測量，而手機APP則用于接收壓力計終端上傳的數據，并將數據實現本地存儲和歷史查詢的功能[3]。壓力計終端是以STM32為控制核心，利用高精度應變式壓力傳感器采集壓力值，通過精密放大電路對采集到的信號進行處理，再利用STM32的內部AD轉換器對信號進行模數轉換，進而求出壓力值，系統框圖如圖1所示。

圖1 基于物聯網的壓力檢測系統框圖

三、硬件電路設計

壓力計終端是由高精度壓力傳感器、傳感器供電電路、傳感器信號處理電路、主控電路以及藍牙傳輸電路組成[4]。其中高精度壓力傳感器是整個硬件系統的核心，其精度直接決定著整個系統的測量精度；供電電路一方面給傳感器提供超低噪聲、低紋波的激勵電壓，另一方面為信號處理電路提供偏置電壓；藍牙傳輸電路用于將測力計終端的數據發送到手機APP中，硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件總體框圖

（一）傳感器供電電路

對于壓力的測量，系統選用高精度壓力傳感器，壓力傳感器精度可達0.1‰，分辨率高達1mV/N。系統選用超低造成、低紋波的電源轉換芯片MP2451DT，該芯片具有寬輸入電壓3.3V～36V之間，實測紋波電壓小于8mV，完全能夠滿足傳感器的測量精度。

（二）傳感器信號處理電路

系統采用TI設計的專用儀用放大器INA128U，其具有超低溫漂，0.5uV/℃；超低的補償電壓50uVmax；以及超低的偏置電流5nAmax；這些優點使得該款運放非常適合于本文的傳感器信號放大，最大可將輸入信號放大約1000倍。

（三）藍牙傳輸電路

藍牙傳輸電路是將系統測得的壓力值實時發送給手機APP，藍牙模塊通過UART口與STM32之間實現數據傳輸，選用的藍牙模塊具有休眠、透傳、連接成功指示等功能，當藍牙模塊處于某一狀態時，與其連接的I/O口會出現相應的高低電平變化，通過高低電平的變化來判斷藍牙的狀態。

四、軟件設計

系統軟件包括壓力計終端軟件和手機APP軟件，其中壓力記計終端軟件是研究的重點。軟件流程圖如圖3所示。

圖3 系統軟件流程圖

五、實驗數據分析

根據以上軟硬件設計，完成了基于物聯網的壓力檢測系統后，開始對整個系統進行聯調測試。首先對壓力計進行標定，利用最小二乘法擬合出壓力－電壓的數據曲線，再將數據曲線算法寫入到STM32內部，最終通過檢測到的電壓值反推出壓力計受到的壓力值。

（一）校準實驗

在進行聯調之前，需要對測力計進行壓力校準。已知壓力傳感器輸出電壓與受到壓力成正相關關系，通過標準砝碼來進行標定，記錄每次疊加砝碼系統輸出的電壓值，利用最小二乘法擬合出壓力－電壓曲線。

根據最小二乘法擬合出的數據曲線如下式所示：

最小二乘法擬合線性誤差為0.38%。

式中y：是砝碼質量，單位Kg；x：為系統輸出電壓，單位mV；

（二）準確性測試驗證

由上式（1）可知，通過最小二乘法擬合出的線性誤差為0.38%，該誤差遠小于預期。在標定完成之后，開始進行試驗驗證，可利用壓力測試儀來測試本文壓制的壓力計的準確性，將此壓力加載到壓力計上。實際測試結果表明，該系統具有較高的準確性，系統整體測量誤差小于0.5%，達到設計要求。

（三）與APP聯調實驗

在驗證完壓力計測量的準確性之后，開始進行整個系統的聯調。當將壓力加載到壓力計上，手機APP界面可顯示出測量壓力的最大值和有效值，APP端還可以實現對每次測得壓力值的存儲和歷史查詢的功能。測試結果顯示如圖4所示。

圖4 手機APP與測力計聯調測試

六、總結

本文設計了一種基于物聯網的壓力檢測系統，該系統的創新之處在于采用無線方式建立測力終端與手機APP之間的連接，實現數據的存儲、查詢。實際測試結果表明，設計的聯網型壓力計具有測量精度高的優點，操作簡單，便于數據的存儲和查詢。