遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要:針對遠(yuǎn)程無線通信的飛速發(fā)展，本論文結(jié)合對電力塔環(huán)境參數(shù)的具體要求，詳細(xì)設(shè)計(jì)研究了遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在簡單分析和設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)探討研究了遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集功能的實(shí)現(xiàn)，從數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程無線傳輸通信兩個角度詳細(xì)論述了遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，對于進(jìn)一步提高我國在遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集傳輸領(lǐng)域的研究應(yīng)用水平具有一定借鑒意義。關(guān)鍵詞:遠(yuǎn)程通信無線通信數(shù)據(jù)采集Zigbee本論文主要結(jié)合遠(yuǎn)程無線通信技術(shù)，對遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以期從中能夠找到合理可靠的無線數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，并以此和廣大同行分享。1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)為

2、了使本論文所研究的遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更具有針對性，這里選用Zigbee技術(shù)作為遠(yuǎn)程無線通信的核心技術(shù)，具體應(yīng)用場合是實(shí)現(xiàn)對電力塔的環(huán)境參數(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線采集與傳輸。(1)Zigbee技術(shù)概述。Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4,這是IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)(PersonalAreaNetwork,PAN)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱作IEEE802.15.4(Zigbee)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。Zigbee主要應(yīng)用在短距離范圍之內(nèi)并且數(shù)據(jù)傳輸率不高的各種電子設(shè)備之間。其典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)（如傳感器數(shù)據(jù)），間歇性數(shù)據(jù)（如照明控制）和重復(fù)性低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)（如鼠標(biāo)）。根據(jù)Zigbee聯(lián)盟目前的設(shè)想

3、，Zigbee的目標(biāo)市場主要有PC外設(shè)（鼠標(biāo)，鍵盤，游戲操控桿），消費(fèi)類電子設(shè)備（TV、VCR、CD、VCD、DVD等設(shè)備上的遙控裝置），家庭內(nèi)智能控制（照明，煤氣計(jì)量控制及報(bào)警等），玩具（電子寵物），醫(yī)護(hù)（監(jiān)視器和傳感器）,工控（監(jiān)視器、傳感器和自動控制設(shè)備）等非常廣闊的領(lǐng)域。（2）系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)。在每個電力塔上安裝一個基于Zigbee技術(shù)嵌入式無線數(shù)據(jù)采集模塊,該嵌入式無線數(shù)據(jù)采集模塊可以采集該電力塔周圍環(huán)境的溫度風(fēng)力，圖像等數(shù)據(jù)，通過基于Zigbee技術(shù)的RF無線收發(fā)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)無線發(fā)送給下一個電力塔上安裝的嵌入式無線數(shù)據(jù)采集模塊，以中繼的方式，傳送給第三個電力塔上的嵌入式無線數(shù)據(jù)

4、采集模塊，一直傳到監(jiān)控系統(tǒng)的控制主機(jī)。這樣，維護(hù)人員從后臺中心的電腦上就能得到終端采集模塊所采集的數(shù)據(jù)，能夠及時了解所需監(jiān)控的電力塔周圍環(huán)境的溫度，風(fēng)力和電線是否完好的情況，以達(dá)到監(jiān)護(hù)整個電力傳輸系統(tǒng)的目的。在本系統(tǒng)中，無線數(shù)據(jù)采集模塊主要由傳感器模塊、處理器模塊、ZigBee模塊和電源模塊四部分組成的。傳感器模塊（包括數(shù)字溫度傳感器及其驅(qū)動接口電路，攝像頭及其接口電路）負(fù)責(zé)電力塔區(qū)域內(nèi)溫度和圖像的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；處理器模塊（微控制器）負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲和處理本身采集的溫度數(shù)據(jù)圖像數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)；ZigBee模塊用于接收和發(fā)送無線信號，與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無

5、線通訊，主要包括射頻和基帶兩部分，前者提供數(shù)據(jù)通信的空中接口，后者主要提供鏈路的物理信道和數(shù)據(jù)分組；電源模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)供電，通常采用微型電池。微控制器作為傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的心臟”在上面運(yùn)行著嵌入式系統(tǒng)軟件，從而對另外三個單元的工作進(jìn)行控制。2基于Zigbee技術(shù)的遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)2.1無線數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)由于環(huán)境參數(shù)一般數(shù)據(jù)的變化較為緩慢，所以系統(tǒng)對數(shù)據(jù)實(shí)時性的要求并不是很高，為減小網(wǎng)絡(luò)資源利用沖突，本系統(tǒng)采用輪詢的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集模塊定時向下位機(jī)發(fā)送查詢包，下位機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)給各個控制器，控制器返回相應(yīng)的傳感器數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中為避免每次讀取數(shù)據(jù)庫中配置信息來獲取下位機(jī)

