基于ZigBee和STC单片机的无线数据采集系统

0 引 言

在工业信息化领域，数据采集是获取信息的基本手段。企业在生产时需要监测产量、工作电压、温度等信息，并将这些现场数据传输到上位机进行存储、分析和处理。传统的有线数据采集模式尽管稳定、可靠，但存在布线工作量大、可扩展性差、工程造价高等弊端。

近年来， 无线通信技术得到长足的发展， 基于 IEEE802.15.4 标准的ZigBee 无线传感器网络技术 [1,2] 因其具有功耗低、体积小、灵活性强等优点，所以在诸多领域得到广泛应用[3,4]。将ZigBee 无线传感器网络和数据库技术相结合，不仅能够有效对布线困难、人员不能到达区域进行数据采集， 还能够简化有线网络所带来的规划布线、线路检查和扩容等繁琐工作。文献 [5] 基于ZigBee 和 AT89S52 设计、实现了一套无线数据采集系统，但在稳定性和实用性方面还有待改进。本文根据工业现场数据采集的需求，设计并实现了基于ZigBee 技术的近距离、低成本、低功耗的无线数据采集系统。

１ 系统架构

本文设计的无线数据采集系统架构如图 1 所示。该系统包括数据采集和接收处理两大模块，其中采集模块由ZigBee 无线传感器网络模块、单片机、数据采集传感器、LED 显示屏、按键等构成 ；单片机选用 STC15W4K16S4 实现数据采集、传输和人机交互功能，主要为按键识别和LED 显示控制；单片机片上 E2PROM 用以保存数据，如掉电时当前信息的保存或保存需要长久保存的数据；LED 用以实时显示采集数据。无线数据采集系统结构如图 1 所示。

采集模块采集到的数据由ZigBee 无线传感器网络传送到数据接收模块，接收模块再经串口送至 PC 机。PC 机完成数据的存储、查询和实时显示等功能，同时负责控制接收模块与采集模块的命令交互。在工程应用现场，待监测的生产区域通常需要采集多种类型的数据，单功能采集模块系统难以满足实际需求。因此利用基于ZigBee 无线传感器网络模块搭建数据接收处理模块，实现网络协调器和路由器功能，连接多个数据采集功能模块是一种有效的方案。扩展后的具有多种数据采集能力的采集系统如图 2 所示。

2 硬件设计

2.1 无线通信模块

本设计中的无线通信模块采用TI 公司生产的CC2530 做为核心芯片。基于 CC2530 芯片和 ZegBee 无线传感器网络协议设计网络通信节点，实现采集数据和系统命令的传输，具有使用灵活、成本低廉等优点。无线通信模块的硬件电路如图 3所示。

由图 3 可知，为得到良好的电源性能，确保通信稳定可靠， 采用去耦电容对模块电源进行滤波。采用高精度 32 MHz 的无源晶振作为时钟源来提供可靠无线收发基准时钟。

2.2 数据采集模块

数据采集模块以 STC15W4K16S4 单片机为核心， 该单片机具有 16 K 系统编程Flash 存储器和 42 K 的E2PROM 内存。数据采集模块与CC2530 无线通信单元相连，以此组建ZigBee 无线传感器通信网络。采集模块兼具传感器数据采集、人机接口和无线传感器网络通信等功能。设计的采集模块硬件电路实物图如图 4 所示。

2.3 数据接收模块

接收模块又称为无线传感器网络协调器，包括 ZigBee 无线传感器网络通信模块和通信接口。通信接口选用RS 232 方式，ZigBee 协议转换成 RS 232 协议后与PC 机无缝连接。数据接收模块兼具组建无线通信网络、实现 PC 机与数据采集模块之间命令交互等功能。设计的无线数据接收模块硬件如图 5 所示。

图 4 数据采集模块                  图 5 数据接收模块

3 软件设计

数据采集模块软件编程主要实现按键检测、显示驱动、 与 ZigBee 无线传感器网络通信交互等功能。数据接收模块软 件编程具有 RS 232 接口驱动、数据协议交互、ZigBee 无线传 感器网络协调器功能实现等功能。PC 机软件主要负责控制协 调器与数据采集模块交互、数据采集、存储、统计分析和数 据库管理。

MAC 地址作为各模块的身份ID，并在数据通信帧中添加该ID。接收模块收到数据后解析出ID、传感器数据或命令，按照ID 分类存储采集数据。系统包括网络探测、数据采集、停止采集等功能模块，各模块独立编程实现，数据接收模块全网探测过程的程序流程如图 6 所示。

为了区分不同的数据采集模块，以采集模块的单片机MAC 地址作为各模块的身份 ID，并在数据通信帧中添加该 ID。接收模块收到数据后解析出 ID、传感器数据或命令，按 照 ID 分类存储采集数据。系统包括网络探测、数据采集、停 止采集等功能模块，各模块独立编程实现，数据接收模块全 网探测过程的程序流程如图 6 所示。

 4 实验验证

为了验证本文设计系统的可行性，针对某活塞环生产企 业的机床加工零部件产量采集需求进行现场调试，主要采集 和统计不同员工操作的机床设备所加工不同型号的活塞环产 品信息。图 8 所示为 18 个采集模块联网确认后的数据采集情 况。由图 8 可知，基于 Java 语言设计的 PC 机终端软件给出数 据采集模块的安装位置，显示活塞环产品型号和机床操作人 员等信息，图中历时产量表示本次采集开始之前的产量。

图 8 无线数据采集系统 PC 机软件

5 结 语

针对工业信息化需求，研究和设计了基于 ZigBee 和 STC 单片机的无线数据采集系统，实现了工业现场数据的自动采集、 统计和分析等功能。该系统包括无线采集和接收处理两大部 分，无线采集模块主要由 CC2530 和 STC 单片机构成。接收 处理部分包括无线网络协调器和 PC 机及软件。实验结果表明 了系统的有效性。