基于ZigBee和STC單片機的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1、基于ZigBee和STC單片機的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)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(gòu)成。接收處理部分包括無線網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和PC機及軟件。實驗結(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，有較好的應用前景。 關鍵詞：ZigBee；數(shù)據(jù)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

2、域，數(shù)據(jù)采集是獲取信息的基本手段。企業(yè)在生產(chǎn)時需要監(jiān)測產(chǎn)量、工作電壓、溫度等信息，并將這些現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C進行存儲、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(wǎng)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(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫技術相結(jié)合，不僅能夠有效對布線困難、人員不能到達區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集，還能夠簡化有線網(wǎng)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AT89

3、S52設計、實現(xiàn)了一套無線數(shù)據(jù)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(jù)工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集的需求，設計并實現(xiàn)了基于ZigBee技術的近距離、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) 本文設計的無線數(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)絡模塊、單片機、數(shù)據(jù)采集傳感器、LED顯示屏、按鍵等構(gòu)成；單片機選用STC15W4K16S4實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，如掉電時當前信息的保存或保存需要長久保存的數(shù)據(jù)；LED用以實時顯示采集數(shù)據(jù)。無線數(shù)據(jù)采集系

4、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)絡傳送到數(shù)據(jù)接收模塊，接收模塊再經(jīng)串口送至PC機。PC機完成數(shù)據(jù)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(xiàn)場，待監(jiān)測的生產(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)難以滿足實際需求。因此利用基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡模塊搭建數(shù)據(jù)接收處理模塊，實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和路由器功能，連接多個數(shù)據(jù)采集功能模塊是一種有效的方案。擴展后的具有多種數(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(chǎn)的CC2530做為核心芯片?；贑C253

5、0芯片和ZegBee無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)議設計網(wǎng)絡通信節(jié)點，實現(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。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(shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)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(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。采集模塊兼具傳感器數(shù)據(jù)采集、人機接口和無線傳感器網(wǎng)絡通信等功

6、能。設計的采集模塊硬件電路實物圖如圖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)絡協(xié)調(diào)器，包括ZigBee無線傳感器網(wǎng)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(zhuǎn)換成RS 232協(xié)議后與PC機無縫連接。數(shù)據(jù)接收模塊兼具組建無線通信網(wǎng)絡、實現(xiàn)PC機與數(shù)據(jù)采集模塊之間命令交互等功能。設計的無線數(shù)據(jù)接收模塊硬件如圖5所示。 3 軟件設計 數(shù)據(jù)采集模塊軟件編程主要實現(xiàn)按鍵檢測、顯示驅(qū)動、與ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡通信交互等功能。數(shù)據(jù)接收模塊軟件編程具有RS 232接口驅(qū)動、數(shù)據(jù)協(xié)議交互、ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器功能實現(xiàn)等功能。PC機軟件主要負責控制協(xié)調(diào)

7、器與數(shù)據(jù)采集模塊交互、數(shù)據(jù)采集、存儲、統(tǒng)計分析和數(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分類存儲采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)包括網(wǎng)絡探測、數(shù)據(jù)采集、停止采集等功能模塊，各模?K獨立編程實現(xiàn)，數(shù)據(jù)接收模塊全網(wǎng)探測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(chǎn)企業(yè)的機床加工零部件產(chǎn)量采集需求進行現(xiàn)場調(diào)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(chǎn)品信息。圖8所示為18個采

8、集模塊聯(lián)網(wǎng)確認后的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集模塊的安裝位置，顯示活塞環(huán)產(chǎn)品型號和機床操作人員等信息，圖中歷時產(chǎn)量表示本次采集開始之前的產(chǎn)量。 5 結(jié) 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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)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(gòu)成。接收處理部分包括無線網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和PC機及軟件。實驗結(jié)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)絡技術的水產(chǎn)養(yǎng)殖信息獲取系統(tǒng)J.物聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集