基于ZigBee/WiFi技术的无线数据采集与控制系统

李少林，张维路，刘 民，张卓夫

(桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541004)

0 引言

随着“工业4.0”战略和“中国制造2025计划”的提出，世界各国的科研人员都致力于制造业智能化水平的提升和智能化生产系统的实现。其中，数据采集与控制是实现智能化生产必不可少的一部分。然而在当今工业领域，数据采集器多采取有线的传输方式，且工厂设备数量及种类较多，常处于高温和高压等恶劣环境下，导致布线工程量大，成本过高，限制了数据采集技术的广泛应用[1]。同时，在某些工厂设备中虽具备数据采集系统，但无法实现对设备状态的远程控制，在控制方面还需花费大量的时间和精力。

针对工业数据采集系统中存在的上述问题，提出了一种基于ZigBee/WiFi技术的无线数据采集与控制系统的方案。ZigBee 技术是一种近距离、低成本、低功耗的双向无线传输技术，具有组网简单，安全可靠，网络容量大等优势[2-3]。在ZigBee技术的基础上，本方案首先选择了模拟开关芯片CD4051，改进了传统的单路数据采集方法，实现了多路数据实时采集，其次引入了WiFi通信方式，其传输速率高，应用广泛，可以通过手机客户端对设备数据进行实时监控，改善了工作人员只能通过电脑端监控的不足；最后数据接收端的软件功能中还设有控制开关，可实现对设备状态的远程控制。同时处理器选择CC2530芯片和ESP8266芯片，设计简单，成本低廉，后文对其详细介绍。该方案可实现对设备状态的数据采集、无线传输、实时监测和远程控制等功能，既满足工业现场设备的监测要求，又可以解决传统手段的缺陷和不足。

1 系统总体设计

为实现上述设计要求以及结合ZigBee通信特性，该系统在结构上可分为三部分：第一部分为终端设备节点，其与设备相连，分布式安装在工业现场，主要实现对设备运行数据的采集与控制，并将获取后的数据信息通过无线的方式进行传输；第二部分为路由器节点，主要实现节点之间的数据中继，通过多级路由的方式延伸ZigBee无线网络的覆盖范围，路由器节点接收终端设备节点采集的数据信息，并将其转发到其父节点或协调器；第三部分为协调器节点，主要实现创建ZigBee网络，获取ZigBee网络中的设备运行数据，然后进行数据处理，同时设计有WiFi通信模块，接收端连接WiFi信号，通过电脑上位机或手机客户端读取到设备运行数据，且可实现对设备的运行状态进行控制[4]。其整体结构如图1所示。

图1 系统整体框架

2 系统硬件设计

综合整体框架设计，系统的处理器主要选择CC2530芯片和ESP8266芯片。CC2530芯片为TI公司(德州仪器公司)生产，可满足ZigBee技术的各种底层需求，同时TI公司提供了Z-Stack协议栈，减轻了软件开发的工作量，符合本系统的硬件设计和软件设计的要求[5]。ESP8266芯片是一个完整且自成体系WiFi网络解决方案，能够独立运行，并且也可以作为从机，添加到任何搭载于其他微控制器的系统中[6]。本节将对硬件设计方面进行详细说明。

根据设计需求可采用核心板和底板的设计模式，只需设计一款CC2530芯片核心板，然后针对不同功能的设备节点设计符合功能要求的底板，以此提高系统的开发效率。将核心板作为单独模块设计，会降低设计难度，也增加了系统的稳定性和可维护性。

本节将从CC2530芯片最小系统核心板设计，终端数据采集节点的底板设计和ESP8266芯片底板设计三部分进行详细阐述，其中路由节点由CC2530芯片的最小系统核心板、电源模块和调试模块组成，与终端节点设计相同，对路由器的底板设计不做介绍。

2.1 CC2530系统核心板

CC2530芯片内部集成了低功耗的增强型8051内核，内部自带模/数转换器，ADC支持14位的模拟数字转换，具有多达12位的ENOB(有效数据)，转换结果通过DMA写入存储器，可以满足设计要求[7]。核心板电路根据TI公司提供的官方资料以及其他技术资料得出，其主要包括时钟电路、复位电路和射频电路，原理图如图2所示[8]。

图2 CC2530系统核心板电路

2.2 终端节点底板

终端设备节点主要实现设备运行数据的采集、设备状态的控制以及数据信息的无线发送。由电源模块、调试下载电路、数据采集电路、继电器控制电路等组成。

电源电路：本系统中处理器CC2530芯片，需3.3V工作电源，同时继电器需5V驱动电源，故采用5V电源输入，通过AMS1117-3.3V稳压芯片进行电源电压的转换。

继电器电路：该电路用于对设备状态的控制。继电器的控制输入引脚与处理器的P01引脚相连，继电器的控制输出引脚P2端与设备的控制端相连，由此可通过控制处理器的P01引脚的电平实现对设备状态的控制。

数据采集电路：该电路是终端底板节点电路的主要部分，由模拟开关和采样/保持器组成。此电路针对模拟量输出板的电压信号进行采集，模拟量输出板输出DC0-10V标准工业电压信号。模拟开关选择CD4051芯片，该芯片为8通道数字控制模拟开关，实现了采集通道的扩展，改进了传统的单路数据采集方法。