6、及設(shè)備等的信息，在內(nèi)存中建立了樹形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可方便的定位到某設(shè)備的信息以便執(zhí)行相應(yīng)處理。輪詢過程中，模塊首先按照樹形結(jié)構(gòu)的監(jiān)控區(qū)域輪詢該區(qū)域內(nèi)傳感器溫濕度參數(shù)，計(jì)算該區(qū)域的平均溫濕度值，作為虛擬的傳感器溫濕度值存入數(shù)據(jù)庫中。然后模塊繼續(xù)輪詢各設(shè)備狀態(tài)，獲取最新的設(shè)備狀態(tài)。數(shù)據(jù)米集與控制模塊作為后臺線程運(yùn)行，保證前臺與后臺的分離。服務(wù)器通過以太網(wǎng)與各下位機(jī)進(jìn)行通信，一般設(shè)置下平均每60秒執(zhí)行一次數(shù)據(jù)采集，所以運(yùn)行過程中服務(wù)器與客戶端的通信較為頻繁。另外，電力塔環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)包大小一般都較小，對帶寬的要求也較小。基于以上應(yīng)用特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用TCP作為傳輸層協(xié)議，并通過建立socket來連接服務(wù)器

7、和下位機(jī)。由于頻繁的打開、關(guān)閉socket連接會降低系統(tǒng)效率，而一個應(yīng)用系統(tǒng)中下位機(jī)的數(shù)目不會很大，局域網(wǎng)條件下完全可以勝任所有下位機(jī)同時連接的情況，所以系統(tǒng)采用保持連接的Socket進(jìn)行通信。服務(wù)器啟動時根據(jù)下位機(jī)IP地址等配置信息連接各個下位機(jī)，然后運(yùn)行過程中時鐘保持連接，遇到意外斷開后則通過嘗試重連來恢復(fù)。上位機(jī)保存每個已經(jīng)建立的套接字并在內(nèi)存中與相應(yīng)的下位機(jī)的配置信息相對應(yīng)，以便在向不同下位機(jī)發(fā)送指令時能準(zhǔn)確找到對應(yīng)的Socket。2.2無線通信傳輸機(jī)制的實(shí)現(xiàn)連接建立的流程是，主控節(jié)點(diǎn)首先廣播地址碼，選擇特定的終端并發(fā)送米集命令，數(shù)據(jù)終端返回包括其地址信息的確認(rèn)幀并執(zhí)行米集并存儲數(shù)據(jù)；

8、主控節(jié)點(diǎn)接收到確認(rèn)幀后，提取地址等有用信息進(jìn)行驗(yàn)證，若驗(yàn)證通過，則點(diǎn)對點(diǎn)連接建立；若驗(yàn)證未通過，則嘗試重新建立連接的操作。連接建立后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸方式是基于一種反饋重發(fā)協(xié)議”的思想:待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀按先后順序附加上幀號，數(shù)據(jù)終端收到主控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)請求后，每發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀，即等待主控節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答:主控節(jié)點(diǎn)接收到這一數(shù)據(jù)幀后，把實(shí)際幀序號與期望幀序號相比較并進(jìn)行糾錯碼校驗(yàn)，如果驗(yàn)證通過，則返回?cái)?shù)據(jù)確認(rèn)幀，并要求數(shù)據(jù)終端傳輸下一數(shù)據(jù)幀；如果驗(yàn)證未通過，說明數(shù)據(jù)發(fā)送錯誤，則返回出錯重傳幀，要求主控節(jié)點(diǎn)重傳該幀；如果收到數(shù)據(jù)確認(rèn)幀，則繼續(xù)傳送下一數(shù)據(jù)幀,直到傳輸結(jié)束。如果傳送超時或者出錯超過三次，即放棄傳送并報(bào)告錯誤。3結(jié)語本文主要探討了基于ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方案，并重點(diǎn)分析了數(shù)據(jù)采集模塊和無線傳輸模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對于應(yīng)用在不方便實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)施數(shù)據(jù)采集和傳輸，以及遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場合具有重要的參考借鑒意義。