基于ZigBee和STC单片机的无线数据采集系统

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1、基于ZigBee和STC单片机的无线数据采集系统摘要：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-

2、00-030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IEEEQ2.15.4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］o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

3、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。该系统包括数据米集和接收处理两大模块，其中米集模块由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

4、示控制；单片机片上E2PR0M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

5、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32MHz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

6、单片机具有16K系统编程Flash存储器和42K的E2PR0M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RS232方式,ZigBee协议转换成RS232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

7、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RS232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IDo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?K独立编

8、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