基于ZigBee和STC單片機的無線數據采集系統(tǒng)

李越+童耀南+朱凱+黃建雄

摘 要：針對工業(yè)信息化需求，研究和設計了基于ZigBee和STC單片機的無線數據采集系統(tǒng)，實現了工業(yè)現場數據自動采集、統(tǒng)計和分析功能。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單片機構成。接收處理部分包括無線網絡協(xié)調器和PC機及軟件。實驗結果表明，該系統(tǒng)功能完善，性能穩(wěn)定，具有低成本，高效率等特性，有較好的應用前景。

關鍵詞：ZigBee；數據采集；STC單片機；前端處理；串口

中圖分類號：TN216；TP27 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）03-00-03

0 引 言

在工業(yè)信息化領域，數據采集是獲取信息的基本手段。企業(yè)在生產時需要監(jiān)測產量、工作電壓、溫度等信息，并將這些現場數據傳輸到上位機進行存儲、分析和處理。傳統(tǒng)的有線數據采集模式盡管穩(wěn)定、可靠，但存在布線工作量大、可擴展性差、工程造價高等弊端。

近年來，無線通信技術得到長足的發(fā)展，基于IEEE 802.15.4標準的ZigBee無線傳感器網絡技術[1，2]因其具有功耗低、體積小、靈活性強等優(yōu)點，所以在諸多領域得到廣泛應用[3，4]。將ZigBee無線傳感器網絡和數據庫技術相結合，不僅能夠有效對布線困難、人員不能到達區(qū)域進行數據采集，還能夠簡化有線網絡所帶來的規(guī)劃布線、線路檢查和擴容等繁瑣工作。文獻[5]基于ZigBee和AT89S52設計、實現了一套無線數據采集系統(tǒng)，但在穩(wěn)定性和實用性方面還有待改進。本文根據工業(yè)現場數據采集的需求，設計并實現了基于ZigBee技術的近距離、低成本、低功耗的無線數據采集系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)架構

本文設計的無線數據采集系統(tǒng)架構如圖1所示。該系統(tǒng)包括數據采集和接收處理兩大模塊，其中采集模塊由ZigBee無線傳感器網絡模塊、單片機、數據采集傳感器、LED顯示屏、按鍵等構成；單片機選用STC15W4K16S4實現數據采集、傳輸和人機交互功能，主要為按鍵識別和LED顯示控制；單片機片上E2PROM用以保存數據，如掉電時當前信息的保存或保存需要長久保存的數據；LED用以實時顯示采集數據。無線數據采集系統(tǒng)結構如圖1所示。

采集模塊采集到的數據由ZigBee無線傳感器網絡傳送到數據接收模塊，接收模塊再經串口送至PC機。PC機完成數據的存儲、查詢和實時顯示等功能，同時負責控制接收模塊與采集模塊的命令交互。在工程應用現場，待監(jiān)測的生產區(qū)域通常需要采集多種類型的數據，單功能采集模塊系統(tǒng)難以滿足實際需求。因此利用基于ZigBee無線傳感器網絡模塊搭建數據接收處理模塊，實現網絡協(xié)調器和路由器功能，連接多個數據采集功能模塊是一種有效的方案。擴展后的具有多種數據采集能力的采集系統(tǒng)如圖2所示。

2 硬件設計

2.1 無線通信模塊

本設計中的無線通信模塊采用TI公司生產的CC2530做為核心芯片?；贑C2530芯片和ZegBee無線傳感器網絡協(xié)議設計網絡通信節(jié)點，實現采集數據和系統(tǒng)命令的傳輸，具有使用靈活、成本低廉等優(yōu)點。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，采用去耦電容對模塊電源進行濾波。采用高精度32 MHz的無源晶振作為時鐘源來提供可靠無線收發(fā)基準時鐘。

