基于無線傳感技術的電子測量裝置自動控制系統

李 明

（四川工業科技學院 電子信息與計算機工程學院，德陽 618500）

伴隨制造工藝以及科學技術快速發展，人們對電子測量裝置的測量穩定性和測量精度有了更高的要求。電子測量裝置測量電壓、電流等信號過程中，容易受到眾多干擾因素影響，降低電子測量裝置的測量精度，導致測量結果出現較高的偏差[1]。利用自動控制系統對電子測量裝置進行遠程控制，有助于提升電子測量裝置的測量精度與應用性。

電子測量裝置使用一段時間后，測量精度將發生一定程度的改變，甚至出現測量漂移情況，其控制性能極為重要。目前已經有眾多研究學者針對電子測量裝置控制進行研究：文獻[2]針對應用于廣域測量的電子測量裝置自動化控制進行研究，利用小波分解去噪方法，將電網振蕩區域和振蕩數值作為自動化控制的輸入，針對低頻低壓解列裝置進行自動化控制，該方法有效去除測量裝置中包含的噪聲，實現低頻低壓解列裝置的自動控制；文獻[3]針對光譜測量儀器的溫壓控制設計了控制系統，優化了系統的控制算法，實現光譜測量儀器溫度和壓強采集的精準控制，滿足光譜測量儀器的控制標準。以上2種方法雖然可以實現電子測量裝置的精準控制，但是存在控制過程過于復雜、控制實時性差的缺陷。

無線傳感技術具有數據處理、無線通信和信息集成等眾多功能，無線傳感網絡利用大量的微型傳感器節點，感知、采集與處理無線傳感網絡中的感知對象，將所采集數據傳送至數據處理中心。本文針對當前電子測量裝置控制中存在的問題，設計基于無線傳感技術的電子測量裝置自動控制系統，提升電子測量裝置的自動控制性能。

1 電子測量裝置自動控制系統

1.1 系統總體結構

基于無線傳感網絡的電子測量裝置自動控制系統總體結構如圖1 所示。通過圖1 可以看出，系統包括數據采集層、數據鏈路層、網絡層、控制層和應用層。系統利用ZigBee 協調器與采集電子測量裝置數據的傳感器終端節點組成網絡。采集電子測量裝置的運行數據利用無線通信技術傳輸至ZigBee 協調器，協調器利用串口，通過有線的形式將所采集的數據傳送至系統的自動控制模塊[4]。利用LabVIEW軟件編程上位機顯示電子測量裝置的實時運行狀態信息。自動控制模塊，利用PID 控制器確定電子測量裝置的控制量，依據控制量計算結果，向電子測量裝置發送控制命令，實現電子測量裝置的遠程自動控制。利用數據鏈路層為系統提供訪問控制與邏輯鏈路控制。

圖1 系統總體結構Fig.1 Overall system structure

1.2 系統硬件設計

1.2.1 無線傳感器節點

設置系統數據采集層中采集電子測量裝置運行信號的傳感器，作為無線傳感網絡的無線傳感器節點。利用網絡層的ZigBee 協調器管理與維護無線傳感器節點，控制無線傳感器節點與節點之間的通信[5]。選取CC2530 芯片作為無線傳感網絡通信的核心芯片。無線傳感器節點的硬件結構如圖2 所示。

圖2 無線傳感器節點Fig.2 Wireless sensor nodes

1.2.2 ZigBee 協調器

ZigBee 協調器位于系統的網絡層，其硬件結構如圖3 所示。利用協調器中的串口通信電路，實現自動控制模塊與協調器間的通信。選取RS232 收發器芯片作為無線傳感器節點的收發器，協調器滿載時，可以保持高達235 kb/s 的數據傳輸速率[6]，協調器節點需要一直保持工作狀態，采用有線電源為協調器節點供電。

圖3 協調器節點結構Fig.3 Coordinator node structure

1.2.3 自動控制芯片

充分考慮無線傳感技術的使用需求，以及電子測量裝置自動控制系統的硬件資源，選取三星公司的S3C44B0X 微處理器作為系統控制層的控制芯片。S3C44B0X 微處理器選取ARM7TDMI 作為CPU的內核，最高的工作頻率為66 MHz，滿足無線傳感網絡的通信需求，利用32 位數據線為芯片提供指令與數據服務。僅有加載與存儲指令可以實現儲存器的訪問，運算部件的操作數據利用加載與存儲指令存放至寄存器內，對寄存器內的內容操作完成數據處理指令，提升數據執行速度。

1.3 系統軟件設計

1.3.1 無線傳感網絡節點軟件設計

ZigBee 協調器采用無線傳感網絡節點軟件設計方法，管理無線傳感器節點與上位機數據的信息交互。ZigBee 網關初始化后，對無線傳感網絡進行格式化處理，選取合適的信道構建新的通信網絡，為無線通信網絡分配所屬ID 以及數據采集命令[7]。無線傳感網絡節點的軟件設計流程如圖4 所示。無線傳感器節點采集電子測量裝置數據，實現所采集數據傳輸。無線傳感網絡具備路由功能，實現節點與節點間的通信，明確通信網絡的鏈路狀態[8-9]。為了降低無線傳感網絡的功耗，終端節點設計軟件應該盡量保持模塊處于休眠狀態，降低對ZigBee 模塊的喚醒次數，提升無線傳感網絡中傳感器節點的使用壽命。

