工業(yè)儀表無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

龍萬超

摘要：每個工廠的運行除了需要大量的人力、財力外，還需要大量的物力，需要很多設(shè)備儀器，通過這些設(shè)備儀器工廠才能夠運行下去。這些儀器的投入資金都很可觀，為了減少浪費，爭取做到物盡其用，需要充分利用這些儀器。工廠中的儀器包括了壓力變送器、溫度變送器、流量計和成分分析儀等，在工廠這些儀器都是利用有線方式和控制系統(tǒng)相連接，做到數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)?。有線網(wǎng)絡(luò)的使用對工廠運行有著極大作用，但是由于有線網(wǎng)絡(luò)使用時需要進行布線，這需要極大的成本，并且實施難度也很大。于是無線數(shù)據(jù)采集就成為了當前研究的重點。

關(guān)鍵詞：無線數(shù)據(jù)采集;工業(yè)儀表;數(shù)據(jù)研究

中圖分類號：TP274.2;TH86?文獻標識碼：A?文章編號：1672-9129（2020）05-0020-01

Abstract：In?addition?to?the?operation?of?each?factory?needs?a?lot?of?manpower，financial?resources，also?need?a?lot?of?material?resources，a?lot?of?equipment?and?instruments，through?these?equipment?and?instruments?factory?can?run?down.?These?instruments?cost?a?lot?of?money，and?in?order?to?reduce?waste?and?make?the?most?of?everything，we?need?to?make?full?use?of?them.?Instruments?in?the?factory?include?pressure?transmitter，temperature?transmitter，flow?meter?and?component?analyzer，etc.?In?the?factory，these?instruments?are?connected?by?wired?mode?and?control?system?to?achieve?data?acquisition?and?transmission.?The?use?of?wired?network?plays?a?great?role?in?the?operation?of?the?factory，but?because?wired?network?needs?to?be?wired，it?requires?great?cost?and?implementation?difficulty.?So?wireless?data?acquisition?has?become?the?focus?of?current?research.

Key?words：wireless?data?acquisition;Industrial?instruments;Data?research

前言：在以往的工廠中，為了快速讀取工廠內(nèi)儀表數(shù)據(jù)和具體運行情況，都是利用有線網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)采集的，但是有線網(wǎng)絡(luò)存在一定的不足，隨著時代變遷，通信技術(shù)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，距離短、功耗低、速率低的無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)得到了快速的發(fā)展，并且開始得到廣泛應(yīng)用。不過要想在工廠中充分利用無線通信將這些多種類型儀器儀表進行改造存在著很大的困難，需要進行研究。經(jīng)過多次研究，發(fā)現(xiàn)ZigBee技術(shù)是目前最適用于工業(yè)的一種技術(shù)，本文對該技術(shù)進行了詳細的闡述。

1?總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

目前工業(yè)儀表無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以根據(jù)其具體內(nèi)容分成兩個部分，分別是數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)管理中心。這兩個部分由于主要管理內(nèi)容不一樣，其中涉及到的技術(shù)也是不一樣的。就以數(shù)據(jù)采集端為例，在數(shù)據(jù)采集端中ZigBee適配器包含了多個采集接口，這些采集接口可以收集到4-20mA的電流信號、1-5V或是0-10V的電壓信號等，利用串口連接的方式和工業(yè)現(xiàn)場的壓力變送器相連接;除了上述的電流信號和電壓信號外，還會收集工廠現(xiàn)場的儀器儀表輸出數(shù)據(jù)，包括了過程數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)等，然后將這些數(shù)據(jù)利用該無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器中。而數(shù)據(jù)管理中心，則主要指ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器利用自身的無線通信模塊對接收到的數(shù)據(jù)進行通信和傳輸，在該過程中需要將數(shù)據(jù)管理中心用到的計算機和該無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進行串口連接。數(shù)據(jù)管理中心中需要用到相關(guān)軟件，對這些軟件功能進行整理可以分成數(shù)據(jù)庫軟件和監(jiān)控軟件，通過這些軟件達成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、存儲和實時顯示的目的。

