基于Zigbee的货车水箱液位测量装置

目前货车、挂车等牵引车驾驶室和车厢之间相距比较远，如采用有线方式进行传感器数据采集和传输，必须布置足够长的线束，不仅使设备安装不便，还会出现安全隐患，因此本文采用Zigbee方式进行数据采集和传输。

将超声波液位计合理安装在车厢水箱上方，通过超声波测距模块对水箱水位进行测量，并将数据经Zigbee发送模块传输到安装在驾驶室内的接收模块，最后将数据通过显示模块12864或者1602进行显示，这样驾驶员可以直接观察水箱水量的使用情况，从而摒弃了停车观测或通过驾驶员经验来对水位进行判断。

超声波模块共3个，图2是超声波模块2发射电路原理图。OUTPUT_2输出的40kHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后进到超声波换能器的另一电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻，除了可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

图3是超声波模块2接收电路原理图。CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。实验证明用CX20106A接收超声波，具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。根据测量范围要求不同可适当调整与接收换能器并接的滤波电容的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。

接口电路为超声波与外部电路连接的接口，包括INPUT、OUTPUT、VCC、GND接口。

Zigbee发送和接收模块

图4是传感器终端无线发送和接

图1 系统构成

片机相应输入捕捉通道计算从发射到接收的时间t，声速便可以得出。由于补偿声波与测量声波传播途径所处环境极为相似，所受到环境影响也基本一致，其声速通常也较为接近，所以这种方法是目前使用最精确的声速修正方式。

时间修正法可以有效修正软硬件系统造成的延时。在实际系统中，我们可以用下面的方法来对这个固定的延时时间Δt来进行修正。设S1、S2为两个已知固定距离，t1、t2分别为对应这两个固定距离采集的回声值(内含Δt因素)，则超声波在S1、S2距离内往返传播所用的时间实际上分别为t1-Δt和t2-Δt。故有：

S1=C×(t1-Δt)/2 (3) S2=C×(t2-Δt)/2 (4)由上面两式可得：

Δt=(S1×t2-S2×t1)/(S1-S2) (5)

在实际测量中，将测量得到的S1、S2、t1、t2值代入式中求得Δt，再将各个回声时间减去Δt，即可消除延迟时间的影响。在此S1可取货车水箱直径2R，S2可取R。

经上面两种方法校正，由(2)、(5)式可得：

L= C×(T-Δt )/2 (6)

此外为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起直射波造成的影响系统需延时0.1ms。因此最后得出的等式应为：

L=C×(T-Δt-0.1ms)/2 (7) Zigbee水箱液位设计

Δt -100)* Vt /20000;

Distance1 = (uint8)(CaptureTime1-Δt -100)* Vt /20000;

Distance2 = (uint8)(CaptureTime2-Δt -100)* Vt /20000;

代码中C a p t u r e T i m e 0、CaptureTime1、CaptureTime2为Timer1三个输入捕捉通道所捕捉的声波传输时间；Δt为时间修正法后得到的系统延时时间；Vt为声速校准补偿法得到的声速。

最终得到液位数据Report_Data为：

If (counterfag= =5) { Report_Data= (value_0+value_1+value_2)/3;counter fag=0;}

现实中该值多次测量后与实际值进行比较，采用最小二乘法来修正，通过Excel线性拟合，得出线性拟合式子[4]，这样根据拟合等式得出的位置

正确定位和采取合理的安装保护措施是超声波传感器模块可靠工作的前提和关键。由于盲区[5]的存在以及声速和系统延时造成的影响，该装置最小测量范围为0.7cm，最大为255cm，测量精度为1cm。

本系统只设计了单类型采集节点，由于设计时采用了模块式设计方法，因此可以用于其他传感器的数据收发，比如胎压检测、车速测量等，硬件上只需在传感器接口电路和命令触发上做相应的调整即可。