李越+童耀南+朱凱+黃建雄

摘 要：針對(duì)工業(yè)信息化需求，研究和設(shè)計(jì)了基于ZigBee和STC單片機(jī)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、統(tǒng)計(jì)和分析功能。該系統(tǒng)包括無線采集和接收處理兩部分，無線采集模塊主要由CC2530和 STC單片機(jī)構(gòu)成。接收處理部分包括無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和PC機(jī)及軟件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)功能完善，性能穩(wěn)定，具有低成本，高效率等特性，有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：ZigBee；數(shù)據(jù)采集；STC單片機(jī)；前端處理；串口

中圖分類號(hào)：TN216；TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）03-00-03

0 引 言

在工業(yè)信息化領(lǐng)域，數(shù)據(jù)采集是獲取信息的基本手段。企業(yè)在生產(chǎn)時(shí)需要監(jiān)測(cè)產(chǎn)量、工作電壓、溫度等信息，并將這些現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和處理。傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)采集模式盡管穩(wěn)定、可靠，但存在布線工作量大、可擴(kuò)展性差、工程造價(jià)高等弊端。

近年來，無線通信技術(shù)得到長足的發(fā)展，基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1，2]因其具有功耗低、體積小、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3，4]。將ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合，不僅能夠有效對(duì)布線困難、人員不能到達(dá)區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，還能夠簡化有線網(wǎng)絡(luò)所帶來的規(guī)劃布線、線路檢查和擴(kuò)容等繁瑣工作。文獻(xiàn)[5]基于ZigBee和AT89S52設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)了一套無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，但在穩(wěn)定性和實(shí)用性方面還有待改進(jìn)。本文根據(jù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集的需求，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee技術(shù)的近距離、低成本、低功耗的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集和接收處理兩大模塊，其中采集模塊由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊、單片機(jī)、數(shù)據(jù)采集傳感器、LED顯示屏、按鍵等構(gòu)成；單片機(jī)選用STC15W4K16S4實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、傳輸和人機(jī)交互功能，主要為按鍵識(shí)別和LED顯示控制；單片機(jī)片上E2PROM用以保存數(shù)據(jù)，如掉電時(shí)當(dāng)前信息的保存或保存需要長久保存的數(shù)據(jù)；LED用以實(shí)時(shí)顯示采集數(shù)據(jù)。無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

采集模塊采集到的數(shù)據(jù)由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)接收模塊，接收模塊再經(jīng)串口送至PC機(jī)。PC機(jī)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢和實(shí)時(shí)顯示等功能，同時(shí)負(fù)責(zé)控制接收模塊與采集模塊的命令交互。在工程應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，待監(jiān)測(cè)的生產(chǎn)區(qū)域通常需要采集多種類型的數(shù)據(jù)，單功能采集模塊系統(tǒng)難以滿足實(shí)際需求。因此利用基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊搭建數(shù)據(jù)接收處理模塊，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器功能，連接多個(gè)數(shù)據(jù)采集功能模塊是一種有效的方案。擴(kuò)展后的具有多種數(shù)據(jù)采集能力的采集系統(tǒng)如圖2所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 無線通信模塊

本設(shè)計(jì)中的無線通信模塊采用TI公司生產(chǎn)的CC2530做為核心芯片?；贑C2530芯片和ZegBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)和系統(tǒng)命令的傳輸，具有使用靈活、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。無線通信模塊的硬件電路如圖3所示。

由圖3可知，為得到良好的電源性能，確保通信穩(wěn)定可靠，采用去耦電容對(duì)模塊電源進(jìn)行濾波。采用高精度32 MHz的無源晶振作為時(shí)鐘源來提供可靠無線收發(fā)基準(zhǔn)時(shí)鐘。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊以STC15W4K16S4單片機(jī)為核心，該單片機(jī)具有16 K系統(tǒng)編程Flash存儲(chǔ)器和42 K的E2PROM內(nèi)存。數(shù)據(jù)采集模塊與CC2530無線通信單元相連，以此組建ZigBee無線傳感器通信網(wǎng)絡(luò)。采集模塊兼具傳感器數(shù)據(jù)采集、人機(jī)接口和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信等功能。設(shè)計(jì)的采集模塊硬件電路實(shí)物圖如圖4所示。

2.3 數(shù)據(jù)接收模塊

接收模塊又稱為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，包括ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信模塊和通信接口。通信接口選用RS 232方式，ZigBee協(xié)議轉(zhuǎn)換成RS 232協(xié)議后與PC機(jī)無縫連接。數(shù)據(jù)接收模塊兼具組建無線通信網(wǎng)絡(luò)、實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與數(shù)據(jù)采集模塊之間命令交互等功能。設(shè)計(jì)的無線數(shù)據(jù)接收模塊硬件如圖5所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊軟件編程主要實(shí)現(xiàn)按鍵檢測(cè)、顯示驅(qū)動(dòng)、與ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信交互等功能。數(shù)據(jù)接收模塊軟件編程具有RS 232接口驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)協(xié)議交互、ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器功能實(shí)現(xiàn)等功能。PC機(jī)軟件主要負(fù)責(zé)控制協(xié)調(diào)器與數(shù)據(jù)采集模塊交互、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)據(jù)庫管理。

為了區(qū)分不同的數(shù)據(jù)采集模塊，以采集模塊的單片機(jī)MAC地址作為各模塊的身份ID，并在數(shù)據(jù)通信幀中添加該ID。接收模塊收到數(shù)據(jù)后解析出ID、傳感器數(shù)據(jù)或命令，按照ID分類存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)包括網(wǎng)絡(luò)探測(cè)、數(shù)據(jù)采集、停止采集等功能模塊，各模塊獨(dú)立編程實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)接收模塊全網(wǎng)探測(cè)過程的程序流程如圖6所示。

數(shù)據(jù)采集模塊聯(lián)網(wǎng)過程按照?qǐng)D7所示流程編寫程序。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的可行性，針對(duì)某活塞環(huán)生產(chǎn)企業(yè)的機(jī)床加工零部件產(chǎn)量采集需求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，主要采集和統(tǒng)計(jì)不同員工操作的機(jī)床設(shè)備所加工不同型號(hào)的活塞環(huán)產(chǎn)品信息。圖8所示為18個(gè)采集模塊聯(lián)網(wǎng)確認(rèn)后的數(shù)據(jù)采集情況。由圖8可知，基于Java語言設(shè)計(jì)的PC機(jī)終端軟件給出數(shù)據(jù)采集模塊的安裝位置，顯示活塞環(huán)產(chǎn)品型號(hào)和機(jī)床操作人員等信息，圖中歷時(shí)產(chǎn)量表示本次采集開始之前的產(chǎn)量。

5 結(jié) 語

針對(duì)工業(yè)信息化需求，研究和設(shè)計(jì)了基于ZigBee和STC單片機(jī)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、統(tǒng)計(jì)和分析等功能。該系統(tǒng)包括無線采集和接收處理兩大部分，無線采集模塊主要由CC2530和 STC單片機(jī)構(gòu)成。接收處理部分包括無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和PC機(jī)及軟件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了系統(tǒng)的有效性。

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