2019年第06期 一种基于Z i g
B e e 的高速无线压力信号采集系统设计路 通，张海鹏，刘 宇 (中海石油技术检测有限公司，天津300452
)摘 要 由于存在大量的工业场合不具备电缆敷设的条件，无线传感器得到了越来越广泛的应用，但是大部分产品
受通信模式及设备性能的限制，采样频率较低，无法满足高速的数据采集需求㊂鉴于此，介绍了一种基于Z i g B e e 和传统传感器的无线压力信号采集系统设计方案，集合了F P G A 及L a b V I E W 等软硬件高速数据处理技术，实现了压力信号的高速采集和局部缓存，有效弥补了当前主流无线传感器采集频率偏低㊁传输性能较差的技术劣势㊂
关键词 Z i g B e e ;F P G A ；高速采集；低功耗中图分类号 T P 274
载脂蛋白eD O I 10.19769/j .z d h y .2019.06.0071概述
当前主流的无线传感器主要用于过程控制系统中工艺参数的监视以及环境数据的采集等，其主要优势是防护等级较高，运行稳定，能够适应通用工艺流程数据采集和系统监控的需求，但是受通信协议设置及设计倾向的限制，通信距离大都在300m 以内，采样周期基本上都在1s 以上㊂这对于普通的工艺控制系统是足够的，但是对于高
速的数据采集需求(例如100次/s 以上)
则完全不适用[1
]㊂本方案以成熟压力传感器(变送器)为基础，采用
F P
G A 的电路设计，实现高速的A /D 转换和基于Z i g
B e e 的无线数据收发，并进行了低功耗额的电路优化，配以功能强大的电池及供电控制模块，实现压力信号的高速采集和缓存，进而通过基于L a b V I E W 的软件设计，实现数据的导出㊂该设计方案的技术指标如下:(1)无线传输距离:3k m 以上;(2)单个节点的采样速率:ȡ100次/秒; (3)系统可承载节点:ȡ16;(4)压力精度等级：不低于0.5级;(5)测量范围:0~3M P a
㊂2无线高速数据采集的实现
2.1实现方案概述
如图1所示，无线高速数据采集系统主要由三部分
我不是最弱小的教学设计组成:
(1
)现场信号采集及收发单元：主要完成压力信号的采集㊁高速A /D 转换㊁压力数据的暂存以及压力数据的发送和命令信号的接收;
(2
)专用无线网关：主要完成无线压力信号采集系统中接收采集节点的压力信号，并实现压力信号的缓存，通过有线通信线缆将所采集的压力值传送至上位机，接受来自上位机的操作指令;
(3
)上位机数据处理单元：将来自无线网关的数据进行存储和规划处理，并设计各种表达输出形式，例如
将采集到的压力信号以E x c e l 或W o r d 文件的形式导出㊂
图1 无线传感器网络总体构成图
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收稿日期:2019-04-17
2019年第06期2.2现场信号采集及收发单元
2.2.1电源管理模块
传感器(压力变送器)㊁高速压力采集模块以及远程
兰州交通大学学报无线收发模块的工作电源都需要由电源管理模块提供㊂电源供电模块是由锂电池与电源控制电路组成，根据现场部件的工作状态智能调整供电功率，能够在正常运转㊁系统休眠和停止工作三种状态之间自由切换，在保证正常工作的同时，还能够尽量降低系统功耗，最大限度地延长电池的供电周期㊂
2.2.2压力高速采样模块
压力高速采样模块由信号放大电路㊁数模转换电路和输出接口转换电路三部分组成，如图2所示㊂压力变送器的压力输出值为4~20m A ，经过电流/电压的转换和信号的放大电路将号放大，传输到下一级高速模数转换电路进行模拟量的采集，整个系统的发射与接收均为数字量，对压力变送器的输出值进行连续高速采样㊂本项目拟采用高速A D C 对模拟量进行采集，实现采集的精度(采样误差仅为ʃ0.024%)及速率(采样速率为100
逆向建模
k b /s )的技术要求，高速A D C 输出的信号为压力值的数字量，然而12b i t 的数据格式难以满足Z i g B e e 通信协议的需求，输出接口转换电路现将数模转换电路输出的数据转换到U A R T 数据格式，并将该数据传输到无线发射模块进行数据的打包处理
