针对地磅称重传感器系统智能化、高精度的需求，应用IEEE 1451技术和数字滤波算法实现高精度智能 称重传感器系统。首先，根据IEEE 1451.5架构设计称重WTIM、NCAP及两者ZigBee通信接口，研宄TEDS定 义、配置技术以实现称重传感器ZigBee接口的即插即用、自识别功能；同时，提出一种适用于应变式称重传感 器的数字滤波算法，在保证称重系统高分辨率的基础上提高称量精度；最后，搭建基于IEEE 1451.5的高精度智 能称重传感器系统并研发称重测量软件，测试该系统的即插即用和精度性能。测试结果表明：该系统可实现智能 称重传感器ZigBee接口即插即用；采用数字滤波算法的系统非线性误差不超过0.0058%F.S、迟滞误差不超过 0.0037% F.S、重复性误差不超过0.0051%F.S，比采用数字滤波前分别减少32.56%、22.92%、17.74%，精度显著 提高。

0.引言

地磅称重传感器是应用最广的计量器件之一，广泛 应用于工业、商贸、民用等领域。由于称重系统需 求量大且性能要求不断提高，称重传感器技术及产 品得到快速发展，智能化、高精度已成为称重传感 器技术发展方向。

IEEE 1451标准为传感器智能化、网络化提供 系列软硬件标准，研究人员将其应用于称重传感器 系统中，实现称重传感器智能化。张延响等根据 应变式称重传感器误差模型，利用IEEE 1451智能 传感器校正引擎对称重传感器进行非线性校正，在 一定程度上抑制了非线性误差和零漂问题。刘桂 雄、陈耿新等研究IEEE 1451.2智能传感器即插即 用机理，并将其应用于智能称重传感器系统中，结 合变送器电子数据表(transducer electronic data sheet，TEDS)实现称重传感器的自识别。郑培 亮研究基于ARM的IEEE 1451智能称重传感器， 根据IEEE 1451.2标准实现智能变送器接口模块、 网络适配器(network capable application processor， NCAP)及两者的接口。部分研究人员从事称重 传感器精度提升技术研究。林海军等提出一种基 于导数约束的称重传感器非线性误差补偿方法，构建针对称重传感器非线性误差补偿的神经网络，研 究该神经网络的训练约束条件和惩罚因子，该方法 有效提高称重传感器的准确度[Pawiowski A等研 究分拣机称重系统的快速自适应滤波技术与补偿 方法，以此提高测量精度和分拣准确性。Choi K N 研究带式运输机自动称重系统中称重传感器的振 动噪声模型，利用降噪算法滤除峰值噪声和脉冲宽 度，动态控制低通滤波器的截止频率和斜率，以此 提高称重测量的精度。

本文研究基于IEEE 1451.5的高精度智能称重传 感器系统，根据IEEE 1451.5标准设计、实现智能称 重传感器系统的无线变送器接口模块（wireless transducer interface module，WTIM)和 NCAP，结合 TEDS实现两者之间ZigBee接口的即插即用；同时， 提出一种提高应变式称重传感器测量精度的数字滤 波算法，该算法可有效减小该称重传感器系统称量的 随机误差，显著提高称量精度，且具有足够高的测量 分辨率。

1.IEEE 1451.5智能称重传感器系统

IEEE 1451.5标准是无线智能传感器标准，利用 该标准可实现无线智能传感器的网络化、互换性、互操作性和即插即用。本又搭建的IEEE 1451.5智能称 重传感器系统架构如图1所示，由WTIM和NCAP 构成，两者可通过标准无线接口（包括IEEE 802.11、 Bluetooth、ZigBee 及 6LoWPAN)通信。WTIM 中的 TEDS描述、保存WTIM及其称重传感器的信息及参 数。NCAP可连接一个或多个WTIM，并通过网络接 口连接外部网络（如以太网）。本文WTIM与NCAP 之间通过短距离、低功耗、低时延、高可靠性的ZigBee 进行通信。

