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【摘要】工业生产涉及大量现场仪器仪表，如压力流量计、压力变压器等，为了方便快捷的读取仪表数据，对生产过程实时监控，近年来采用无线传输方式负责数据的采集和传输，不但降低了成本成本，而且克服人工现场读数的困难，因此，在工业生产中应用越来越广泛。本课题主要探究基于ZigBee工业仪表无线数据采集方案技术和实现方法，为工业仪表无线采集技术的发展提供参考。
【关键词】工业仪表；无线数据；采集系统
基于ZigBee工业仪表无线数据采集方案，主要运用ZigBee技术，搭建一套无线的数据采集方案，利用虚拟仪器技术和数据库技术，实现工业仪表数据的采集和收集。通过大量实践证明该系统运行可靠、性能稳定、能耗低，在工业生产中发挥重要作用。
一、系统总体结构设计介绍
工业仪表无线采集系统整体分为数据采集端和数据管理中心两部分。为了更好的实现对不同工业仪器仪表的数据采集，ZigBee适配器拥有多个采集接口，并通过串口的方式和工业仪器相连采集仪表的各种输出数据，比如测量数据、过程数据等，最后将采集的数据结果通过ZigBee网络发送给ZigBee协调器，以此完成数据的采集任务。
在数据管理中心，ZigBee无线网络协调器以串口的方式和管理中心计算机相连，在无线通讯模块的帮助下完成采集数据的收集工作。为了实现数据的整理和分析，数据管理中心需要安装软件相关软件，比如，监控软件和数据库软件等。
二、数据采集端设计
1.硬件设计
（1）ZigBee协调器设计
ZigBee无线数据采集系统要想正常工作，必须拥有专门的部件控制网络的运行，负责网络的建立、保证网络信号的正常传输、管理网络各个节点的任务。基于ZigBee无线数据采集系统的协调器主要由串口通信模块、无线通讯模块、液晶显示模块、电源模块和按键输入模块组成。而将电源模块、液晶显示模块、按键输入模块、串口通信模块设计在同一个板卡上称之为网络扩展板。无线通信模块和网络扩展板之间通过I/O相连的方式组成ZigBee协调器。
液晶显示器和无线通信模块通过I/O接口相连，能显示网络中各个节点的数据，实现对网络节点的管理。另外，将无线协调器通过自身的RS-232接口和计算机相连可以接收由串口传输的数据。无线数据采集系统工作时，协调器始终保持信息的接、发送状态，且使用外部供电方式。
（2）ZigBee适配器设计
为了实现对工业生产中不同仪器的数据采集，ZigBee拥有多种数据采集接口，比如现场仪器的工作电压、电流和脉冲信号等，整个适配器系统主要以CC2430模块为核心。
工作中为了实现数据采集的通用性将各种模块比如，电压、电流转换模块、脉冲采集模块等设计安装在同一个工作面板上。将适配器安装在需要采集数据的仪表上，以此完成数据采集工作。
2.软件设计
（1）ZigBee协调器软件设计
ZigBee协调器和ZigBee适配器安装的程序，均以ZigBee协议栈为基础。程序运行时首先对协议栈、CC2430以及液晶初始化，同时打开中断。初始化结束后，协调器开始建立网络连接，如果连接成功会在显示器上出现连接成功的提示信息，ZigBee主要通过自组织方式建立无线网络连接链路。然后开始对网络节点进行监控，并对加入的节点发送是否同意接入的命令，如果允许节点接入，协调器还需要负责节点信息的接收工作，同时将接收的数据信息向上一级管理结构传送。
（2）ZigBee适配器软件设计
当无线数据采集协调器建立网络连接后，适配器开始搜索网络同时发送加入网络的信号。一般加入网络后ZigBee适配器进入休眠状态，这种机制的设计能够最大限度的降低能耗。在整个系统中适配器按照设计规则间歇性的工作，根据设定的时间进行数据的采集和发送相关的数据。节点同样才用低能耗设计方式，当网络中有数据传送节点被唤醒进入工作状态，否则进入低能耗的休眠状态。CC2430主要有PM0、PM1、PM2、PM3四种休眠模式，其耗能依次有大到小。ZigBee无线数据采集系统采用PM2低耗能休眠模式。另外数据发送的时间可以自行设定，这里设为500ms。
