工业仪表无线数据采集系统的设计与实现

李文军 乐小琴 沈晓昱 孙 斌

(中国计量学院自动检测与控制研究所，浙江 杭州 310018)

0 引言

工厂及大型实验室都需要大量现场仪器仪表，如压力变送器、流量计、温度变送器和成分分析仪等。通常现场仪表采用有线的方式连接到控制系统，实现数据的采集和传输。虽然有线网络是非常可靠与稳定的通信方式，但布线工作不仅需要很大的成本，且在一些场合实施的难度较大［1］。

随着通信技术和嵌入式技术的不断发展，短距离、低功耗和低速率的无线通信技术已得到比较广泛的应用［2］。但要通过低成本把工业现场中多种类型的仪器仪表改造为无线通信还是一件比较困难的事情。在多种近程无线通信技术中，ZigBee技术是较适合于工业应用的一种［3］。

对此，本文设计了一种基于ZigBee的数据采集无线网络适配器。该适配器通过通信端口绑定到仪表，构成ZigBee终端节点，并把节点接入到无线网络中。通过这种方式，即可利用较低的成本把仪器仪表接入到无线网络中，使仪器仪表具有无线通信能力。

1 总体结构设计

整个工业仪表无线数据采集系统分为两个部分，第一部分是数据采集端，第二部分是数据管理中心。系统的总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构Fig.1 General structure of the system

在数据采集端，ZigBee适配器带有多个采集接口(可以采集4～20 mA电流信号、1～5 V/0～10 V电压信号、脉冲信号以及RS-232/485接口输出信号等信号)，通过串口连接工业现场的压力变送器等;同时，采集这些现场仪器仪表的输出数据，如过程数据、测量数据和故障信息等，并将这些数据通过ZigBee网络发送给ZigBee协调器。

在数据管理中心，ZigBee无线网络协调器通过自己的无线通信模块接收来自ZigBee适配器的数据，并通过串口与数据管理中心的计算机进行通信和传输数据。数据管理中心的软件可以划分为数据库软件和监控软件两部分，用于实现数据的转换和存储以及实时显示功能。

2 数据采集端设计

2.1 硬件设计

系统硬件设计包括基于ZigBee技术的无线网络协调器和无线网络适配器的设计。两者均选用Chipcon公司(现属于 TI公司)的 CC2430模块。CC2430芯片在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器［4］，由模拟数字转换器、32 kHz晶振的休眠模式定时器以及21个可编程I/O引脚等部件组成。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工艺生产，在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430从休眠模式转换到主动模式的时间很短，特别适合系统低功耗的需求。

2.1.1 ZigBee 协调器硬件设计

ZigBee网络必须有一个无线网络协调器作为整个网络的主要控制者，负责建立新的网络、发送网络信标、管理网络中的节点、接收节点发送的信息以及存储网络信息等［5］。基于ZigBee的无线网络协调器的电路原理示意图如图2所示，它由无线通信模块、串口通信模块、按键输入模块、液晶显示模块和电源模块组成。其中，串口通信模块、按键输入模块、液晶显示模块以及电源模块设计在一块独立的板卡上，称为网络扩展板。网络扩展板与无线通信模块板(即核心板)通过外接I/O接口连接，共同组成ZigBee无线网络协调器。

利用无线通信模块的I/O口，可以直接控制液晶显示模块显示来自节点的数据。此外，把无线网络协调器自带的RS-232接口连接到计算机，以接收串口输出的数据。运行时，协调器将一直处于接收/发送状态，且采用外部电源供电。

2.1.2 ZigBee 适配器硬件设计

设计的ZigBee适配器具有多种采集接口，用于采集工业现场最为常见的仪器仪表输出信号，如4～20 mA电流信号、1～5 V/0～10 V电压信号、脉冲信号以及RS-232/485接口输出信号等。适配器以CC2430模块为核心进行设计，其电路原理示意图如图3所示。

图3 ZigBee适配器电路原理图Fig.3 Principle of the ZigBee adapter

为实现采集数据的通用性，将RS-232/485通信模块、电流/电压采集转换模块、开关信号采集输入/输出模块、脉冲信号采集模块设计在一块信号接入板上。适配器连接并绑定到工业现场的各种仪器仪表，即共同构成一个ZigBee无线网络的终端节点。

2.2 软件设计

2.2.1 ZigBee 协调器的软件设计

ZigBee适配器程序与ZigBee协调器程序均建立在ZigBee精简版协议栈基础上［6］，其软件流程图如图4所示。

图4 ZigBee协调器软件流程图Fig.4 Software flowchart of ZigBee coordinator

程序首先初始化CC2430、液晶和协议栈并打开中断;在初始化之后，协调器启动并建立ZigBee网络。如建立成功，即在液晶显示面板上显示成功信息，或者通过串口在上位机上显示网络建立成功的信息，ZigBee采用自组织方式组网建立无线通信链路。随后，协调器进入无线监控状态，监控有无节点加入以及加入的节点有无数据发出，当有节点申请加入网络时，协调器同意并给节点分配网络号;当加入的节点有数据发送时，协调器接收数据并把数据传送给上位机。

