基于ZigBee的工业无线数据采集器设计.pdf

第 3 9卷 第 7期 2 0 1 3年 7月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i ne Au t oma t i o n Vo I ． 3 9 NO ． 7 J u 1 ．2 0 1 3 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 3 0 7 0 0 8 8 0 3 D OI 1 0 ． 7 5 2 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 3 ． 0 7 ． 0 2 4 徐盛龙 ， 王伟波． 基于 Z i g B e e的工业无线数据采集器设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 7 8 8 9 0 ． 基于 Z i g B e e的工业无线数据采集器设计 徐 盛龙 ， 王伟 波 中国矿业大学 信息与电气工程学院，江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘 要 设 计 了一种 基 于 Z i g B e e无 线 网络 的数据 采 集 器 。该 采 集 器利 用 AVR单 片机 与 Z i g B e e模 块 通 信 ， 可以在较短的距 离范围内完成数据的可靠采集与发送 ， 可有效解决工业现场的数据采集问题 。 关键词 无线数据采集器 ； 数据采集； 数据发送；Z i g B e e ；单片机 中图分类号 T D6 5 5 ． 3 文献标志码 B 网络出版时间 2 0 1 3 0 7 0 2 1 4 4 6 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ ww w． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 3 0 7 0 2 ． 1 4 4 6 ． 0 2 4 ． h t ml De s i g n o f i n du s t r i a 1 wi r e l e s s d a t a c o l l e c t o r ba s e d o n Zi g Be e XU She ng l o ng， W ANG W e i bo S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d El e c t r i c a l En g i n e e r i n g ，Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g a n d Te c h n o l o g y ，Xu z h o u 2 2 1 1 1 6 ，Ch i n a Abs t r a c t The pa pe r d e s i gn e d a n i nd us t r i a l wi r e l e s s da t a c o l l e c t o r ba s e d o n Zi gBe e．The c o l l e c t or u s e s a MCU o f AVR t o c o mmu n i c a t e wi t h t h e Zi g B e e mo d u l e t o c o mp l e t e d a t a c o l l e c t i o n a n d t r a n s mi t t a n c e wi t h g o od r e l i a bi l i t y i n a s ho r t d i s t a nc e， a nd i t c a n s ol v e pr o bl e m o f t he d a t a c o l l e c t i o n a t i n du s t r i a l f i e l d e f f e c t i ve l y． Ke y wo r d s wi r e l e s s d a t a c o l l e c t o r ；d a t a c o l l e c t i o n；d a t a t r a n s mi t t a n c e；Z i g Be e ；MCU 0 引言 针对工业现场利用有线网络采集数据的实际困 难 ， 笔者提 出了一种基于 Z i g B e e 的工业无线数据采 集器设计方案。该方案基于一些工业现场必须使用 无线通信手段进行数据采集与通信 的要求 ， 考虑到 现场的距离与覆盖范围并不是很大 ， 而 Z i g B e e 在短 距离数据采集和通信上均具有优势 ， 同时兼顾成本 而提 出来 的 。 1 无线数 据采 集器硬 件设 计 1 ． 