基于ZigBee的压力传感器在线校准系统

摘要

本发明公布了一种基于ZigBee的压力传感器在线校准系统。涉及油田中传感器使用后的在线校准检测领域。系统主要包含三个方面的内容，分别是下位机的数据采集、上位机的数据处理以及安卓APP的数据实时显示与报警。数据处理时用户可以根据实际的要求来设置APP报警的阈值，当传输的数据高于阈值时，用户会接收到报警提示，然后再进行数据处理。这种在线校准方法首先是将高精度传感器和其他传感器的数据进行对比后，对误差偏离较大的传感器进行锁定，接下来进行数据融合处理，根据其他传感器的数据将待校准的传感器与锁定的传感器进行校准，这样确保了传感器数据采集以及计算融合结果时压力数值的真实可靠性，同时提高了传感器校准的精度。

说明书

技术领域

本发明涉及油田等压力传感器在使用一段时间后的校准检测，属于在线检测领域，具体是一种基于ZigBee的压力传感器在线校准系统。

背景技术

石油对一个国家的发展起到至关重要的作应，在保障石油顺利开采的过程中会用到大量的压力传感器，以此来检测管道的压力值，以免发生意外事故。但是传感器在使用一段时间后会因各种因素的影响，其测量偏差变大导致测量精度的降低，这就需要对其进行校准。就目前而言，所使用的传感器校准技术是不够完善的，尤其是在线校准方面需要进一步提高，不论是对传感器数据的采集与传输还是数据的处理都存在数值准确度不高的问题。

目前，传统校准方法发展的相对成熟，但是在进行校准时无法将多个传感器数据同时进行传输，仅仅是将某个压力传感器与高精度的传感器的输出数值进行比较，而且校准前需要是将传感器进行拆卸后再送到检验计量机构中，这样做不仅使用成本高而且无法快速的对多个传感器进行校准标定，费时费力。

近年来，无线传感器网络逐步开始应用到各个领域，人们也越来越注重于对无线传感网络的研究，本系统是通过ZigBee技术来对压力传感器进行无线组网设计，在进行校准时就不需要将传感器进行拆卸，系统设计成果可以应用于环境比较恶劣的野外在降低成本的同时提高校准效率。但是，在线校准技术并没有广泛应用，因为在进行校准时会产生一定程度的过程误差，影响其数据的真实性，因此尽可能的减小此误差是研究在线校准的一个重要方面。

专利CN 110208158A公开了一种车辆环境检测传感器在线校准方法及系统，该系统可以利用远程服务器对对车辆上环境监测传感器采集到的环境数据进行校准模型建立与调整，从而修正环境监测传感器的测量偏差。但是此系统仅仅运用多个相同精度的传感器获取压力值，存在获取的压力值精度不高与运算的决策值可靠性低的不足，从而导致校准后的结果精度偏低。

专利CN 112750292 A公布了一种基于ZigBee的无线分布式多信息融合监测系统，该安全监测预警系统能够使用户及时了解桥梁、井架等基建设施的实时安全运行状态，可提高工程的安全检测效率，可靠性高、普适性强。就数据采集方面而言与上述专利的不足是相同的，在进行检测时运用的是同类型的传感器，使得检测的现场数据不够可靠，从而导致信息融合时融合结果偏差较大。

专利CN 105938133 A公开了一种无线气体传感器在线校准方法及系统，主要解决了气体传感器在线检测过程中因长期漂移和其他问题引起的不稳定问题，提供了一种传感器非更换的在线校准方法，提高了农产品冷鲜物流气体浓度检测效率。但是该系统采用分布式气体传感器的数据采集与组网通讯方式，此连接方式比较复杂，会对获取的数值产生一定的过程误差从而使数据偏离真实值，使得在线校准方法所计算出的校准值精度不高。