㊂
图2 高速采样模块组成示意图
2.2.3基于Z i g
B e e 的无线数据远程发射模块数据远程发射模块主要由通信转换模块㊁功率放大模块和巴伦匹配电路三部分组成，如图3所示㊂
图3 基于Z i g
B e e 的数据无线远程发射模块结构示意图其中，通信转换模块是利用F P G A 来解析输出接口
转换的数据，并按照Z i g B e e 的通信协议将压力数据打包成对应的数据格式，并传送到功率放大模块㊂F P G A 内
部由L U T 和F F 构成,
拥有丰富的时序逻辑资源，现在很多F P G A 都集成了D S P 和B R AM [2]
㊂因此,
常常利用F P G A 处理一些数据量较大㊁
过程较复杂的算法㊂将算法中的多个过程完成并行处理，在同一时间段内就能进行多路计算，大大加快了数据处理过程㊂本项目利用
F P
G A 来对A D C 采样的数据进行高速打包,
保证数据的完整性，做到数据不丢包和缺失㊂另外，为了防止F P G A 运行程序的掉电丢失，通信转换模块上内置一块
F L A S H ，保证电路一上电，程序自动加载到F P
G A 开启电路正常运作㊂另外，用户也可通过擦写操作，重复修改程序，支持应用到不同场景㊂通信转换模块上支持J T A G 模式下载和调试功能，可在线调试和在线编程，具有很强的灵活性㊂
2.3多路无线数据高速采集模块(
无线网关)多路无线数据高速采集模块包括Z i g
B e e 协调器㊁主控器和接口转换电路三部分组成，如图4所示㊂Z i g B e e 协调器完成网络的建立㊁
命令的发送和数据采集，而主控器主要完成命令的发送㊁数据的收集㊁数据的解析和数据的格式转换㊂接口转换电路是将主控器解析后的数据通过网口传递到上位机上㊂在采集信息时，终端节点把信息通过Z i g B e e 网络传送给Z i g B e e 协调器,Z i g B e e 协调器再通过网口把采集的信息传给主控器㊂在下达命令时,
主控器通过网口把命令传送给Z i g B e e 协调器，协调器再通过Z i g
B e e 把命令对应下达到节点上，节点接受到命令后执行相应操作[
3]
㊂图4 多路无线数据高速采集模块结构图
霍顿
2.4上位机数据处理单元
kj008高速数据采集的收集是基于L a bV I E W 的虚拟开发
环境而开发，利用L a bV I E W 里面内置的文件操作函数包㊁仪器驱动函数包㊁格式转换函数包㊁信号提取函数包和信号分析函数包等进行压力数据的高速处理(例如实时显示㊁格式转换等)㊂由于E x c e l 表格数据文本格式写
入和上传速度较慢，难以与高频的数据采集功能相匹配，本项目拟用T D M S 的二进制数据格式来转存数据，当采集过程完成之后，由T D M S 数据转换为可供用户分析的
E x c e l 表格数据或W o r d 表格数据㊂
3结语
经过测试，本系统在试验测试中获得了良好的数据采集效果，能够对高频的压力变化信号进行可靠的捕捉和记录㊂本方案采用传统传感器与Z i g B e e 技术相结合的模式，构造出一套完整的高速数据采集系统，可与其他类型的传感器(温度㊁液位或位移等)灵活搭配，实现多种信号的实时采集，具有一定的推广意义㊂
参考文献
[1]李亚儒，崔燕，刘浩.基于Z i g
B e e 技术的智能家居物联网系统分析[J ].计算机产品与流通,2019(1):160.[2]白晓，尹俊，郑洋德，等.基于F P G A 和L a b V I E W 的多
通道数据采集系统设计[J ].核电子学与探测技术,2018
(3):15-21.
[3]尹小曼，马俊，陈博行，等.基于Z i g
B e e 技术的智能家居环境监测系统设计与实现[J ].自动化与仪器仪表,2019
(3):96-99.
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