1硬件 架构 无线数据 采集器 主要 由数 据采集 模块 、 MC U ATME GG A1 6 、 Z i g B e e发 送 模 块 和 射 频 天 线 组 成 ， 如图 1所示 。其 中， 数据采集模块对现场数据进 行采 集 ， 然后通 过 MC U 的 数 据 预 处 理 功 能 和发 送 功能实时地将数据发送 至 Z i g B e e发送模块 ， 最后 Z i g B e e 发送模块通过无线射频天线将数据发送 出 去 ， 从而实现现场数据的无线采集与实时监控 。 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 0 9 。 作者简介 徐盛龙 1 9 8 8 一 ， 男 ， 江苏昆 山人 ， 硕士研究 生 ， 研究方 向为嵌入式系统及射频 电路设计 ， E ma i l we n g u a n c u mt 1 6 3 ． c o m。 参 考文献 1- 1 ] [ 2 ] 国发 2 0 1 0 3 2 3号 国务院关 于进一步 加强企业 安全生 产工作的通知E L ] ． 周健 ， 李雪平． 矿山巷道铁路运输无线通信及定位系 统 I- J ] ． 采矿技术 ， 2 0 0 4 ， 4 3 4 6 4 7 ． I- 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 张国军 ， 陈红． 矿井信集 闭系统 中车载式机车定 位传感 器 E J ] ． 计算机 系统应用 ， 2 0 1 2 ， 2 1 4 8 8 9 1 ． 李 鑫 ， 尚涛 ， 周 伟． 基 于功效 和耦合 的铁路 与露天 煤矿 协调度评 价[ J ] ． 西南 交通大 学学报 ， 2 0 1 2 ， 4 7 3 4 9 0 49 4． 沈娟 ， 陆振新． 基于智能调度 系统 的井下通信混 合组 网 方案 [ J ] ． 煤炭科技 ， 2 0 1 2 1 6 6 6 7 ． 2 0 1 3年第 7期 徐盛龙等 基 于 Z i g B e e的工业无线数据采集器设计 8 9 图 1 无线数据采集器结 构框图 1 ． 2 数 据采 集模 块 与 MC U 的硬 件 设计 与 选型 数据采集模块主要 由传感器部分 、 单 片机连接 部分 、 模拟预处理 电路 以及 MC U 构成 。单片机连 接 电路 如 图 2所 示 。MC U选 择 了 AT ME G A1 6 ， 主 要是基于以下考虑 首先 ， AT ME GA1 6单片机功耗 低 ， 与 5 1 系列单片机相 比， 其处理速度要快得多； 其 次 ， 与 5 1系列单 片机相 比， ATME GA1 6单片机 片 上资源也有很大优势， 其本身具有 8路片上模数转 换器， 有利于减少外围的器件 ， 尤其是不需要外围的 A／ D芯片 ， 这对于成本 的控制也是极其有 利的 ； 再 次 ， A TME GA1 6的 A／ D精度能够满足大多数工业 场合 的需 要 。 图 2单 片机 连 接 电 路 模拟预处理电路如图 3所示 。首先是利用 2阶 滤波器进行滤波 ， 将一些高频噪声滤除 ， 然后信号经 过运算放大器进行适度放大 ， 使用运放还可以有效 降低电路进入单 片机 AD C之前 的输 出阻抗 ， 从 而 减小信号的失真。当然 ， 适 当的运放带宽也是十分 重要 的 。 图 3模 拟 预 处 理 电 路 1 ． 3 Z i g B e e发 送模 块 Z i g B e e 发送 模 块 的主要作 用是 与 MC U进 行通 信 ， 其电路如 图 4所示 。MC U 将数据 发送至该模 块 ， 该模块通过射频 天线将数据发送 出去 。该模块 的核心芯片为 MRF 2 4 J 4 0 。该芯片内部集成 了调制 模块 、 P A、 P L L， 因此 ， 只 需要 很 少 的 外 围芯 片 就 可 以同 MC U进行通信 。Z i g B e e 发送模块采用 S P I 总 线方式作为主要的通信方式 。S P I 总线是三线制总 线 ， 简单易用 ， AT ME GA1 6单片机内部本身已经集 成了 S P I接 口， 只需 要将 单片机 的 S P I口直接 与 MRF 2 4 J 4 0的 S P I口相 连 即可进 行通信 。该芯 片 的 射频接口采用 了差分的方式 ， 可适 当处理后与天线 相连 。电源系统采用多个电容进行退耦和旁路 ， 包 括大电容 低频 和小 电容 高频 。该模块的连接十 分简洁， 有利于降低成本与设计难度 。 图 4 Z i g Be e发 送模 块 电 路 1 ． 4射频 天 线接 口 射频天线接 口的主要功能是将从 Z i g B e e模块 输 出的模 拟 信号 发 射 出去 ， 其 电路 如 图 5所 示 。 图 5中， 首先通过 L C巴伦电路将来 自R F P和 RF N 端 口的差分模拟信号转化为单端信号， 然后通过匹 配电路将单端信号匹配到天线的输入阻抗 ， 典型值 为 5 0 Q。