工業(yè)儀表無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

李文軍 樂小琴 沈曉昱 孫 斌

(中國計量學院自動檢測與控制研究所，浙江 杭州 310018)

0 引言

工廠及大型實驗室都需要大量現(xiàn)場儀器儀表，如壓力變送器、流量計、溫度變送器和成分分析儀等。通?，F(xiàn)場儀表采用有線的方式連接到控制系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸。雖然有線網(wǎng)絡是非?？煽颗c穩(wěn)定的通信方式，但布線工作不僅需要很大的成本，且在一些場合實施的難度較大［1］。

隨著通信技術和嵌入式技術的不斷發(fā)展，短距離、低功耗和低速率的無線通信技術已得到比較廣泛的應用［2］。但要通過低成本把工業(yè)現(xiàn)場中多種類型的儀器儀表改造為無線通信還是一件比較困難的事情。在多種近程無線通信技術中，ZigBee技術是較適合于工業(yè)應用的一種［3］。

對此，本文設計了一種基于ZigBee的數(shù)據(jù)采集無線網(wǎng)絡適配器。該適配器通過通信端口綁定到儀表，構成ZigBee終端節(jié)點，并把節(jié)點接入到無線網(wǎng)絡中。通過這種方式，即可利用較低的成本把儀器儀表接入到無線網(wǎng)絡中，使儀器儀表具有無線通信能力。

1 總體結構設計

整個工業(yè)儀表無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分為兩個部分，第一部分是數(shù)據(jù)采集端，第二部分是數(shù)據(jù)管理中心。系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構Fig.1 General structure of the system

在數(shù)據(jù)采集端，ZigBee適配器帶有多個采集接口(可以采集4～20 mA電流信號、1～5 V/0～10 V電壓信號、脈沖信號以及RS-232/485接口輸出信號等信號)，通過串口連接工業(yè)現(xiàn)場的壓力變送器等;同時，采集這些現(xiàn)場儀器儀表的輸出數(shù)據(jù)，如過程數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)和故障信息等，并將這些數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送給ZigBee協(xié)調器。

在數(shù)據(jù)管理中心，ZigBee無線網(wǎng)絡協(xié)調器通過自己的無線通信模塊接收來自ZigBee適配器的數(shù)據(jù)，并通過串口與數(shù)據(jù)管理中心的計算機進行通信和傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)管理中心的軟件可以劃分為數(shù)據(jù)庫軟件和監(jiān)控軟件兩部分，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉換和存儲以及實時顯示功能。

2 數(shù)據(jù)采集端設計

2.1 硬件設計

系統(tǒng)硬件設計包括基于ZigBee技術的無線網(wǎng)絡協(xié)調器和無線網(wǎng)絡適配器的設計。兩者均選用Chipcon公司(現(xiàn)屬于 TI公司)的 CC2430模塊。CC2430芯片在單個芯片上整合了ZigBee射頻前端、內存和微控制器［4］，由模擬數(shù)字轉換器、32 kHz晶振的休眠模式定時器以及21個可編程I/O引腳等部件組成。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工藝生產(chǎn)，在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430從休眠模式轉換到主動模式的時間很短，特別適合系統(tǒng)低功耗的需求。

2.1.1 ZigBee 協(xié)調器硬件設計

ZigBee網(wǎng)絡必須有一個無線網(wǎng)絡協(xié)調器作為整個網(wǎng)絡的主要控制者，負責建立新的網(wǎng)絡、發(fā)送網(wǎng)絡信標、管理網(wǎng)絡中的節(jié)點、接收節(jié)點發(fā)送的信息以及存儲網(wǎng)絡信息等［5］?；赯igBee的無線網(wǎng)絡協(xié)調器的電路原理示意圖如圖2所示，它由無線通信模塊、串口通信模塊、按鍵輸入模塊、液晶顯示模塊和電源模塊組成。其中，串口通信模塊、按鍵輸入模塊、液晶顯示模塊以及電源模塊設計在一塊獨立的板卡上，稱為網(wǎng)絡擴展板。網(wǎng)絡擴展板與無線通信模塊板(即核心板)通過外接I/O接口連接，共同組成ZigBee無線網(wǎng)絡協(xié)調器。