专利CN206095281 U公开了一种温度压力一体传感器在线校准装置，该装置解决了当前管道已安装的该类型传感器无法校准的问题。但是此装置的智能化程度偏低，在发展迅速当前环境中不足以被广泛应用，因此需要在此结构基础上进行改进设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于ZigBee的压力传感器在线校准系统及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于ZigBee的压力传感器在线校准系统及方法，系统主要包含三个方面的内容，分别是下位机的数据采集、上位机的数据处理以及安卓APP的数据实时显示与报警。首先，选择多个同类型同型号的压力传感器以及一个同类型的高精度传感器来负责采集压力值，然后再选择温湿度传感器来负责采集压力传感器的环境状况，运用ZigBee技术中的无线组网将各个传感器1-1与终端节点设备1-2进行连接，构成数据采集前端；其次，前端设备采集到的数据会通过无线传输传递给协调器1-3，协调器通过串口与WIFI模块1-4相连，实现将数据通过WIFI模块传到上位机1-5与手机APP1-6上；最后，比较手机APP显示的数值，当用户接收到报警提示时，及时通知相关部门进行检测，可以在事先设计好的上位机界面上进行数据处理，进行完数据校准后再将校准值返回到数据采集前端，这时刷新手机界面，假如此时手机APP所接收的数据在设置的阈值范围内，无报警提示校准完成。特别的，这种添加了高精度传感器的多传感器在线校准系统在减少了人力物力使用的同时也提高校准精度，大大提高了检测效率。

所述的在线校准系统，是具有前端数据采集和后端数据处理与显示的功能。在ZigBee组网的终端设备上所连接的传感器分别是扩散硅压力传感器与温湿度传感器。压力传感器负责采集油井管道的压力值，温度作为影响压力传感器最主要的因素可以被温湿度传感器实时检测，以防止温度过高而对传感器造成损坏。压力传感器在补偿温度范围内时，0℃～60、-10℃～70℃参考 30℃；-20℃～85℃参考 32.5℃。在经过无线传输后数据会在上位机中进行处理，手机APP都会以折线图的形式显示采集到的数值与处理后的数值。需要指出的是，在进行数据处理时，本发明所处理的数据为综合因素影响后的压力数值，单独进行温度检测是因为温度范围发生变化过大时，会对压力传感器芯体产生重要影响，严重时易损坏传感器。

所述的在线校准系统，在线校准系统组网部分是由终端节点与协调器两部分组成的。运用ZigBee技术进行通信传输时是由ZigBee模块的外围电路包括射频FIFO匹配电路、定时器以及CPU接口电路三部分组成的。ZigBee模块中的无线传感器节点负责采集模拟信号，通过滤波、A/D转换、平滑滤波后转换成数字信号。与协调器连接的终端节点模块有网状、星型、总线型三种拓扑结构。星型拓扑结构的组成非常简单，从而简化了模块的搭建与使用，但是这种结构最大的问题是协调器损坏时系统就不能正常工作，所以在使用此种组网结构时要保证协调器部分的正常运行。如果连接复杂，虽然避免了上述的部分问题，但是所连接的各个环节以及连接各个环节的导线都有可能对传输的数据造成一定程度的误差影响，也会导致后续处理时校准输出值无法达到较高的精度。针对此问题，来选择采用最简洁的组网方法，所以就运用ZigBee模块的星型结构的组网方式，在减少模块使用的同时也减少了各种线路的搭建，最大程度的确保了数据的准确性。

所述的在线校准系统，本发明从数据采集到处理分析，然后绘制成用户容易读懂的图表，最终将图表显示在手机APP界面上，这是一个完整的在线校准系统。基于Java语言编写的安卓APP对获得的硬件数据进行处理、辨识并制成折线图。软件整体结构设计的菜单导航栏6-10分为学习6-110、设备6-120以及我的6-130三个部分。连接网络后进入学习界面可以学习传感器6-111、无线组网6-112与软件开发6-113的知识。点击设备首先会进行Socket链接然后会显示设备列表，这需要输入IP地址与默认值6-121，待连接成功后，图表会以折线图6-122的形式将数据进行显示。我的界面的功能有修改密码6-131、修改紧急联系人6-132、修改阈值6-133、功能介绍6-134以及注销账号6-135等。该软件以一种业务逻辑、数据、页面分隔的方法来组织整个系统，条理清晰，让用户使用时更加清晰明确。

