李少林，張維路，劉 民，張卓夫

(桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541004)

0 引言

隨著“工業4.0”戰略和“中國制造2025計劃”的提出，世界各國的科研人員都致力于制造業智能化水平的提升和智能化生產系統的實現。其中，數據采集與控制是實現智能化生產必不可少的一部分。然而在當今工業領域，數據采集器多采取有線的傳輸方式，且工廠設備數量及種類較多，常處于高溫和高壓等惡劣環境下，導致布線工程量大，成本過高，限制了數據采集技術的廣泛應用[1]。同時，在某些工廠設備中雖具備數據采集系統，但無法實現對設備狀態的遠程控制，在控制方面還需花費大量的時間和精力。

針對工業數據采集系統中存在的上述問題，提出了一種基于ZigBee/WiFi技術的無線數據采集與控制系統的方案。ZigBee 技術是一種近距離、低成本、低功耗的雙向無線傳輸技術，具有組網簡單，安全可靠，網絡容量大等優勢[2-3]。在ZigBee技術的基礎上，本方案首先選擇了模擬開關芯片CD4051，改進了傳統的單路數據采集方法，實現了多路數據實時采集，其次引入了WiFi通信方式，其傳輸速率高，應用廣泛，可以通過手機客戶端對設備數據進行實時監控，改善了工作人員只能通過電腦端監控的不足；最后數據接收端的軟件功能中還設有控制開關，可實現對設備狀態的遠程控制。同時處理器選擇CC2530芯片和ESP8266芯片，設計簡單，成本低廉，后文對其詳細介紹。該方案可實現對設備狀態的數據采集、無線傳輸、實時監測和遠程控制等功能，既滿足工業現場設備的監測要求，又可以解決傳統手段的缺陷和不足。

1 系統總體設計

為實現上述設計要求以及結合ZigBee通信特性，該系統在結構上可分為三部分：第一部分為終端設備節點，其與設備相連，分布式安裝在工業現場，主要實現對設備運行數據的采集與控制，并將獲取后的數據信息通過無線的方式進行傳輸；第二部分為路由器節點，主要實現節點之間的數據中繼，通過多級路由的方式延伸ZigBee無線網絡的覆蓋范圍，路由器節點接收終端設備節點采集的數據信息，并將其轉發到其父節點或協調器；第三部分為協調器節點，主要實現創建ZigBee網絡，獲取ZigBee網絡中的設備運行數據，然后進行數據處理，同時設計有WiFi通信模塊，接收端連接WiFi信號，通過電腦上位機或手機客戶端讀取到設備運行數據，且可實現對設備的運行狀態進行控制[4]。其整體結構如圖1所示。

圖1 系統整體框架

2 系統硬件設計

綜合整體框架設計，系統的處理器主要選擇CC2530芯片和ESP8266芯片。CC2530芯片為TI公司(德州儀器公司)生產，可滿足ZigBee技術的各種底層需求，同時TI公司提供了Z-Stack協議棧，減輕了軟件開發的工作量，符合本系統的硬件設計和軟件設計的要求[5]。ESP8266芯片是一個完整且自成體系WiFi網絡解決方案，能夠獨立運行，并且也可以作為從機，添加到任何搭載于其他微控制器的系統中[6]。本節將對硬件設計方面進行詳細說明。

根據設計需求可采用核心板和底板的設計模式，只需設計一款CC2530芯片核心板，然后針對不同功能的設備節點設計符合功能要求的底板，以此提高系統的開發效率。將核心板作為單獨模塊設計，會降低設計難度，也增加了系統的穩定性和可維護性。

本節將從CC2530芯片最小系統核心板設計，終端數據采集節點的底板設計和ESP8266芯片底板設計三部分進行詳細闡述，其中路由節點由CC2530芯片的最小系統核心板、電源模塊和調試模塊組成，與終端節點設計相同，對路由器的底板設計不做介紹。

2.1 CC2530系統核心板

CC2530芯片內部集成了低功耗的增強型8051內核，內部自帶模/數轉換器，ADC支持14位的模擬數字轉換，具有多達12位的ENOB(有效數據)，轉換結果通過DMA寫入存儲器，可以滿足設計要求[7]。核心板電路根據TI公司提供的官方資料以及其他技術資料得出，其主要包括時鐘電路、復位電路和射頻電路，原理圖如圖2所示[8]。

圖2 CC2530系統核心板電路

2.2 終端節點底板

終端設備節點主要實現設備運行數據的采集、設備狀態的控制以及數據信息的無線發送。由電源模塊、調試下載電路、數據采集電路、繼電器控制電路等組成。

電源電路：本系統中處理器CC2530芯片，需3.3V工作電源，同時繼電器需5V驅動電源，故采用5V電源輸入，通過AMS1117-3.3V穩壓芯片進行電源電壓的轉換。

繼電器電路：該電路用于對設備狀態的控制。繼電器的控制輸入引腳與處理器的P01引腳相連，繼電器的控制輸出引腳P2端與設備的控制端相連，由此可通過控制處理器的P01引腳的電平實現對設備狀態的控制。

數據采集電路：該電路是終端底板節點電路的主要部分，由模擬開關和采樣/保持器組成。此電路針對模擬量輸出板的電壓信號進行采集，模擬量輸出板輸出DC0-10V標準工業電壓信號。模擬開關選擇CD4051芯片，該芯片為8通道數字控制模擬開關，實現了采集通道的擴展，改進了傳統的單路數據采集方法。