利用無線通信模塊的I/O口，可以直接控制液晶顯示模塊顯示來自節(jié)點的數(shù)據(jù)。此外，把無線網(wǎng)絡協(xié)調器自帶的RS-232接口連接到計算機，以接收串口輸出的數(shù)據(jù)。運行時，協(xié)調器將一直處于接收/發(fā)送狀態(tài)，且采用外部電源供電。

2.1.2 ZigBee 適配器硬件設計

設計的ZigBee適配器具有多種采集接口，用于采集工業(yè)現(xiàn)場最為常見的儀器儀表輸出信號，如4～20 mA電流信號、1～5 V/0～10 V電壓信號、脈沖信號以及RS-232/485接口輸出信號等。適配器以CC2430模塊為核心進行設計，其電路原理示意圖如圖3所示。

圖3 ZigBee適配器電路原理圖Fig.3 Principle of the ZigBee adapter

為實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的通用性，將RS-232/485通信模塊、電流/電壓采集轉換模塊、開關信號采集輸入/輸出模塊、脈沖信號采集模塊設計在一塊信號接入板上。適配器連接并綁定到工業(yè)現(xiàn)場的各種儀器儀表，即共同構成一個ZigBee無線網(wǎng)絡的終端節(jié)點。

2.2 軟件設計

2.2.1 ZigBee 協(xié)調器的軟件設計

ZigBee適配器程序與ZigBee協(xié)調器程序均建立在ZigBee精簡版協(xié)議?；A上［6］，其軟件流程圖如圖4所示。

圖4 ZigBee協(xié)調器軟件流程圖Fig.4 Software flowchart of ZigBee coordinator

程序首先初始化CC2430、液晶和協(xié)議棧并打開中斷;在初始化之后，協(xié)調器啟動并建立ZigBee網(wǎng)絡。如建立成功，即在液晶顯示面板上顯示成功信息，或者通過串口在上位機上顯示網(wǎng)絡建立成功的信息，ZigBee采用自組織方式組網(wǎng)建立無線通信鏈路。隨后，協(xié)調器進入無線監(jiān)控狀態(tài)，監(jiān)控有無節(jié)點加入以及加入的節(jié)點有無數(shù)據(jù)發(fā)出，當有節(jié)點申請加入網(wǎng)絡時，協(xié)調器同意并給節(jié)點分配網(wǎng)絡號;當加入的節(jié)點有數(shù)據(jù)發(fā)送時，協(xié)調器接收數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)傳送給上位機。

2.2.2 ZigBee 適配器的軟件設計

當協(xié)調器發(fā)起網(wǎng)絡后，ZigBee適配器就上電搜尋網(wǎng)絡并發(fā)送加入網(wǎng)絡信號。加入網(wǎng)絡成功后，ZigBee適配器進入低功耗休眠狀態(tài)［7］。在設計的系統(tǒng)中，適配器被設置為定時采集、發(fā)送數(shù)據(jù)，節(jié)點不是一直處在工作狀態(tài)。當發(fā)送數(shù)據(jù)時，節(jié)點被喚醒處于發(fā)送狀態(tài);當完成發(fā)送任務后，節(jié)點進入低功耗休眠狀態(tài)，以節(jié)約能耗。CC2430有4種低功耗模式，分別為PM0、PM1、PM2、PM3，其中PM0功耗最大，PM3功耗最小。所設計的系統(tǒng)使用的是PM2休眠低功耗模式，程序設定發(fā)送數(shù)據(jù)的時間間隔配置在500 ms。ZigBee適配器軟件流程圖如圖5所示。

