工業儀表無線數據采集系統的設計與實現

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，需要很多設備儀器，通過這些設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相連接，做到數據采集和傳輸的。有線網絡的使用對工廠運行有著極大作用，但是由于有線網絡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。于是無線數據采集就成為了當前研究的重點。

關鍵詞：無線數據采集;工業儀表;數據研究

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儀表數據和具體運行情況，都是利用有線網絡進行數據采集的，但是有線網絡存在一定的不足，隨著時代變遷，通信技術和嵌入式技術的發展，距離短、功耗低、速率低的無線通信網絡技術得到了快速的發展，并且開始得到廣泛應用。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。經過多次研究，發現ZigBee技術是目前最適用于工業的一種技術，本文對該技術進行了詳細的闡述。

1?總體結構設計

目前工業儀表無線數據采集系統可以根據其具體內容分成兩個部分，分別是數據采集端和數據管理中心。這兩個部分由于主要管理內容不一樣，其中涉及到的技術也是不一樣的。就以數據采集端為例，在數據采集端中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現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，還會收集工廠現場的儀器儀表輸出數據，包括了過程數據和測量數據等，然后將這些數據利用該無線網絡發送到協調器中。而數據管理中心，則主要指ZigBee無線網絡協調器利用自身的無線通信模塊對接收到的數據進行通信和傳輸，在該過程中需要將數據管理中心用到的計算機和該無線網絡協調器進行串口連接。數據管理中心中需要用到相關軟件，對這些軟件功能進行整理可以分成數據庫軟件和監控軟件，通過這些軟件達成數據轉換、存儲和實時顯示的目的。

2?數據采集端設計

在數據采集端設計中包括了硬件設計和軟件設計兩種。而硬件設計又可以被細分成系統硬件設計、ZigBee協調器硬件設計和ZigBee適配器硬件設計。系統硬件設計主要包含了在該無線網絡技術協調器和適配器基礎上的硬件設計。這兩種設計都利用了IT公司的CC2430模塊。CC2430芯片和其他芯片相比具有極大的優勢，消耗的功能很低，從休眠轉換到主動模式只要花費極端時間就行，利用率高。ZigBee網絡在正式使用時需要有一個無線網絡協調器進行控制，通過該協調器去做到建立網絡、發送網絡信息、管理網絡、接收網絡信息和存儲網絡信息。當前ZigBee網絡協調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，這些都被設計在同一個獨立的板塊上。軟件設計則包括了ZigBee協調器軟件設計和適配器軟件設計。這兩個軟件設計都是基于ZigBee精簡版協議基礎上研發出來的。先對CC2430、液晶和協議棧進行初始化并將其打斷，等被初始化后，在協調器中開始啟動和建立該網絡。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絡建立成功的信息。該網絡主要利用自組織的方式去建成一個無線通信鏈路的。之后，整個協調器就會處于無線監控的狀態，監控是否加入了節點，加入的節點有沒有發出數據，當有節點申請加入到該網絡時，協調器就會做出決策，統一并且分配節點網絡信號，當加入的節點發出了數據，協調器就會將這些數據傳到上位機中。適配器則是當協調器發出了網絡信號后，適配器就會開始搜索網絡信號，加入這個網絡中，該適配器就會開始處于低功耗的休眠狀態中。在涉及的系統中，一般都會將適配器直接設置成定時收集、定時發送數據，節點不會一直都在工作。當處于發送數據的狀態中，節點就會被喚醒而當任務完成后，就會直接進入低功耗休眠狀態，可以有效節約能源。

3?數據管理中心設計

工業現場的儀器儀表數據的整個輸出分析過程是這樣的，先通過ZigBee網絡適配器采集接收、發送然后再利用該無線網絡協調器進行接收并利用專門的串口將數據直接發送到監控中心對其進行分析處理。對數據管理中心的數據庫進行分析可以將里面涉及到的軟件分成監控軟件和數據庫軟件。監控軟件主要就是對計算機串口的數據各個功能進行監控，看這些功能是否在運行。而數據庫軟件則是對工業現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場儀器和儀表節點的在線監測。數據管理中心的研發主要利用了當前先進的虛擬儀器技術，利用LabVIEW進行編寫，然后建立串口通信，對數據進行采集、處理和存儲等。為了更加直觀顯示出網絡適配器采集的數據的輸出曲線，在每個信號采集中都會專門配置一個示波器。數據庫軟件利用了當前應用最為廣泛的微軟Access數據庫，對工廠中的各個儀器和儀表的信息進行保存。

4?小結

本文對基于ZigBee的工業儀表無線數據采集系統進行了詳細的闡述，并通過相關實驗進行驗證得出一個結論，利用該數據采集系統可以準確采集到的工業現場中儀器儀表的過程數據，如電流信號、電壓信號等，具有低成本和低功耗的特點，和有線網絡數據采集有著極大的不同，指的被廣泛推廣應用。

參考文獻：

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