基于ZigBee和STC單片機的無線數據采集系統

李越+童耀南+朱凱+黃建雄

摘 要：針對工業信息化需求，研究和設計了基于ZigBee和STC單片機的無線數據采集系統，實現了工業現場數據自動采集、統計和分析功能。該系統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調器和PC機及軟件。實驗結果表明，該系統功能完善，性能穩定，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

在工業信息化領域，數據采集是獲取信息的基本手段。企業在生產時需要監測產量、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。傳統的有線數據采集模式盡管穩定、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、人員不能到達區域進行數據采集，還能夠簡化有線網絡所帶來的規劃布線、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，但在穩定性和實用性方面還有待改進。本文根據工業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。

1 系統架構

本文設計的無線數據采集系統架構如圖1所示。該系統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，待監測的生產區域通常需要采集多種類型的數據，單功能采集模塊系統難以滿足實際需求。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。基于CC2530芯片和ZegBee無線傳感器網絡協議設計網絡通信節點，實現采集數據和系統命令的傳輸，具有使用靈活、成本低廉等優點。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協議轉換成RS 232協議后與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、數據協議交互、ZigBee無線傳感器網絡協調器功能實現等功能。PC機軟件主要負責控制協調器與數據采集模塊交互、數據采集、存儲、統計分析和數據庫管理。

為了區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的可行性，針對某活塞環生產企業的機床加工零部件產量采集需求進行現場調試，主要采集和統計不同員工操作的機床設備所加工不同型號的活塞環產品信息。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，實現了工業現場數據的自動采集、統計和分析等功能。該系統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調器和PC機及軟件。實驗結果表明了系統的有效性。

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測系統設計[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殖信息獲取系統[J].物聯網技術，2014，4（8）：32-33.

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