作者：郑晓敏
在石油化工、水利水电、环境监测、农田灌溉以及污水处理厂、自来水厂等众多领域，液位的测量是自动化控制系统的重要组成部分，液位测量的准确与否将直接影响到工艺稳定、产品质量及环境质量。近年来，伴随着无线传感器网络技术不断发展，作为无需布线的工业无线通信技术越来越被人们所青睐。工业无线通信技术是继现场总线之后工业控制领域的又一热点技术，是降低工业测控系统成本、扩展工业测控系统应用范围、推动自动化发展的关键技术。
WIA-PA是工业无线领域三大主流国际标准之一，是我国具有自主知识产权的工业无线标准。WIA-PA具有抗干扰能力强、通信实时性强、可靠性高、能耗低等特点，这些特点使得它能够适应恶劣的工业现场环境和人不宜到达的区域。本文设计的无线液位变送器，以WIA-PA协议无线传输取代传统有线传输，其在石油、化工、天然气开采、冶金、污水处理等高耗能、高污染行业有广泛的应用前景。由于本设计采用无线传输，无需布线，使得仪表的安装十分方便，解决了传统仪表安装所带来的布线复杂、无法布线等问题，大大节约了仪表的安装成本。
1 系统组成
基于WIA-PA技术的无线液位变送器采用传感器模块+仪表模块+通信模块+电源模块的设计结构，系统结构如图1所示。其中，传感器模块用于将液位高度转换成可以被采集的电信号，实现非电量到电量的变换；仪表模块由AD单元、CPU单元和显示单元构成，其主要功能是采集传感器信号，进行本地显示，同时将其按WIA-PA帧格式打包，通过串口送至通信模块；通信模块用于构建WIA-PA无线网络，将数据实时发送给无线网关，进而实现远端系统平台对液位的监测；电源模块用于将电池电压转换成传感器模块、仪表模块和通信模块所需要的工作电压。
1.1传感器模块
传感器模块结构如图2所示．主要由树脂圆营制成的轴和可沿轴上下移动的圆状浮子组成，圆营状轴内装有由易磁化的强磁性材料制成的磁敏开关，浮子内嵌有永久磁铁。当永久磁铁靠近磁敏开关时．磁敏开关闭合，远离时，磁敏开关断开。其中，磁敏开关用干簧管来实现．干簧管是由两片端点处重叠的可磁化簧片密封于一段玻璃管中构成。两簧片分隔距离约几个微米，玻璃管中装填有高纯度惰性气体，在尚未操作时，两片簧片并未接触，当在外部施加磁场时，两片簧片端点位置由于产生不同的极性，互相吸引而闭合；当在外部施加的磁场消失时，两片簧片端点位置由于自身弹性，互相排斥而断开。
液位传感器垂直安装在待测液体灌中，当浮子的高度随着液体高度的变化而发生变化时，浮子内嵌有的永久磁铁吸引与其相应位置的干簧管闭合，形成电路短接，从而改变液位传感器的输出电压，达到将液体的高度信号转换为电信号的目的。液位传感器模块可以做成各种长度．以便能够适应各种测量量程。
为了提高液位传感器模块测量的可靠性，在如上所述的模拟传感器基础上，在重要部分位置上安装数字传感器。数字传感器分别位于间隔25%的量程位置上，同时为保证可靠性，分别在零量程和全量程位置上安装数字传感器。液位传感器模块采用双传感器，由于数字传感器结构上独立于模拟传感器，所以实现了液位传感器模块的冗余设计，极大提高了其可靠性。
1.2仪表模块
仪表模块由AD单元、CPU单元和显示单元构成。
AD单元采用美国德州仪器公司推出的连续自校准模／数( A/D)转换器ADS1100。ADS1100采用差分输入，具有高达16位的分辨率和兼容的I2C串行接口。ADS1100以电源作为基准电压，在2.7~5.5 V的单电源下工作。ADS1100具有可编程的数据速率，通过编程可每秒采样8、16、32或128次以进行转换，片内可编程的增益放大器PGA可以提供高达8倍的增益，允许对更小的信号进行测量，并且具有高分辨率，在单周期转换方式中ADS1100在一次转换之后自动掉电，在空闲期间极大地减少了电流消耗。AD单元电路如图3所示。
CPU单元采用美国德州仪器公司推出的16位超低功耗微控制器MSP430F169。MSP430F169微控制器采用精简指令集( RISC)结构，一个时钟周期执行一条指令；电源电压采用1.8~ 3.6 V，活动模式耗电250 pA /MIPS（MIPS:每秒百万条指令数），RAM数据保持方式下耗电仅0.1uA，IO输入端口的漏电流最大仅50 nA，具有1种活动模式(AM)和5种低功耗模式( LPMO~ LPM4)，具有超低功耗的特性。MSP430具有2 KB RAM和60 KB FLASH，拥有两个可外接的晶体振器和一个片内振荡器，含有看门狗定时器和多个16位、8位定时器，支持两个独立的全双工USART串口。这些丰富片内外设，为本设计方案的实现提供了极大的方便。CPU单元电路如图4所示。
显示单元用来显示当前液位高度，选用由ST7565芯片驱动的12864液晶模块，ST7565芯片支持串行接口，本设计中显示单元与CPU单元通过串行接口连接，仅需要5根信号线，分别是：串行时钟信号SCLK，与CPU的Pl.5引脚相连；串行数据端SI，与CPU的Pl.6引脚相连；数据属性AO，与CPU的Pl.7引脚相连；模块片选信号/CS，与CPU的P2.1引脚相连；复位信号/RES，与CPU的P2.2引脚相连。
