工业仪表无线数据采集系统的设计与实现

龙万超

摘要：每个工厂的运行除了需要大量的人力、财力外，还需要大量的物力，需要很多设备仪器，通过这些设备仪器工厂才能够运行下去。这些仪器的投入资金都很可观，为了减少浪费，争取做到物尽其用，需要充分利用这些仪器。工厂中的仪器包括了压力变送器、温度变送器、流量计和成分分析仪等，在工厂这些仪器都是利用有线方式和控制系统相连接，做到数据采集和传输的。有线网络的使用对工厂运行有着极大作用，但是由于有线网络使用时需要进行布线，这需要极大的成本，并且实施难度也很大。于是无线数据采集就成为了当前研究的重点。

关键词：无线数据采集;工业仪表;数据研究

中图分类号：TP274.2;TH86 文献标识码：A 文章编号：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，为了快速读取工厂内仪表数据和具体运行情况，都是利用有线网络进行数据采集的，但是有线网络存在一定的不足，随着时代变迁，通信技术和嵌入式技术的发展，距离短、功耗低、速率低的无线通信网络技术得到了快速的发展，并且开始得到广泛应用。不过要想在工厂中充分利用无线通信将这些多种类型仪器仪表进行改造存在着很大的困难，需要进行研究。经过多次研究，发现ZigBee技术是目前最适用于工业的一种技术，本文对该技术进行了详细的阐述。

1 总体结构设计

目前工业仪表无线数据采集系统可以根据其具体内容分成两个部分，分别是数据采集端和数据管理中心。这两个部分由于主要管理内容不一样，其中涉及到的技术也是不一样的。就以数据采集端为例，在数据采集端中ZigBee适配器包含了多个采集接口，这些采集接口可以收集到4-20mA的电流信号、1-5V或是0-10V的电压信号等，利用串口连接的方式和工业现场的压力变送器相连接;除了上述的电流信号和电压信号外，还会收集工厂现场的仪器仪表输出数据，包括了过程数据和测量数据等，然后将这些数据利用该无线网络发送到协调器中。而数据管理中心，则主要指ZigBee无线网络协调器利用自身的无线通信模块对接收到的数据进行通信和传输，在该过程中需要将数据管理中心用到的计算机和该无线网络协调器进行串口连接。数据管理中心中需要用到相关软件，对这些软件功能进行整理可以分成数据库软件和监控软件，通过这些软件达成数据转换、存储和实时显示的目的。

2 数据采集端设计

在数据采集端设计中包括了硬件设计和软件设计两种。而硬件设计又可以被细分成系统硬件设计、ZigBee协调器硬件设计和ZigBee适配器硬件设计。系统硬件设计主要包含了在该无线网络技术协调器和适配器基础上的硬件设计。这两种设计都利用了IT公司的CC2430模块。CC2430芯片和其他芯片相比具有极大的优势，消耗的功能很低，从休眠转换到主动模式只要花费极端时间就行，利用率高。ZigBee网络在正式使用时需要有一个无线网络协调器进行控制，通过该协调器去做到建立网络、发送网络信息、管理网络、接收网络信息和存储网络信息。当前ZigBee网络协调器主要无线通信板块、串口通信板块、输入板块、液晶显示板块等部分，这些都被设计在同一个独立的板块上。软件设计则包括了ZigBee协调器软件设计和适配器软件设计。这两个软件设计都是基于ZigBee精简版协议基础上研发出来的。先对CC2430、液晶和协议栈进行初始化并将其打断，等被初始化后，在协调器中开始启动和建立该网络。建立完成后，就可以在液晶显示器上看到成功信息，或是通过串口在计算机上显示网络建立成功的信息。该网络主要利用自组织的方式去建成一个无线通信链路的。之后，整个協调器就会处于无线监控的状态，监控是否加入了节点，加入的节点有没有发出数据，当有节点申请加入到该网络时，协调器就会做出决策，统一并且分配节点网络信号，当加入的节点发出了数据，协调器就会将这些数据传到上位机中。适配器则是当协调器发出了网络信号后，适配器就会开始搜索网络信号，加入这个网络中，该适配器就会开始处于低功耗的休眠状态中。在涉及的系统中，一般都会将适配器直接设置成定时收集、定时发送数据，节点不会一直都在工作。当处于发送数据的状态中，节点就会被唤醒而当任务完成后，就会直接进入低功耗休眠状态，可以有效节约能源。

3 数据管理中心设计

工业现场的仪器仪表数据的整个输出分析过程是这样的，先通过ZigBee网络适配器采集接收、发送然后再利用该无线网络协调器进行接收并利用专门的串口将数据直接发送到监控中心对其进行分析处理。对数据管理中心的数据库进行分析可以将里面涉及到的软件分成监控软件和数据库软件。监控软件主要就是对计算机串口的数据各个功能进行监控，看这些功能是否在运行。而数据库软件则是对工业现场的仪器和仪表各个信息进行分析管理。通过这两种软件做到了利用计算机对工程现场仪器和仪表节点的在线监测。数据管理中心的研发主要利用了当前先进的虚拟仪器技术，利用LabVIEW进行编写，然后建立串口通信，对数据进行采集、处理和存储等。为了更加直观显示出网络适配器采集的数据的输出曲线，在每个信号采集中都会专门配置一个示波器。数据库软件利用了当前应用最为广泛的微软Access数据库，对工厂中的各个仪器和仪表的信息进行保存。

4 小结

本文对基于ZigBee的工业仪表无线数据采集系统进行了详细的阐述，并通过相关实验进行验证得出一个结论，利用该数据采集系统可以准确采集到的工业现场中仪器仪表的过程数据，如电流信号、电压信号等，具有低成本和低功耗的特点，和有线网络数据采集有着极大的不同，指的被广泛推广应用。

参考文献：

[1]郑霞明，金则群，马俐霞.工业仪表无线数据采集系统的设计与实现[J].科技传播，2015，000（009）：117-117，112.

[2]张卓玉.工业仪表无线数据采集系统的设计与实现[J].电子制作，2014，000（010）：68-69.