三、系统测试
1.整体功能测试
在安装ZigBee无线数据采集系统之前，需要对系统采集信息的准确性进行测试。选择和仪表具体工作环境类似的多相流检测实验室，对ZigBee无线数据采集系统整体工作性能进行测试。测试中以采集温度变送器、压力变送器以及电磁流量器为目标进行，测试结果显示采集的电压、电流信号等参数满足要求，并且系统工作稳定。
2.无线通讯距离测试
在实际工作中为了保证采集信息传输的正确性，研究丢包率和组网时间关系，需要对适配器和协调器之间的距离进行测试。另外，测试需要考虑在无障碍和有障碍两种条件下进行。
在无障碍条件下如果两个节点的距离小于50m，则需要对每个距离测试三次；当节点之间的距离大于50m时，需要对每个距离测试五次，并将测试时间保持在10分钟，并对测试的结果记录分析，最后得出以下结论：当节点之间的距离大于60m时，信号传输很不稳定且经常出现信号中断情况。
在有障碍环境中测试时，分别测试障碍物厚度为30cm和60cm的情况，将障碍物放置在两个节点中间，测试过程中需要不断增加节点之间的距离，每个测试点进行三次测试，并保持测试时间为10分钟。对测试结果记录分析得出以下结论：当障碍物厚度在30cm时，节点之间的距离大于25m传输信号变得微弱，经常出现中断情况；障碍物厚度在60cm，节点之间距离超过5m信号受影响比较明显。
对无线通讯距离测试，分析无线信号传输距离对信号的影响，给实际工作节点距离布置提供有意义的参考。
四、总结
工业无线数据采集系统能够远距离完成现场仪表数据的采集工作，通过对采集数据综合分析，采取应对措施对工业生产有效控制，从而提高生产效率，达到生产材料合理利用的目的。工业无线数据采集系统在工业生产中的优势越来越明显，加强对无线数据采集系统设计和实现的研究，对指导工业生产具有重要的现实意义。
基于ZigBee的工业仪表无线采集系统是仪表数据无线采集系统的主要代表，本文从硬件和软件设计方面对其进行阐述，提供了系统安装前的测试思路，为无线数据采集技术在工业上的设计和实现提供参考。
参考文献
[1]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（11）
[2]汤文，王毅，谢将剑.基于无线通信的电力线路数据采集系统的研究[J].现代仪器，2009（05）
【关键词】工业仪表；无线数据；采集系统
基于ZigBee工业仪表无线数据采集方案，主要运用ZigBee技术，搭建一套无线的数据采集方案，利用虚拟仪器技术和数据库技术，实现工业仪表数据的采集和收集。通过大量实践证明该系统运行可靠、性能稳定、能耗低，在工业生产中发挥重要作用。
一、系统总体结构设计介绍
工业仪表无线采集系统整体分为数据采集端和数据管理中心两部分。为了更好的实现对不同工业仪器仪表的数据采集，ZigBee适配器拥有多个采集接口，并通过串口的方式和工业仪器相连采集仪表的各种输出数据，比如测量数据、过程数据等，最后将采集的数据结果通过ZigBee网络发送给ZigBee协调器，以此完成数据的采集任务。
在数据管理中心，ZigBee无线网络协调器以串口的方式和管理中心计算机相连，在无线通讯模块的帮助下完成采集数据的收集工作。为了实现数据的整理和分析，数据管理中心需要安装软件相关软件，比如，监控软件和数据库软件等。
二、数据采集端设计
1.硬件设计
（1）ZigBee协调器设计
ZigBee无线数据采集系统要想正常工作，必须拥有专门的部件控制网络的运行，负责网络的建立、保证网络信号的正常传输、管理网络各个节点的任务。基于ZigBee无线数据采集系统的协调器主要由串口通信模块、无线通讯模块、液晶显示模块、电源模块和按键输入模块组成。而将电源模块、液晶显示模块、按键输入模块、串口通信模块设计在同一个板卡上称之为网络扩展板。无线通信模块和网络扩展板之间通过I/O相连的方式组成ZigBee协调器。
液晶显示器和无线通信模块通过I/O接口相连，能显示网络中各个节点的数据，实现对网络节点的管理。另外，将无线协调器通过自身的RS-232接口和计算机相连可以接收由串口传输的数据。无线数据采集系统工作时，协调器始终保持信息的接、发送状态，且使用外部供电方式。