2?數(shù)據(jù)采集端設(shè)計

在數(shù)據(jù)采集端設(shè)計中包括了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩種。而硬件設(shè)計又可以被細分成系統(tǒng)硬件設(shè)計、ZigBee協(xié)調(diào)器硬件設(shè)計和ZigBee適配器硬件設(shè)計。系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包含了在該無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)協(xié)調(diào)器和適配器基礎(chǔ)上的硬件設(shè)計。這兩種設(shè)計都利用了IT公司的CC2430模塊。CC2430芯片和其他芯片相比具有極大的優(yōu)勢，消耗的功能很低，從休眠轉(zhuǎn)換到主動模式只要花費極端時間就行，利用率高。ZigBee網(wǎng)絡(luò)在正式使用時需要有一個無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進行控制，通過該協(xié)調(diào)器去做到建立網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信息、管理網(wǎng)絡(luò)、接收網(wǎng)絡(luò)信息和存儲網(wǎng)絡(luò)信息。當前ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主要無線通信板塊、串口通信板塊、輸入板塊、液晶顯示板塊等部分，這些都被設(shè)計在同一個獨立的板塊上。軟件設(shè)計則包括了ZigBee協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計和適配器軟件設(shè)計。這兩個軟件設(shè)計都是基于ZigBee精簡版協(xié)議基礎(chǔ)上研發(fā)出來的。先對CC2430、液晶和協(xié)議棧進行初始化并將其打斷，等被初始化后，在協(xié)調(diào)器中開始啟動和建立該網(wǎng)絡(luò)。建立完成后，就可以在液晶顯示器上看到成功信息，或是通過串口在計算機上顯示網(wǎng)絡(luò)建立成功的信息。該網(wǎng)絡(luò)主要利用自組織的方式去建成一個無線通信鏈路的。之后，整個協(xié)調(diào)器就會處于無線監(jiān)控的狀態(tài)，監(jiān)控是否加入了節(jié)點，加入的節(jié)點有沒有發(fā)出數(shù)據(jù)，當有節(jié)點申請加入到該網(wǎng)絡(luò)時，協(xié)調(diào)器就會做出決策，統(tǒng)一并且分配節(jié)點網(wǎng)絡(luò)信號，當加入的節(jié)點發(fā)出了數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器就會將這些數(shù)據(jù)傳到上位機中。適配器則是當協(xié)調(diào)器發(fā)出了網(wǎng)絡(luò)信號后，適配器就會開始搜索網(wǎng)絡(luò)信號，加入這個網(wǎng)絡(luò)中，該適配器就會開始處于低功耗的休眠狀態(tài)中。在涉及的系統(tǒng)中，一般都會將適配器直接設(shè)置成定時收集、定時發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點不會一直都在工作。當處于發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)中，節(jié)點就會被喚醒而當任務(wù)完成后，就會直接進入低功耗休眠狀態(tài)，可以有效節(jié)約能源。

3?數(shù)據(jù)管理中心設(shè)計

工業(yè)現(xiàn)場的儀器儀表數(shù)據(jù)的整個輸出分析過程是這樣的，先通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)適配器采集接收、發(fā)送然后再利用該無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進行接收并利用專門的串口將數(shù)據(jù)直接發(fā)送到監(jiān)控中心對其進行分析處理。對數(shù)據(jù)管理中心的數(shù)據(jù)庫進行分析可以將里面涉及到的軟件分成監(jiān)控軟件和數(shù)據(jù)庫軟件。監(jiān)控軟件主要就是對計算機串口的數(shù)據(jù)各個功能進行監(jiān)控，看這些功能是否在運行。而數(shù)據(jù)庫軟件則是對工業(yè)現(xiàn)場的儀器和儀表各個信息進行分析管理。通過這兩種軟件做到了利用計算機對工程現(xiàn)場儀器和儀表節(jié)點的在線監(jiān)測。數(shù)據(jù)管理中心的研發(fā)主要利用了當前先進的虛擬儀器技術(shù)，利用LabVIEW進行編寫，然后建立串口通信，對數(shù)據(jù)進行采集、處理和存儲等。為了更加直觀顯示出網(wǎng)絡(luò)適配器采集的數(shù)據(jù)的輸出曲線，在每個信號采集中都會專門配置一個示波器。數(shù)據(jù)庫軟件利用了當前應(yīng)用最為廣泛的微軟Access數(shù)據(jù)庫，對工廠中的各個儀器和儀表的信息進行保存。

4?小結(jié)

本文對基于ZigBee的工業(yè)儀表無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行了詳細的闡述，并通過相關(guān)實驗進行驗證得出一個結(jié)論，利用該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以準確采集到的工業(yè)現(xiàn)場中儀器儀表的過程數(shù)據(jù)，如電流信號、電壓信號等，具有低成本和低功耗的特點，和有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集有著極大的不同，指的被廣泛推廣應(yīng)用。

參考文獻：

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