圖4 無線傳感網絡節點程序流程Fig.4 Wireless sensor network node program flow chart

1.3.2 基于PID 的電子測量裝置控制算法

系統控制層的自動控制模塊運行PID 控制算法，實現電子測量裝置的自動控制。PID 控制器由比例控制部分、積分控制部分和微分控制部分組成。將電子測量裝置的控制誤差作為PID 控制器的輸入，PID 控制器通過對控制量的調節[10]，實現電子測量裝置的自動化控制。PID 控制器具有結構簡單、適用性強的優勢，通過控制參數的調整，實現電子測量裝置的高效控制。

PID 控制器控制電子測量裝置的運動方程表達式如下：

式中：f（t）與e（t）分別表示電子測量裝置的實時信號以及輸出誤差；Kp、Ki、Kd分別表示比例系數、積分系數、微分系數。

以式（1）為基礎，構建PID 控制器自動控制電子測量裝置的傳遞函數表達式如下：

式中：Z 與G（Z）分別表示電子測量裝置的實時運行信號以及傳遞函數。

采用PID 控制器，自動控制電子測量裝置的結構如圖5 所示。PID 控制器的輸入為電子測量裝置的控制目標值，PID 控制器運行PID 控制算法[11]，輸出控制量，自動控制電子測量裝置的精準運行。

圖5 電子測量裝置自動控制結構Fig.5 Automatic control structure of electronic measurement device

2 系統測試

選取某精密儀器生產企業的電子測量裝置作為研究對象（9 個電子電壓表，18 個電子電流表，35個電子計數器，10 個電子長度測量儀），采用本文系統自動控制電子測量裝置，系統的自動控制界面如圖6 所示。通過圖6 的系統運行界面圖可以看出，所設計的電子測量裝置自動控制系統可以實現穩定、可靠地運行。系統可以利用無線傳感網絡，獲取電子測量裝置的實時運行數據，依據電子測量裝置的實時運行狀態，對電子測量裝置發出控制指令，實現電子測量裝置的自動控制。

圖6 系統運行界面圖Fig.6 System operation interface diagram

本文系統利用傳感器采集電子測量裝置的運行信號，隨機選取其中的4 個電子電流表，電子電流表運行信號采集結果如圖7 所示。通過圖7 實驗結果可以看出，采用本文系統可以利用針對電子測量裝置設置的傳感器節點，采集不同電子電流表的電流運行信號。依據電子測量裝置的信號采集結果，確定電子測量裝置的控制量，利用PID 控制器控制電子測量裝置以理想狀態運行。

圖7 電流運行信號采集結果Fig.7 Current operation signal collection results

本文系統采用無線傳感網絡作為通信技術，無線傳感網絡的通信性能對電子測量裝置自動控制的效果影響極大。設置系統的發包速率為0.07 pps，統計不同傳輸距離時，無線傳感網絡的通信丟包率，統計結果如圖8 所示。圖8 實驗結果可以看出，伴隨傳感器節點傳輸距離的不斷增加，系統傳輸電子測量裝置數據的丟包率逐漸提升。電子測量裝置自動控制設置傳感節點時，應該將傳感節點設置在理想的通信范圍內，保證無線通信網絡的覆蓋面積，避免由于傳感節點距離太遠，影響系統的通信可靠性。

圖8 系統丟包率統計結果Fig.8 Statistical results of system packet loss rate

統計不同傳輸距離時，本文系統運行時無線傳感網絡通信的信號強度變化，統計結果如圖9 所示。圖9 系統測試結果可以看出，采用本文系統自動控制電子測量裝置，伴隨通信距離不斷增加，無線傳感網絡的信號強度隨之降低。進一步分析圖9 的系統測試結果，節點距離由5 m 逐漸提升至7 m 后，信號強度值由-50 dB 左右降低至-70 dB 左右。伴隨傳感節點設置距離的不斷提升，無線傳感網絡的信號強度雖然有所下降，但是仍然保持在-70 dB 以上，驗證系統所采用的無線傳感網絡具有較高的通信有效性，可以為電子測量裝置的自動控制提供良好的通信基礎。

圖9 系統傳輸的信號強度變化結果Fig.9 Results of signal strength changes transmitted by the system

采用本文系統對電子測量裝置自動控制，選取電子長度測量儀作為測試對象，控制前后電子長度測量儀的測量結果變化如表1 所示。表1 實驗結果可以看出，采用本文系統控制的電子長度測量儀，測量精度有了明顯的提升。實驗結果驗證本文系統可以實現電子測量裝置的遠程控制，滿足精密電子元件生產的高精度測量需求。

表1 電子測量裝置控制結果Tab.1 Control results of electronic measurement devices

統計不同類型電子測量裝置，采用本文系統控制前后的測量誤差，統計結果如圖10 所示。圖10實驗結果可以看出，采用本文系統自動控制的電子測量裝置，測量精度較高，測量誤差低于0.4%，控制效果理想，可應用于電子測量裝置控制的實際應用中。

圖10 電子測量裝置測量誤差Fig.10 Measurement error of electronic measurement device

3 結語

為了提升電子測量裝置的控制性能，設計基于無線傳感技術的電子測量裝置自動控制系統，選取無線傳感技術，作為電子測量裝置運行數據傳輸的通信方式，利用無線傳感技術具有的高效通信性能，提升電子測量裝置的控制性能。所設計系統可以實現電子測量裝置的遠程控制，降低電子測量裝置管理人員的工作量，系統具有可擴展性強、成本低的優勢，提升電子測量裝置的測量精度，優化電子測量裝置的運行水平。