（2）ZigBee适配器设计
为了实现对工业生产中不同仪器的数据采集，ZigBee拥有多种数据采集接口，比如现场仪器的工作电压、电流和脉冲信号等，整个适配器系统主要以CC2430模块为核心。
工作中为了实现数据采集的通用性将各种模块比如，电压、电流转换模块、脉冲采集模块等设计安装在同一个工作面板上。将适配器安装在需要采集数据的仪表上，以此完成数据采集工作。
2.软件设计
（1）ZigBee协调器软件设计
ZigBee协调器和ZigBee适配器安装的程序，均以ZigBee协议栈为基础。程序运行时首先对协议栈、CC2430以及液晶初始化，同时打开中断。初始化结束后，协调器开始建立网络连接，如果连接成功会在显示器上出现连接成功的提示信息，ZigBee主要通过自组织方式建立无线网络连接链路。然后开始对网络节点进行监控，并对加入的节点发送是否同意接入的命令，如果允许节点接入，协调器还需要负责节点信息的接收工作，同时将接收的数据信息向上一级管理结构传送。
（2）ZigBee适配器软件设计
当无线数据采集协调器建立网络连接后，适配器开始搜索网络同时发送加入网络的信号。一般加入网络后ZigBee适配器进入休眠状态，这种机制的设计能够最大限度的降低能耗。在整个系统中适配器按照设计规则间歇性的工作，根据设定的时间进行数据的采集和发送相关的数据。节点同样才用低能耗设计方式，当网络中有数据传送节点被唤醒进入工作状态，否则进入低能耗的休眠状态。CC2430主要有PM0、PM1、PM2、PM3四种休眠模式，其耗能依次有大到小。ZigBee无线数据采集系统采用PM2低耗能休眠模式。另外数据发送的时间可以自行设定，这里设为500ms。
三、系统测试
1.整体功能测试
在安装ZigBee无线数据采集系统之前，需要对系统采集信息的准确性进行测试。选择和仪表具体工作环境类似的多相流检测实验室，对ZigBee无线数据采集系统整体工作性能进行测试。测试中以采集温度变送器、压力变送器以及电磁流量器为目标进行，测试结果显示采集的电压、电流信号等参数满足要求，并且系统工作稳定。
2.无线通讯距离测试
在实际工作中为了保证采集信息传输的正确性，研究丢包率和组网时间关系，需要对适配器和协调器之间的距离进行测试。另外，测试需要考虑在无障碍和有障碍两种条件下进行。
在无障碍条件下如果两个节点的距离小于50m，则需要对每个距离测试三次；当节点之间的距离大于50m时，需要对每个距离测试五次，并将测试时间保持在10分钟，并对测试的结果记录分析，最后得出以下结论：当节点之间的距离大于60m时，信号传输很不稳定且经常出现信号中断情况。
在有障碍环境中测试时，分别测试障碍物厚度为30cm和60cm的情况，将障碍物放置在两个节点中间，测试过程中需要不断增加节点之间的距离，每个测试点进行三次测试，并保持测试时间为10分钟。对测试结果记录分析得出以下结论：当障碍物厚度在30cm时，节点之间的距离大于25m传输信号变得微弱，经常出现中断情况；障碍物厚度在60cm，节点之间距离超过5m信号受影响比较明显。
对无线通讯距离测试，分析无线信号传输距离对信号的影响，给实际工作节点距离布置提供有意义的参考。
四、总结
工业无线数据采集系统能够远距离完成现场仪表数据的采集工作，通过对采集数据综合分析，采取应对措施对工业生产有效控制，从而提高生产效率，达到生产材料合理利用的目的。工业无线数据采集系统在工业生产中的优势越来越明显，加强对无线数据采集系统设计和实现的研究，对指导工业生产具有重要的现实意义。
基于ZigBee的工业仪表无线采集系统是仪表数据无线采集系统的主要代表，本文从硬件和软件设计方面对其进行阐述，提供了系统安装前的测试思路，为无线数据采集技术在工业上的设计和实现提供参考。
参考文献
[1]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（11）
[2]汤文，王毅，谢将剑.基于无线通信的电力线路数据采集系统的研究[J].现代仪器，2009（05）