1.1WTIM 设计

WTIM的功能是利用称重传感器获取对象的重 量信号；然后利用信号调理与数据转换电路对该信号 进行硬件滤波、模数转换等处理；最后通过ZigBee 无线接口将处理后的数据传输至NCAP。

本文IEEE 1451.5智能称重传感器系统釆用 ZigBee芯片JN5139。称重WTIM的硬件电路原理图 如图2所示，称重传感器YZC-1B输出为模拟信号。 模拟信号通过硬件滤波电路、外置ADC或JN5139 内置12位ADC连接至JN5139。为提高测量精度， 本文釆用24位、转换精度高的S-A型模数转换器 AD7190。核心部件JN5139运行传感终端程序、路由程序，负责ZigBee接口配置、收发数据、信号处理、 数据转换。JN5139的128 kB Flash可用于存储 TEDS。

1.2NCAP 设计

NACP通过ZigBee无线接口接收WTIM发送的TEDS信息和称重传感数据，并将传感数据校正 后发送至外部网络的远程客户端。NCAP可以是包 括ZigBee接口的嵌入式系统，也可由计算机连接 ZigBee协调器构成。

NCAP由计算机与ZigBee协调器件组成，两者 通过串口通信，计算机运行网络通信协议和称重测量 软件。ZigBee协调器程序流程如图3所示，其中网络 指ZigBee网络，数据处理包括TEDS数据和称重传 感数据处理。ZigBee协调器核心是JN5139，负责 ZigBee网络建立、参数设置和数据处理。

1.3自识别技术

传感器自识别是正EE 1451.5智能传感器的主 要特点之一，TEDS定义与配置是实现传感器即插 即用、自识别的核心技术。

TEDS系统描述WTIM及其各传感通道的类 型、参数、操作方式和属性。WTIM通过TEDS向 NCAP提供自身描述信息及相关参数;NCAP读取、 解析TEDS获取WTIM及传感通道的信息及参数， 并据此配置、分配资源。IEEE 1451标准定义多个 TEDS，其中 Meta-TEDS、Transducer Channel TEDS、 PHY TEDS是传感器自识别必须具备的。

智能称重传感器系统传感器自识别流程如图4 所示。WTIM在成功接入ZigBee网络后，向NCAP 发送自识别中断请求开始自识别操作；WTIM、 NCAP任一方接收到对方消息帧后须返回确认应答 帧，若发送方在规定时间内没接收到对方确认应答 帧则重新发送数据，直至发送成功或发送次数达到 最大值。

TEDS配置是IEEE 1451智能传感器自识别的关键环节。TEDS配置流程包括：NCAP接收到各 TEDS后，需通过校验和字段验证其完整性、正确 性；对通过验证的TEDS进行解析、翻译，获取 WTIM及其通道相关信息、参数，再根据这些信息、 参数配置相关资源以完成后续功能，如NCAP配置 校正引擎相关参数实现数据解耦、校正。

2.系统测量精度提高

为提高称重传感器精度，本文除了利用硬件滤 波、高精度ADC和斩波技术外，还提出一种符合应 变式称重传感器信号特点的数字滤波算法，保证系统 高分辨率的同时减小随机误差影响，进一步有效提高 称重传感器系统的测量精度。

本文提出的称重传感器系统数字滤波算法流程 图如图5所示。设置一个长度为8的队列，用于保存 最近采集的8个称重数据，队列元素仍，q2保存最新、 次新数据，以此类推。队列未满时，新数据进入队列 后，计算队列已存放数据的各元素的算术平均值，该 值作为滤波输出q?t。由于此时队列长度较小，灵敏 度较高，能较快响应重量变化。