天线选用 陶瓷天线 ， 陶瓷天线成本低 ， 对 第 3 9卷 第 7期 2 0 1 3年 7月 工矿 自 动化 I nd us t r y a nd M i ne Aut o ma t i on V0 l J 3 9 NO． 7 J u1 ．2 01 3 文章编 号 1 6 7 卜 2 5 1 X 2 0 1 3 0 7 0 0 9 0 0 3 DO I 1 0 ． 7 5 2 6 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X． 2 0 1 3 ． 0 7 ． 0 2 5 刘佳， 朱慧 ， 华钢． 井下人员定位管理系统数据模型设计[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 7 9 0 9 2 ． 井下人员定位管理系统数据模型设计 刘佳 ， 朱 慧 ， 华钢 中国矿业大学 信息与电气工程学院， 江苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘要 针对井下人 员定位管理 系统存在的灾害发生时可靠信息易被破坏、 查询效率低等 问题， 设计 了井 下人 员定位 管理 系统 的数据 采集模 型及 数据 流 图 ， 并 分析 了系统数 据库 的设 计要 求 、 表 结构设 计及 数据 库优 化 方 法 。 系统采 用主从 式通 信方 式 实现 数据 采 集 ， 根 据 功 能划分 建立基 础数据 库 和 当前 数据 库 ， 并 采 用查询 语句优化、 索引优化等手段提升数据库性能， 提高了数据采集及处理速度、 系统可靠性及查询效率。 关 键 词 煤矿 ； 人 员定位 ； 数据 模 型 ； 数 据 采集 ；数据 流 图 ； 数 据库优 化 中图分 类号 T D6 7 2 文 献标 志码 B 网络 出版 时间 2 0 1 3 0 7 0 2 1 4 4 6 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 3 0 7 0 2 ． 1 4 4 6 ． 0 2 5 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 3 0 4 1 5 。 基金项 目 国家 自然科学基金资助项 目 5 1 2 0 1 4 8 6 ； 中央高校基本科研业务费专项基金资助项 目 2 0 1 0 QNB 3 0 。 作者简 介 刘佳 1 9 8 9 一 ， 女 ， 江苏泰州人 ， 硕士研究生 ， 研究 方向为 电子信息科学与技术 ， E ma i l l i u j i a l 1 6 3 ． c o m。 于距离不太大的工业场合完全可以满足应用需求 。 V c c B A R L 4 c _ 瑶 T p F T 1 p F ．．』 _． ． L 工1 p 图 5 射频天线接 口电路 2无线数 据 采集器 软件设 计 无 线 数据采 集器 软件 流程 如 图 6所示 。首 先进 行 初 始 化 ， 包 括 对 单 片机 和Z i g B e e 模 块 的初 始 化 ； 图 6 软件流程 然后进入 主程序进行 数据 采集 ， 采集 完成后 通过 S P I 总线发送数据 ； 最后 回到数据采集部分继续采 集 与发送 。 3 结 语 基于 Z i g B e e的工业无线数据采集器采用 AVR 单片机和 Z i g B e e 模块 ， 简化了设计 ， 同时提高了设 备的可靠性 ， 可以很好地解决 了短距离 的工业无线 控 制和数 据控 制 问题 ， 在 工 业 生产 中有 很 好 的应 用 前 景 。 参 考 文献 [ 1 ] 史博研 ．基于 Z i g B e e 技术 的嵌人式无线温度报警系统 [ J ] ． 自动化 技术 与应用 ， 2 0 1 1 ， 3 0 1 2 8 1 8 3 ， 8 9 ． [ 2 ] 黄传胜 ， 王娜娜 ， 黄丹丹． 基于 Z i g B e e 无线传 感器 网络 的温度 测量 [ J ] ． 现代 电子技术 ， 2 0 1 1 ， 3 4 2 2 5 2 5 4 ． [ 3 ] 叶希达 ， 徐峰 ， 尹湘源． 基于 Z i g B e e网络 的语 音辨识 家 电遥控 研 究 E J ] ． 浙 江 万 里 学 院 学 报 ， 2 0 1 1 ， 2 4 6 8 4 87． E 4 ] 赵 彦凤 ， 赵 红东 ， 姚 婧婧． 基 于 AVR单 片机 的流量 检 测 系统设计 I- J ] ． 电子产 品世界 ， 2 0 1 1 ， 1 8 1 2 4 1 4 3 ． E 5 3 吴政南 ， 程远胜． 基于 P r o t e u s的单 片机仿 真实验 系统 设计 与 应用 [ J ] ． 计 算 机 与 数 字 工 程 ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 1 1 75 一 ]7 7。 1 92 ．