在上述方案中，与传统在线校准不同的是在多个相同的传感器加入了高精度传感器，这一做法使得在数据获取时数值更真实，数据融合结果的可靠性更高，这是一种新型的多传感器在线校准的方法。区别了以往全都用同类型同型号传感器检测精度低的缺点，在其中加入了同类型高精度的传感器，这样做的好处是提高实际检测压力值的准确性从而降低检测误差。在上位机中进行一系列的数据处理时，第一步应该先将获得的待校准的传感器与高精度传感器数值进行比较，将数值偏离误差范围较大的传感器进行锁定，第二步主要是对传感器进行数据融合处理，将融合结果作为参考值以此来获取各个传感器的校准系数，最后将各个传感器的校准系数乘以各自采集的数值得到校准结果。需要指出的是，在进行后续校准标定当中锁定的待校准传感器数值不参与第二步融合结果的运算，但是要通过参考值来获取锁定传感器的校准系数，从而做到对每一个传感器的校准标定。

基于此方案具体的数据处理方法步骤为。

（1）当接收到对传感器校准的指令后，组网系统2-1的WIFI模块开始传输数据，登录手机APP连接成功后再打开上位机数据处理界面来接受多个传感器的数值2-2。

（2）在进行上位机运算处理前，可以观察比较2-3在手机APP中接收到的高精度传感器的数据与普通待校准传感器的数据折线图，若偏差较大时，锁定该传感器2-4需要后续进行校准，该传感器的数据也不会参与到后面的融合运算。

（3）将比较后剩余的大多数数据进行数据融合处理，首先就对传感器数值进行预处理，计算数据的平均值与标准差2-5，本发明方法依据的是原则，目的是剔除存在的粗大误差2-6。

（4）对从时间t到结束时采集到的数据进行融合计算，首先是对传感器分组2-7，先求每组的平均值与标准差2-8，再求取各个传感器的平均值与标准差2-9，然后依据标准差确定每个传感器的权重2-10，最后通过平均值与权重得到融合结果2-11，将融合结果作为校准参考值。

（5）各个待校准传感器测得的该时间内数据的平均值比上校准参考值，就会得到每一个压力传感器的校准系数2-12。

（6）将待校准传感器的数值乘以各自的校准系数就会得到校准后的输出值2-13，所有待校准感器的校准工作完成。

特别的，在上位机和手机APP获取传感器数值时，所连接ZigBee模块的传感器在发送信息时能够做到启动和休眠交替工作，此系统是通过使用太阳能电池板来提供动力的，使用太阳能电池板的好处是避免了因电量不足而频繁拆卸设备的问题。对ZigBee模块发送指令协调器对指令进行判断后，系统就能做到启动和休眠交替工作，这种工作状态的益处是可以在节省电池电量消耗的同时也很方便地做到 实时检测的目的。

进一步地，本发明所述的压力传感器在线校准方法中，为了尽可能保证检测结果的准确性，所检测的传感器数量应该大于等于30个，因此更适合压力传感器大量使用的场地，此外本发明还加入了高精度传感器，这样也能提高融合结果的准确性。进行组网时在程序处增加所需要的接口数量然后增加终端设备即可完成传感器数量的增加，此外要保证终端设备组网的距离范围在要求的40m之内，以确保数据的正常传输。

运用上述在线校准方法所获得的融合结果与校准系数，可以对此环境下所有的传感器进行校准补偿，将补偿后的传感器输出值再次发送到手机APP上，观察是否还出现报警提示，若出现报警提示，则立即通知相关工作人员更换传感器或做进一步处理，若没有报警提示，则校准完成，校准后的传感器可以正常使用。

