基于ZigBee和STC单片机的无线数据采集系统

李越+童耀南+朱凯+黄建雄

摘 要：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自动采集、统计和分析功能。该系统包括无线采集和接收处理两部分，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，该系统功能完善，性能稳定，具有低成本，高效率等特性，有较好的应用前景。

关键词：ZigBee；数据采集；STC单片机；前端处理；串口

中图分类号：TN216；TP27 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）03-00-03

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IEEE 802.15.4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。

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。

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，各模塊独立编程实现，数据接收模块全网探测过程的程序流程如图6所示。

数据采集模块联网过程按照图7所示流程编写程序。

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。

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。

参考文献

[1]夏恒星，马维华.基于CC2430的无线传感器网络节点设计[J].电子技术应用，2007 ，33（5）： 45-47.

[2]梁光胜，刘丹娟，郝福珍.基于CC2430的 ZigBee无线网络节点设计[J].电子设计工程，2010，18（2）： 15-18.

[3]张杰，石为人，涂巧玲.基于无线传感器网络的信息采集监测系统设计[J].传感技术学报，2009，22（6）： 861-864.

[4]彭宇帆.基于无线传感器网络技术的水产养殖信息获取系统[J].物联网技术，2014，4（8）：32-33.

[5]周细凤，曾荣周，童耀南.基于ZigBee和AT89S52的无线数据采集系统[J].湖南工程学院学报（自然科学版），2014，24（4）：1-4.

[6]刘禄恒.一种通用多协议数据采集系统的设计与实现[J].物联网技术，2015，5（6）：32-33.

[7]王建平，焦国太，季伟，等.基于单片机的无线温度数据传输系统设计[J].机电技术，2011，34（4）：14-17.

[8] 陈湘平，房莉.基于ZigBee的数据采集系统设计[J].微计算机信息，2009（10）：99-101.