采樣/保持器的功能是保持輸入模擬信號的穩定，減少采樣誤差，系統電路設計中選擇采樣/保持器集成芯片AD582。AD582芯片內部有一個高性能的運算放大器，可設計為電壓跟隨器，同時輸入阻抗約為30ΜΩ，可以削弱模擬開關導通內阻對壓降的影響[9]。由于CC2530芯片的模/數轉換器允許電壓輸入范圍為0～3.3V，因此在信號輸出引腳后，還需通過精密電阻進行分壓處理，在軟件部分的數據處理中，根據比例還原真實的數據采集值。其數據采集電路如圖3所示。

圖3 數據采集電路

2.3 協調器節點WiFi模塊

協調器節點主要實現創建ZigBee網絡，獲取ZigBee終端節點采集的設備運行數據，同時搭載ESP8266串口WiFi模塊，以實現ZigBee協調器的串口信號與WiFi信號的轉換。其電路設計主要由電源電路、調試下載電路和ESP8266模塊電路三部分，其中電源模塊和調試下載電路與終端節點電路設計相同，ESP8266模塊電路原理圖如圖4所示。

ESP8266芯片是一款高性能串口WiFi模塊，通過串口和主控芯片通訊，內置 TCP/IP 棧協議。此外，具有STA/AP/STA+AP三種工作模式，支持UART/GPIO數據通信接口。本系統中由處理器CC2530芯片通過串口發送AT指令到ESP8266 芯片來實現串口WiFi 的初始化、連接、網絡通信等[10-11]。同時，其電路設計簡單，價格低廉，集成度高，也是選擇此芯片的原因。

在ESP8266芯片電路設計中，GPIO15引腳是ESP8266芯片運行的控制開關，低電平時芯片工作，即撥碼開關應置為ON,指示燈點亮顯示芯片運行。GPIO0引腳是模塊固件更新開關，本設計無需對此操作，撥碼開關應置為OFF。

圖4 ESP8266模塊電路

3 系統軟件設計

本系統組建了一個基于ZigBee的星型網絡拓撲結構，根據系統設計框架，在TI公司提供的Z-Stack協議棧上進行軟件開發，實現系統的功能要求[12]。

3.1 數據采集

圖5 ZigBee協調器工作流程

ZigBee協調器的工作流程：首先上電后進行系統初始化，完成創建ZigBee網絡，其次收集終端節點采集的數據，此后通過串口WiFi模塊將數據自動格式轉換，并發送到接收端。其協調器的工作流程如圖5所示。

圖6 WiFi模塊的工作流程

WiFi模塊ESP8266芯片搭載在ZigBee協調器上，通過協調器的串口對ESP8266芯片進行控制處理。其工作流程：首先WiFi模塊上電初始化，其次通過協調器串口將其設置為AP模式，此后執行AT命令對WiFi模塊進行復位重啟、啟動模塊多連接、開啟本地TCP服務器等操作，最終等接收到串口數據后，進行數據處理和格式轉換，將數據無線發送到接收端。WiFi模塊的工作流程如圖6所示。

圖7 終端節點 工作流程

ZigBee終端節點的工作流程：首先上電后進行系統初始化，其次加入到協調器創建ZigBee網絡，加入網絡成功后，進行數據采集工作，最后將數據發送出去。終端節點的工作流程如圖7所示。

ZigBee路由器節點主要完成數據的傳遞功能，增加傳輸距離。其主要流程為首先上電初始化，其次加入ZigBee網絡，搜索合適的路徑，最后將數據轉發到其父節點或協調器。

3.2 狀態控制

通過電腦上位機或手機客戶端可以實現對設備工作狀態的控制。其工作流程如下：

(1)電腦上位機或手機客戶端進入控制模式，點擊上位機或客戶端的設備控制按鈕，并將控制信號傳遞給串口WiFi模塊ESP8266芯片；

(2)WiFi模塊接收到控制信號后，進行信號解析，通過串口傳遞給ZigBee協調器，ZigBee協調器以廣播的形式將信號無線發送出去；

(3)ZigBee終端節點接收到ZigBee協調器的信號或由路由器轉發的信號后，進行地址和端點號匹配，匹配成功后，終端節點通過控制繼電器完成對設備狀態的控制。

4 系統測試

本系統采用一個協調器、一個路由器及4個終端節點采集模擬量輸出板的電壓進行功能測試。將編譯好的程序下載到各個ZigBee模塊后，然后上電初始化，處理器自動完成設備屬性匹配，成功組建ZigBee網絡。本測試以電腦端上位機作為數據接收端，首先將電腦連接上WiFi，同時在上位機上進行設置連接的服務器IP地址和端口，然后開啟網絡服務模式，這樣可以監測不同設備不同通道的實時數據變化。同時上位機上設計有設備控制按鈕，通過此按鈕可以實現設備狀態遠程的控制。

在完成功能測試之后，同時對此系統的通信性能進行測試。為驗證通信可靠性與傳輸距離的關系，采用一個協調器和一個終端節點，在工廠環境中進行實驗測試。節點間距定為20m、40m、60m、80m、100m、120m，分別對每個測量點發送數據包100個，進行20次數據測量，取其平均值，得到表1 的記錄結果。

表1 丟包率與通信距離的關系

根據表1數據，該系統在工廠環境中應用時，為保證數據傳輸的完整性，需要在協調器與終端節點的80m左右范圍內添設一個路由器節點，用于增強數據中轉能力。最后又在工廠環境中，重新進行功能測試，可以實現設計的要求，且數據傳輸穩定可靠。

5 結論

本文設計了基于ZigBee/WiFi的無線數據采集與控制系統，利用ZigBee技術的低功耗、組網簡單、安全可靠及WiFi技術覆蓋范圍廣，傳輸速率高，應用廣泛等優點，實現了對數據多路多通道的自動采集、無線傳輸以及對設備狀態的自動控制等功能。經過對系統的測試，可以準確完成預設的功能，且系統組網靈活，維護簡單，運行安全可靠，為工業領域的遠程無線監測及控制提供了新的解決方案。