1.3通信模块
通信模块是一款用于过程自动化的完全符合WIA系统结构与通信规范(WIA-PA)和中华人民共和国国家标准的高可靠、超低功耗模块，其由低功耗32位微控制器和符合IEEE 802. 15.4标准的无线射频芯片CC2530构成。网络层功能由WIA-PA软件协议栈完成，MAC层和物理层的功能由模块芯片实现；同时为了提高发射功率和接收灵敏度，在射频前端增加了低噪声放大器和功率放大器。在WIA-PA网络中，模块最小工作电流仅为55uA，有利于增长无线低功耗设备的使用寿命。
通信模块提供了一个UART接口，其可以用于连接低功耗芯片。硬件设计上将通信模块的UART接口和仪表模块中CPU单元的UART接口相连，仪表模块便能够定时提供网络时间同步、本地配置及诊断等信息，并且能够通过无线网络与上层设备进行数据交换。通信模块引脚如图5所示。
1.4电源模块
电源模块由四节3.7 V、1 600 mAh锂电池组成，采用先串联后并联的方式构成一个具有7.4 V、6 400mAh的大容量高稳定性电池组。电池组为传感器模块、仪表模块和通信模块供电，由于仪表模块和通信模块均需要3.3 V供电，因此需要电压转换芯片，来提供稳定的电压源。
根据锂电池的充放电特性，放电时需要注意电压下限，当电池电压低于一定值时，部分材料会开始损坏，因此，电源模块中还需外加一个低电压检测单元，来实时检测放电电压‘印。电压检测单元通过芯片LTC19981实现，当电池电压低于设定的阈值时，BAT-TL输出引脚从高电平状态变为低电平状态，向CPU发出报警信号。电压检测电路如图6所示。
2软件设计
仪表的软件设计主要包括标定程序设计和主程序设计。标定程序是为了让仪表能够适应各种测试环境，当仪表安装在不同的地方时，均能够达到设计时的精度；主程序是指仪表在标定后，进入工作状态时的程序。由于液位的变化是一个过程量，因此没有必要连续不停采集液位传感器AD值，在本设计中，固定时间间隔采集一次液位传感器AD值，其他时间仪表进入低功耗模式，从而保证了整机的低功耗特性。
2.1 标定程序设计
仪表在工作之前，首先要进行标定，由于液位传感器模块由电阻原件构成，具有良好的线性度，所以仅需两点标定即可。本设计在零量程和满量程这两点上进行标定，它们均在两个外部中断程序中实现。零量程标定指当液位高度为0 cm时，按下零量程标定按钮，采集传感器模块AD值，保存到EEPROM中；满量程标定指当液位高度等于仪表量程时，按下满量程标定按钮，采集传感器模块AD值，保存到EEPROM中。仪表标定程序框图如图7所示。
2.2主程序设计
仪表标定后，重新上电，首先进行一系列初始化，包括WIA-PA通信模块初始化和仪表模块初始化。WIA-PA通信模块的初始化过程如下：仪表模块发送命令请求WIA-PA通信模块长地址，WIA-PA通信模块发送长地址给仪表模块，同时WIA-PA通信模块向所在网络网关请求加入，网关收到长地址后将WIA-PA通信模块加入其WIA-PA网络拓扑结构。仪表模块的初始化包括AD单元初始化、显示单元初始化和CPU单元初始化。仪表模块和WIA-PA通信模块初始化完成后，CPU单元开启定时器，进入低功耗模式，等待定时时间到达；定时时间到达后，CPU单元退出低功耗模式，采集液位传感器模块AD值，使用标定时保存在EPROM中的两个AD值对其进行线性化处理，得到当前液位高度；然后对液位高度进行数据打包发送给通信模块，最后由通信模块通过WIA-PA网络将其发送给WIA-PA网关，而CPU单元再次进入低功耗模式，等待下一次定时时间到达。仪表主程序框图如图8所示。
3试验
本文所设计的无线液位变送器，首先进行WIA-PA通信试验，仪表设定为30 s发送一次数据，即8h仪表共发送数据包960个，仪表与网关间的距离分别设定为室外200 m、400 m、600 m、800 m和1 000 m．8h后，记录网关接收到的数据包数目，通信试验结果如表1所示；然后对仪表进行精度测试，测试时选用长度为50 cm的液位传感器模块，即仪表量程为50 cm，试验之前先将液位高度分别调到0 cm和50 cm，对仪表标定，接着将液位反复从5 cm调到45 cm，再从45 cm调到5 cm，连续测得4组液位变送器输出的液位高度数据，测量结果如表2所示。
由试验结果可以看出，本方案设计的仪表无线通信传输成功率高达99%以上，测量结果相对误差在5%以内，可以满足现代工业监控流程需求。
4结语
本文设计了一种基于WIA-PA技术的无线液位变送器。该仪表具备低功耗、高可靠、高灵活等特点，同时将传统仪表的有线传输升级为无线传输，解决了传统仪表安装时所带来的布线复杂、无法布线等同题。经试验验证，此设计不但无线数据传输良好，面且测量精度也达到了设计要求。
5摘要：
提出了一种基于WIA-PA协议的无线液位变送器设计方案，介绍了该方案中传感器、CPU、通信和电远模块的硬件设计原理，描述了该方案中标定程序和主程序的软件设计流程，最后试验结果表明，该变送器在数据传输和测量精度方面达到了设计要求。