2.2.2 ZigBee 适配器的软件设计

当协调器发起网络后，ZigBee适配器就上电搜寻网络并发送加入网络信号。加入网络成功后，ZigBee适配器进入低功耗休眠状态［7］。在设计的系统中，适配器被设置为定时采集、发送数据，节点不是一直处在工作状态。当发送数据时，节点被唤醒处于发送状态;当完成发送任务后，节点进入低功耗休眠状态，以节约能耗。CC2430有4种低功耗模式，分别为PM0、PM1、PM2、PM3，其中PM0功耗最大，PM3功耗最小。所设计的系统使用的是PM2休眠低功耗模式，程序设定发送数据的时间间隔配置在500 ms。ZigBee适配器软件流程图如图5所示。

图5 ZigBee适配器软件流程图Fig.5 Software flowchart of ZigBee adapter

3 数据管理中心设计

工业现场仪器仪表的输出数据首先由ZigBee无线网络适配器采集、发送，然后通过ZigBee无线网络协调器接收并利用RS-232串口发送到监控管理中心进行分析处理。所设计的系统数据管理中心软件从功能上划分为监控软件和数据库软件两部分。其中，监控软件实现对计算机串口输出数据的读取、转换和实时显示等功能;数据库软件存储工业现场仪器仪表的配置信息以及通过系统采集到的仪器仪表的实时数据。借助监控软件和数据库软件，实现了计算机端对现场仪器仪表节点的在线监测。数据管理中心结构如图6所示。

图6 数据管理中心结构图Fig.6 Structure of data management center

数据管理中心的开发借助于虚拟仪器技术，采用LabVIEW编写，主要实现建立串口通信，进行数据采集、处理、存储、回放等功能［8］。为了更直观地显示各个适配器采集数据的输出曲线，每一路信号采集都配置有示波器。

数据库软件选用了微软的Access数据库，用于存储现场仪器仪表的配置信息，如网络地址等信息，并保存采集到的数据，实现历史数据查询和报表打印等功能。

4 系统测试

4.1 整体功能测试

在工业现场环境相类似的多相流检测实验室里，进行了系统整体测试试验。在实验室中，配置有电磁流量计、压力变送器和温度变送器等现场仪器仪表。测试试验主要是对电磁流量计、压力变送器、温度变送器输出的4～20 mA电流信号、研华4013模块输出的RS-232/485接口信号和调节阀输出的0～10 V电压信号进行采集。测试结果表明，系统能够可靠、稳定、准确地采集仪表数据。

4.2 无线通信距离测试

为了能够应用到工业现场，对系统的无线通信距离做了测试，即测试适配器与协调器之间的距离与无线传输准确率、丢包率和组网时间的关系。测试分别在无障碍环境和有障碍环境两种情况下进行。

①在无障碍环境下，当两个节点距离小于50 m时，每个距离点测试3次;当两节点距离大于等于50 m时，每个距离点测试5次，每次测试时间为10 min。无障碍环境下通信距离试验测试数据如表1所示。

表1 无障碍环境下试验测试数据Tab.1 Experimental test data under environment without barrier

由表1可知，在无障碍环境下，当两个节点距离≥60 m时，信号传输不稳定，且容易发生中断。

②在有障碍环境下，障碍物厚度分别为30 cm和60 cm，两个节点分别置于障碍物的两边，并逐渐拉远两个节点的距离，每个测试点测试3次，每次的测试时间为10 min。有障碍环境下试验测试数据如表2所示。

表2 有障碍环境下试验测试数据Tab.2 Experimental testing data under environment with barrier

由表2可以看出，当障碍物厚度为30 cm时，如两个节点距离大于25 m，信号传输不稳定，数据传输间隔有所变化，且信号容易发生中断;当障碍物厚度为60 cm，两个节点距离大于5 m时，信号传输变得不稳定，信号容易发生中断。

5 结束语

本文研制了一种基于ZigBee的工业仪表无线数据采集系统。经过试验验证，其能够准确地采集工业现场常用仪器仪表的过程数据，包括常见的电流信号、电压信号以及RS-232/485接口输出信号等，且具有低功耗和低成本的特点，可适用于实验室、工厂仪器仪表的集中监控。

［1］李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007.

［2］沈晓昱，李文军，孙斌.基于ZigBee的工业仪表无线数据采集系统的设计［J］.工业控制计算机，2009，22(11):1 －5.

［3］金纯，罗组秋，罗凤，等.ZigBee技术基础及案例分析［M］.北京:国防工业出版社，2008.

［4］赵新秋.工业控制网络的发展［J］.自动化与仪器仪表，2008(4):3 －6.

［5］宋蛰存，陈宁，李迪飞.ZigBee无线传感技术在森林火灾监控中的应用［J］.自动化仪表，2011，32(4):50 －52.

［6］霍峰，王长松，巩宪锋，等.基于ZigBee和LabVIEW的多功能数据采集系统［J］.传感器与微系统，2008，27(7):82 －85.

［7］张宁，王越，王东.基于精简协议栈的ZigBee网络节点研究［J］.计算机及嵌入式系统应用，2009(2):76－78.

［8］顾斌.LabVIEW环境下温度测控系统的深入研究与实现［D］.上海:东华大学，2008.