圖5 ZigBee適配器軟件流程圖Fig.5 Software flowchart of ZigBee adapter

3 數(shù)據(jù)管理中心設計

工業(yè)現(xiàn)場儀器儀表的輸出數(shù)據(jù)首先由ZigBee無線網(wǎng)絡適配器采集、發(fā)送，然后通過ZigBee無線網(wǎng)絡協(xié)調器接收并利用RS-232串口發(fā)送到監(jiān)控管理中心進行分析處理。所設計的系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理中心軟件從功能上劃分為監(jiān)控軟件和數(shù)據(jù)庫軟件兩部分。其中，監(jiān)控軟件實現(xiàn)對計算機串口輸出數(shù)據(jù)的讀取、轉換和實時顯示等功能;數(shù)據(jù)庫軟件存儲工業(yè)現(xiàn)場儀器儀表的配置信息以及通過系統(tǒng)采集到的儀器儀表的實時數(shù)據(jù)。借助監(jiān)控軟件和數(shù)據(jù)庫軟件，實現(xiàn)了計算機端對現(xiàn)場儀器儀表節(jié)點的在線監(jiān)測。數(shù)據(jù)管理中心結構如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)管理中心結構圖Fig.6 Structure of data management center

數(shù)據(jù)管理中心的開發(fā)借助于虛擬儀器技術，采用LabVIEW編寫，主要實現(xiàn)建立串口通信，進行數(shù)據(jù)采集、處理、存儲、回放等功能［8］。為了更直觀地顯示各個適配器采集數(shù)據(jù)的輸出曲線，每一路信號采集都配置有示波器。

數(shù)據(jù)庫軟件選用了微軟的Access數(shù)據(jù)庫，用于存儲現(xiàn)場儀器儀表的配置信息，如網(wǎng)絡地址等信息，并保存采集到的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢和報表打印等功能。

4 系統(tǒng)測試

4.1 整體功能測試

在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境相類似的多相流檢測實驗室里，進行了系統(tǒng)整體測試試驗。在實驗室中，配置有電磁流量計、壓力變送器和溫度變送器等現(xiàn)場儀器儀表。測試試驗主要是對電磁流量計、壓力變送器、溫度變送器輸出的4～20 mA電流信號、研華4013模塊輸出的RS-232/485接口信號和調節(jié)閥輸出的0～10 V電壓信號進行采集。測試結果表明，系統(tǒng)能夠可靠、穩(wěn)定、準確地采集儀表數(shù)據(jù)。

4.2 無線通信距離測試

為了能夠應用到工業(yè)現(xiàn)場，對系統(tǒng)的無線通信距離做了測試，即測試適配器與協(xié)調器之間的距離與無線傳輸準確率、丟包率和組網(wǎng)時間的關系。測試分別在無障礙環(huán)境和有障礙環(huán)境兩種情況下進行。

①在無障礙環(huán)境下，當兩個節(jié)點距離小于50 m時，每個距離點測試3次;當兩節(jié)點距離大于等于50 m時，每個距離點測試5次，每次測試時間為10 min。無障礙環(huán)境下通信距離試驗測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 無障礙環(huán)境下試驗測試數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental test data under environment without barrier

由表1可知，在無障礙環(huán)境下，當兩個節(jié)點距離≥60 m時，信號傳輸不穩(wěn)定，且容易發(fā)生中斷。

②在有障礙環(huán)境下，障礙物厚度分別為30 cm和60 cm，兩個節(jié)點分別置于障礙物的兩邊，并逐漸拉遠兩個節(jié)點的距離，每個測試點測試3次，每次的測試時間為10 min。有障礙環(huán)境下試驗測試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 有障礙環(huán)境下試驗測試數(shù)據(jù)Tab.2 Experimental testing data under environment with barrier

由表2可以看出，當障礙物厚度為30 cm時，如兩個節(jié)點距離大于25 m，信號傳輸不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸間隔有所變化，且信號容易發(fā)生中斷;當障礙物厚度為60 cm，兩個節(jié)點距離大于5 m時，信號傳輸變得不穩(wěn)定，信號容易發(fā)生中斷。

5 結束語

本文研制了一種基于ZigBee的工業(yè)儀表無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。經(jīng)過試驗驗證，其能夠準確地采集工業(yè)現(xiàn)場常用儀器儀表的過程數(shù)據(jù)，包括常見的電流信號、電壓信號以及RS-232/485接口輸出信號等，且具有低功耗和低成本的特點，可適用于實驗室、工廠儀器儀表的集中監(jiān)控。

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