需要指出的是，基于ZigBee的压力传感器在线校准系统中所使用的高精度压力传感器在使用一段时间后须送到检验计量机构进行重新校准标定，这样做的目的是，在使用此校准系统一段时间后，高精度压力传感器所获得的压力值避免了产生较大的偏差从而更接近真实值，使得融合结果参考值更可靠，保证了数值的准确性。

附图说明

图1为本发明所述的基于ZigBee的压力传感器在线校准系统的简易结构框图。

图2为本发明所述的基于ZigBee的压力传感器在线校准系统的算法流程图。

图3为本发明所述的基于ZigBee的压力传感器在线校准系统终端设备入网流程图。

图4为本发明所述的基于ZigBee的压力传感器在线校准系统协调器组网流程图。

图5为本发明所述的基于ZigBee的压力传感器在线校准系统的数据流程框图。

图6为本发明所述的基于ZigBee的压力传感器在线校准系统的APP菜单栏。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明所述的基于ZigBee的压力传感器在线校准系统及方法做进一步的解释和说明，然而该解释和说明并不对本发明的技术方案构成不当限定。

图1为本发明所述的基于ZigBee的压力传感器在线校准系统的简易结构框图。

如图1所示，本实施方式中基于ZigBee的压力传感器在线校准系统主要包含三个方面的内容，分别是下位机的数据采集、上位机的数据处理以及安卓APP的数据实时显示与报警。

其中，传感器1-1的组网部分是利用ZigBee模块进行的，并且采用星型拓扑结构，所以在组网时只需要将协调器1-2和终端设备1-3进行连接就能完成组网。在设计时运用CC2530开发板、IAR硬件开发环境以及Z-Stack协议栈作为开发平台，使用CC2530+Z-Stack的相关功能来完成设计。只需要将压力传感器与温湿度传感器连接到程序编写的接口处就能够进行数据采集。在协调器上连接WIFI模块1-3，就可以将数据进行无线传输。

进一步参考图1可以看出，数据是在上位机进行处理的。在进行处理前，用户首先登录手机APP1-6输入IP地址及默认值进行数据接收，待连接成功后等待是否接收到报警短信，当接到报警时再启动上位机进行数据处理1-5。在数据处理系统中，也是首先进行数据的接收，然后将数据进行存储并在数据处理模块进行处理，再将处理后的数据进行返回，用户需要刷新手机APP后再次接收数据，当没有短信报警提示时说明传感器可以正常使用，若依然有报警，则需要通知相关人员进行修理或更换传感器，防止发生意外事故。

需要指出的是，在上述方案中，所使用的压力传感器为扩散硅压力传感器，选择的芯体是PC10硅压阻式压力芯体，它具有高性能、全固态、高可靠性等优点。特别的，在多个压力传感器中包含一高精度压力传感器，其精度至少高出普通传感器的一到两个等级，并且上述所有压力传感器为同一类型的传感器。温度作为影响传感器最主要的因素，连接温湿度传感器是负责检测压力传感器使用时的环境状况，更好的根据温度等环境因素来设置误差参数范围以及报警阈值。

当用户接收到报警短信时，上位机就会运用事先编好的程序对接收到的数据进行处理，校准系统执行如图2所示的步骤进行压力传感器的在线校准，图2为本发明所述的基于ZigBee的压力传感器在线校准系统的算法流程图。

如图2所示，本实施方式中的基于ZigBee的压力传感器在线校准系统的方法步骤为。

（1）当接收到对传感器校准的指令后，组网系统2-1的WIFI模块开始传输数据，登录手机APP连接成功后再打开上位机数据处理界面来接受多个传感器的数值2-2。

（2）在进行上位机运算处理前，可以观察比较2-3在手机APP中接收到的高精度传感器的数据与普通待校准传感器的数据折线图，若偏差较大时，锁定该传感器2-4需要后续进行校准，该传感器的数据也不会参与到后面的融合运算。