队列满后，选取队列后3个元素q6?q8的中间值 qmid。对于队列中前5个元素qi~q5，首先获得它们的 最大值qWx1、次大值与最小值qmn1、次小值^min2， 然后将qmax2、qmin2与qmd比较，最后根据称重传感器 系统分辨率要求设置比较阈值A比较结果按以下3 种情况进行处理：1)若qwdmid >^，则滤波输出

qout _ qmax1， 口则 ^out _ qmid； 2 )右 Vmin。qmid ^ ^，

则滤波输出 qout = qmin1，口则 qout = qmid； 3 )若《max2 qmid且 Vmm qmid> ^，则 ^out - qmid。由于称、重 数据变化较为缓慢，队列满后采用上述综合中值滤波 与去抖动滤波的方法，当检测到称量重量的变化量达 分辨率时，称重传感器系统及时输出变化的重量；当 未检测到称量重量变化时，则输出修正的值。该方法 可及时响应重量测量变化，又可有效消除测量数据中 出现的波动脉冲干扰，提高称重传感器系统的测量精度。

3.系统搭建与测试

研制WTIM、NCAP及称重测量软件，搭建基于IEEE 1451.5的高精度智能称重传感器系统并进 行即插即用、称重精度测试。基于IEEE 1451.5的 高精度智能称重传感器测试系统如图6所示，NCAP 由计算机、ZigBee协调器构成，计算机上运行图7 所示基于MATLAB的称重测量软件。

智能称重传感器ZigBee接口即插即用性能测试以平均初次入网时间tf、平均重新入网时间U、平均 断网识别时间tc作为评价指标。平均初次入网时间f 定义为从WTIM首次向NCAP发送入网请求，直至 其收到NCAP入网确认所需的平均时间；平均重新入 网时间t定义为已加入网络的WTIM断开连接后，从 WTIM再次发送入网请求，直至其收到NCAP入网确 认所需的平均时间；平均断网识别时间tc定义为从 WTIM发生故障或断电开始，到NCAP识别WTIM 断网所用的平均时间。tf，tr，tc越小，智能称重传感 器ZigBee接口即插即用性能越好。

在上述基于IEEE 1451.5的高精度智能传感器 系统上进行即插即用测试实验。表1是不同距离下， 该系统ZigBee接口 tf，tr，tc测试结果，可以看出， tf，tr，tc随着通信距离增大而增加。

在图6所示智能称重传感器测试系统中对该系 统测量精度进行测试。采用国标GB/T7551 —2008《称 重传感器》规定的线性、滞后、重复性等作为精度指 标。测试系统使用量程3 kg的应变式称重传感器 YZC-1B，其指标为：非线性误差0.0086%F.S、迟 滞误差0.0048% F.S、重复性误差0.0062%F.S。

重复对图6所示智能称重传感器测试系统进行 10次正反行程的测量，从0 g开始，按标准规定逐次 加载或卸载500 g砝码，直至满量程；数字滤波阈值 3取100。利用图7所示称重测量软件显示、自动保 存测量数据，并计算各精度指标和显示误差曲线。

基于IEEE 1451.5的高精度智能称重传感器系统 精度测量结果如图8所示，包括非线性误差e?、迟滞 误差eh、重复性误差er。可以看出，采用本文数字滤 波算法后，该系统的en不超过0.0058%F.S，eh不超过 0.0037% F.S，er不超过0.0051%F.S，比采用数字滤波 前分别减少32.56%、22.92%、17.74%，系统的精度 指标明显提高。

4.结论

基于IEEE 1451.5的智能称重传感器包括称 重WTIM、NCAP及两者之间的无线通信接口，利用 WTIM中TEDS可实现该无线通信接口的即插即用。

TEDS描述、保存WTIM及其传感通道的信 息及参数，TEDS定义、传输、配置是实现智能称重 传感器自识别的关键。

本文提出的符合应变式称重传感器信号特点 的数字滤波方法，可有效抑制外界原因引起的随机误 差，使称重传感器系统的非线性误差、迟滞误差、重 复性误差均大大减小，精度得到明显提高；该方法选 取合适的阈值，可保证系统具有足够高的分辨率，并 减小外界干扰的影响。