2.2 數據采集模塊

數據采集模塊以STC15W4K16S4單片機為核心，該單片機具有16 K系統(tǒng)編程Flash存儲器和42 K的E2PROM內存。數據采集模塊與CC2530無線通信單元相連，以此組建ZigBee無線傳感器通信網絡。采集模塊兼具傳感器數據采集、人機接口和無線傳感器網絡通信等功能。設計的采集模塊硬件電路實物圖如圖4所示。

2.3 數據接收模塊

接收模塊又稱為無線傳感器網絡協(xié)調器，包括ZigBee無線傳感器網絡通信模塊和通信接口。通信接口選用RS 232方式，ZigBee協(xié)議轉換成RS 232協(xié)議后與PC機無縫連接。數據接收模塊兼具組建無線通信網絡、實現PC機與數據采集模塊之間命令交互等功能。設計的無線數據接收模塊硬件如圖5所示。

3 軟件設計

數據采集模塊軟件編程主要實現按鍵檢測、顯示驅動、與ZigBee無線傳感器網絡通信交互等功能。數據接收模塊軟件編程具有RS 232接口驅動、數據協(xié)議交互、ZigBee無線傳感器網絡協(xié)調器功能實現等功能。PC機軟件主要負責控制協(xié)調器與數據采集模塊交互、數據采集、存儲、統(tǒng)計分析和數據庫管理。

為了區(qū)分不同的數據采集模塊，以采集模塊的單片機MAC地址作為各模塊的身份ID，并在數據通信幀中添加該ID。接收模塊收到數據后解析出ID、傳感器數據或命令，按照ID分類存儲采集數據。系統(tǒng)包括網絡探測、數據采集、停止采集等功能模塊，各模塊獨立編程實現，數據接收模塊全網探測過程的程序流程如圖6所示。

數據采集模塊聯網過程按照圖7所示流程編寫程序。

4 實驗驗證

為了驗證本文設計系統(tǒng)的可行性，針對某活塞環(huán)生產企業(yè)的機床加工零部件產量采集需求進行現場調試，主要采集和統(tǒng)計不同員工操作的機床設備所加工不同型號的活塞環(huán)產品信息。圖8所示為18個采集模塊聯網確認后的數據采集情況。由圖8可知，基于Java語言設計的PC機終端軟件給出數據采集模塊的安裝位置，顯示活塞環(huán)產品型號和機床操作人員等信息，圖中歷時產量表示本次采集開始之前的產量。

5 結 語

針對工業(yè)信息化需求，研究和設計了基于ZigBee和STC單片機的無線數據采集系統(tǒng)，實現了工業(yè)現場數據的自動采集、統(tǒng)計和分析等功能。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單片機構成。接收處理部分包括無線網絡協(xié)調器和PC機及軟件。實驗結果表明了系統(tǒng)的有效性。

參考文獻

[1]夏恒星，馬維華.基于CC2430的無線傳感器網絡節(jié)點設計[J].電子技術應用，2007 ，33（5）： 45-47.

[2]梁光勝，劉丹娟，郝福珍.基于CC2430的 ZigBee無線網絡節(jié)點設計[J].電子設計工程，2010，18（2）： 15-18.

[3]張杰，石為人，涂巧玲.基于無線傳感器網絡的信息采集監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].傳感技術學報，2009，22（6）： 861-864.

[4]彭宇帆.基于無線傳感器網絡技術的水產養(yǎng)殖信息獲取系統(tǒng)[J].物聯網技術，2014，4（8）：32-33.

[5]周細鳳，曾榮周，童耀南.基于ZigBee和AT89S52的無線數據采集系統(tǒng)[J].湖南工程學院學報（自然科學版），2014，24（4）：1-4.

[6]劉祿恒.一種通用多協(xié)議數據采集系統(tǒng)的設計與實現[J].物聯網技術，2015，5（6）：32-33.

[7]王建平，焦國太，季偉，等.基于單片機的無線溫度數據傳輸系統(tǒng)設計[J].機電技術，2011，34（4）：14-17.

[8] 陳湘平，房莉.基于ZigBee的數據采集系統(tǒng)設計[J].微計算機信息，2009（10）：99-101.