（3）将比较后剩余的大多数数据进行数据融合处理，首先就对传感器数值进行预处理，计算数据的平均值与标准差2-5，本发明方法依据的是原则，目的是剔除存在的粗大误差2-6。

（4）对从时间t到结束时采集到的数据进行融合计算，首先是对传感器分组2-7，先求每组的平均值与标准差2-8，再求取各个传感器的平均值与标准差2-9，然后依据标准差确定每个传感器的权重2-10，最后通过平均值与权重得到融合结果2-11，将融合结果作为校准参考值。

（5）各个待校准传感器测得的该时间内数据的平均值比上校准参考值，就会得到每一个压力传感器的校准系数2-12。

（6）将待校准传感器的数值乘以各自的校准系数就会得到校准后的输出值2-13，所有待校准感器的校准工作完成。

需要说明的是，为了保证检测结果的准确性，对于样本量可以优选的采用较大的数量，一般大于等于30个，符合油田中压力传感器大量使用并校准的环境，这样可以尽可能地保证数据采集的准确性，与此同时，本发明还加入了同类型的高精度传感器，进一步提高了压力数值的可靠性。因此，优选的，将组网时的终端设备设置在大于等于30个，所使用的高精传感器至少高出普通传感器一到两个等级，并且所设置的设备距离应该在所要求的40m范围之内，以保证数据正常传输。

运用上述在线校准方法所获得的融合结果与校准系数，对此环境下所有的传感器进行校准补偿后，再将补偿的传感器输出值发送到手机APP上，观察是否再次出现报警提示，若出现报警提示，则立即通知相关工作人员对传感器更换或做进一步处理，若没有报警提示，则校准完成，校准后的传感器可以正常使用。

图3为本发明所述的基于ZigBee的压力传感器在线校准系统终端设备入网流程图。

如图3示，在组网时，首先要初始化3-1再搜索信道3-2，检查周围是否存在网络3-3，若有网络则选择近的网络3-4并取出其地址3-5，然后发送入网申请3-6，待连接成功后组网完成。温湿度传感器采集温湿度数据时需要两个文件，一是调用在协议栈APP文件夹下的Sample App.c文件，二是SampleApp文件中要包含DHT11.h头文件。采集压力数据则需调用ZigBee协议栈中的函数。 ZigBee三种通信方式：点播、组播和广播，在协议栈中的对应的函数分别为：SampleApp_P2P_DstAddr、SampleApp_SendFlashMessage、SampleApp_SendPeriodicMessage。终端节点设备运行编辑好的程序后就可以实现采集温湿度传感器和压力传感器的数据，将数据制成数据包，在加入无线组网之后，每个节点都将数据包以点播的方式发送给协调器。至此，终端设备的任务就已全部完成。需要指出的是，终端设备可以根据用户的实际需求来进行添加，扩大了该组网的使用范围。

图4为本发明所述的基于ZigBee的压力传感器在线校准系统协调器组网流程图。

如图4所示，协调器在进行组网时首先要初始化4-1处理建立一个PAN个人局域网4-2并形成广播网络的ID以及发出信号4-3，再进行网络监测4-4，然后等待终端是否加入网络4-5，待接收申请后协调器就开始将网络ID分配给各个节点4-6，最后在WIFI模块的控制下将接收的数据进行发送4-7。需要指出的是，协调器部分作为星型组网的核心，必须保证其正常运行。首先要确保WIFI模块正常，再者要打包从终端设备传来的数据并进行存储，先保存数据到缓冲区，收到WIFI模块的回复后，就会将数据转发出去。特别的，在连接协调器处是可以根据压力传感器实际数量来改变接收终端设备数据的数量，以便完成所有节点数据的接收。