采样/保持器的功能是保持输入模拟信号的稳定，减少采样误差，系统电路设计中选择采样/保持器集成芯片AD582。AD582芯片内部有一个高性能的运算放大器，可设计为电压跟随器，同时输入阻抗约为30ΜΩ，可以削弱模拟开关导通内阻对压降的影响[9]。由于CC2530芯片的模/数转换器允许电压输入范围为0～3.3V，因此在信号输出引脚后，还需通过精密电阻进行分压处理，在软件部分的数据处理中，根据比例还原真实的数据采集值。其数据采集电路如图3所示。

图3 数据采集电路

2.3 协调器节点WiFi模块

协调器节点主要实现创建ZigBee网络，获取ZigBee终端节点采集的设备运行数据，同时搭载ESP8266串口WiFi模块，以实现ZigBee协调器的串口信号与WiFi信号的转换。其电路设计主要由电源电路、调试下载电路和ESP8266模块电路三部分，其中电源模块和调试下载电路与终端节点电路设计相同，ESP8266模块电路原理图如图4所示。

ESP8266芯片是一款高性能串口WiFi模块，通过串口和主控芯片通讯，内置 TCP/IP 栈协议。此外，具有STA/AP/STA+AP三种工作模式，支持UART/GPIO数据通信接口。本系统中由处理器CC2530芯片通过串口发送AT指令到ESP8266 芯片来实现串口WiFi 的初始化、连接、网络通信等[10-11]。同时，其电路设计简单，价格低廉，集成度高，也是选择此芯片的原因。

在ESP8266芯片电路设计中，GPIO15引脚是ESP8266芯片运行的控制开关，低电平时芯片工作，即拨码开关应置为ON,指示灯点亮显示芯片运行。GPIO0引脚是模块固件更新开关，本设计无需对此操作，拨码开关应置为OFF。

图4 ESP8266模块电路

3 系统软件设计

本系统组建了一个基于ZigBee的星型网络拓扑结构，根据系统设计框架，在TI公司提供的Z-Stack协议栈上进行软件开发，实现系统的功能要求[12]。

3.1 数据采集

图5 ZigBee协调器工作流程

ZigBee协调器的工作流程：首先上电后进行系统初始化，完成创建ZigBee网络，其次收集终端节点采集的数据，此后通过串口WiFi模块将数据自动格式转换，并发送到接收端。其协调器的工作流程如图5所示。

图6 WiFi模块的工作流程

WiFi模块ESP8266芯片搭载在ZigBee协调器上，通过协调器的串口对ESP8266芯片进行控制处理。其工作流程：首先WiFi模块上电初始化，其次通过协调器串口将其设置为AP模式，此后执行AT命令对WiFi模块进行复位重启、启动模块多连接、开启本地TCP服务器等操作，最终等接收到串口数据后，进行数据处理和格式转换，将数据无线发送到接收端。WiFi模块的工作流程如图6所示。

图7 终端节点 工作流程

ZigBee终端节点的工作流程：首先上电后进行系统初始化，其次加入到协调器创建ZigBee网络，加入网络成功后，进行数据采集工作，最后将数据发送出去。终端节点的工作流程如图7所示。

ZigBee路由器节点主要完成数据的传递功能，增加传输距离。其主要流程为首先上电初始化，其次加入ZigBee网络，搜索合适的路径，最后将数据转发到其父节点或协调器。

3.2 状态控制

通过电脑上位机或手机客户端可以实现对设备工作状态的控制。其工作流程如下：

(1)电脑上位机或手机客户端进入控制模式，点击上位机或客户端的设备控制按钮，并将控制信号传递给串口WiFi模块ESP8266芯片；

(2)WiFi模块接收到控制信号后，进行信号解析，通过串口传递给ZigBee协调器，ZigBee协调器以广播的形式将信号无线发送出去；

(3)ZigBee终端节点接收到ZigBee协调器的信号或由路由器转发的信号后，进行地址和端点号匹配，匹配成功后，终端节点通过控制继电器完成对设备状态的控制。

4 系统测试

本系统采用一个协调器、一个路由器及4个终端节点采集模拟量输出板的电压进行功能测试。将编译好的程序下载到各个ZigBee模块后，然后上电初始化，处理器自动完成设备属性匹配，成功组建ZigBee网络。本测试以电脑端上位机作为数据接收端，首先将电脑连接上WiFi，同时在上位机上进行设置连接的服务器IP地址和端口，然后开启网络服务模式，这样可以监测不同设备不同通道的实时数据变化。同时上位机上设计有设备控制按钮，通过此按钮可以实现设备状态远程的控制。

在完成功能测试之后，同时对此系统的通信性能进行测试。为验证通信可靠性与传输距离的关系，采用一个协调器和一个终端节点，在工厂环境中进行实验测试。节点间距定为20m、40m、60m、80m、100m、120m，分别对每个测量点发送数据包100个，进行20次数据测量，取其平均值，得到表1 的记录结果。

表1 丢包率与通信距离的关系

根据表1数据，该系统在工厂环境中应用时，为保证数据传输的完整性，需要在协调器与终端节点的80m左右范围内添设一个路由器节点，用于增强数据中转能力。最后又在工厂环境中，重新进行功能测试，可以实现设计的要求，且数据传输稳定可靠。

5 结论

本文设计了基于ZigBee/WiFi的无线数据采集与控制系统，利用ZigBee技术的低功耗、组网简单、安全可靠及WiFi技术覆盖范围广，传输速率高，应用广泛等优点，实现了对数据多路多通道的自动采集、无线传输以及对设备状态的自动控制等功能。经过对系统的测试，可以准确完成预设的功能，且系统组网灵活，维护简单，运行安全可靠，为工业领域的远程无线监测及控制提供了新的解决方案。