图5为本发明所述的基于ZigBee的压力传感器在线校准系统的数据流程框图。

如图5所示，基于ZigBee的压力传感器在线校准系统的数据流程框图主要分为三个部分，分别是ZigBee无线组网5-1、上位机数据处理5-2、安卓APP客户端5-3。数据首先是在ZigBee模块5-13组网的终端设备中进行采集，将温湿度传感器和多个压力传感器5-11以及高精度压力传感器5-12的数据在经过滤波、A/D转换、平滑滤波后转换成数字信号后经WIFI模块进行传输；待上位机与APP客户端成功连接ZigBee模块后两者就会接收到其发送的数据，APP客户端在进行操作时应该先登录手机APP5-31输入IP地址与默认值5-32进行连接，然后可以将实时接收到的数据制成折线图，显示的传感器数量可以随时添加5-34或减少，可以通过修改参数来改变阈值5-33以便当观察到数据异常时用户会收到短信报警提示；当用户接收到报警提示时，打开上位机数据接收界面5-21，将接收到的一段时间内的数据进行存储5-22，并在数据处理单元进行数据处理5-23，将处理好的数据再通过数据发送模块5-24发送到ZigBee组网中；最后刷新APP数据接收界面来使手机APP接收补偿后的数据，观察数据是否还有异常，当不再接收到报警提示时，压力传感器数据校准完成。

进一步的，此系统在传输数据时可以做到启动和休眠交替工作，用户只需要对数据采集前端发送指令，然后ZigBee模块就会对接收到的指令进行判断，判断出是否发送采集到的数据，当需要发送时再进行上述数据流程。这样做能更好的节省了太阳能电池板的电量消耗，也更好的储备电量以避免阴天下雨时电量不足而频繁拆卸设备的问题，同时也做到了实时校准检测的目的。

图6为本发明所述的基于ZigBee的压力传感器在线校准系统的APP菜单栏。

如图6所示，通过基于Android开发并运用java语言来编写安卓APP代码，基于ZigBee的压力传感器在线校准系统的APP菜单栏6-10一共分为三个部分，分别是学习界面6-110、设备界面6-120以及我的界面6-130。基于Java语言编写的安卓APP对获取的数据进行处理、辨识并制成折线图。当用户连接网络后进入学习界面进行传感器6-111、无线组网6-112与软件开发6-113三方面的学习。点击设备6-120首先会进行Socket链接然后会显示设备列表，这需要输入IP地址与默认值6-121，待连接成功后，图表会以折线图6-122的形式将数据进行显示。我的界面6-130的功能有修改密码6-131、修改紧急联系人6-132、修改阈值6-133、功能介绍6-134以及注销账号6-135等。需要指出的是，该APP显示设备的数量能根据检测场地的变化而进行改变，这样做可以增强其实用性与扩大使用范围。

综上所述，本发明公布的基于ZigBee的压力传感器在线校准系统是通过使用ZigBee无线组网技术将多个压力与温度数值进行传输，然后将采集到的数据在上位机中进行了处理，最后在基于java语言编写的安卓APP中以折线图的形式显示处理前后的数值。本发明采用星型结构的组网方式，可以在减少模块与线路使用的同时降低了其过程误差，另外，在使用同类型的同型号的多个压力传感器的同时加入了同类型的高精度传感器，这样做能够保证传感器在进行数据采集与计算融合结果时数据的真实性，提高了传感器校准的精度。需要指出的是，用户可以根据测量时的实际情况来控制加入的传感器数量，将此时刻采集到的所有传感器的数值在安卓APP上用折线图的方式进行显示，使用户能够方便直观的观察数据的变化情况。因此本系统解决了多传感器的数据采集与数据处理后数值精度不高的问题。

以上所述，本发明示出和描述的实施例仅用于举例使用，本专利的保护范围并不局限于此。对于任何熟悉本领域的普通技术人员而言，在不脱离本发明的构思和宗旨的情况下对这些实施例进行多种改进和变型，这些改进也应视为本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。