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

　　摘 要：針對(duì)遠(yuǎn)程無(wú)線通信的飛速發(fā)展，本論文結(jié)合對(duì)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(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在簡(jiǎn)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(wú)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(wú)線傳輸通信兩個(gè)角度詳細(xì)論述了遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于進(jìn)一步提高我國(guó)在遠(yuǎn)程無(wú)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(wú)線通信；數(shù)據(jù)采集；Zigbee
　　中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791(2011)05(a)-0000-00
　　
　　1 引言
　　本論文主要結(jié)合遠(yuǎn)程無(wú)線通信技術(shù)，對(duì)遠(yuǎn)程無(wú)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(wú)線數(shù)據(jù)采集及遠(yuǎn)程無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，并以此和廣大同行分享。
　　2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
　　為了使本論文所研究的遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)更具有針對(duì)性，這里選用Zigbee技術(shù)作為遠(yuǎn)程無(wú)線通信的核心技術(shù)，具體應(yīng)用場(chǎng)合是實(shí)現(xiàn)對(duì)電力塔的環(huán)境參數(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)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(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（Personal Area Network，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(shí)間數(shù)據(jù)（如鼠標(biāo)）。根據(jù)Zigbee聯(lián)盟目前的設(shè)想，Zigbee的目標(biāo)市場(chǎng)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(dòng)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(gè)電力塔上安裝一個(gè)基于Zigbee技術(shù)嵌入式無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊，該嵌入式無(wú)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(guò)基于Zigbee技術(shù)的RF無(wú)線收發(fā)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送給下一個(gè)電力塔上安裝的嵌入式無(wú)線數(shù)據(jù)采集模塊，以中繼的方式，傳送給第三個(gè)電力塔上的嵌入式無(wú)線數(shù)據(jù)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(tái)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(shí)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(gè)電力傳輸系統(tǒng)的目的。
　　在本系統(tǒng)中，無(wú)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(dòng)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(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)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(lái)的數(shù)據(jù)；ZigBee模塊用于接收和發(fā)送無(wú)線信號(hào)，與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)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(duì)另外三個(gè)單元的工作進(jìn)行控制。
　　3 基于Zigbee技術(shù)的遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
　　3.1 無(wú)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(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)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(shí)向下位機(jī)發(fā)送查詢包，下位機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)給各個(gè)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(kù)中配置信息來(lái)獲取下位機(jī)及設(shè)備等的信息，在內(nèi)存中建立了樹(shù)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(guò)程中，模塊首先按照樹(shù)形結(jié)構(gòu)的監(jiān)控區(qū)域輪詢?cè)搮^(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(kù)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)采集與控制模塊作為后臺(tái)線程運(yùn)行，保證前臺(tái)與后臺(tái)的分離。服務(wù)器通過(guò)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(guò)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(duì)帶寬的要求也較小?；谝陨蠎?yīng)用特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用TCP作為傳輸層協(xié)議，并通過(guò)建立sockct來(lái)連接服務(wù)器和下位機(jī)。由于頻繁的打開(kāi)、關(guān)閉socket連接會(huì)降低系統(tǒng)效率，而一個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)中下位機(jī)的數(shù)目不會(huì)很大，局域網(wǎng)條件下完全可以勝任所有下位機(jī)同時(shí)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(dòng)時(shí)根據(jù)下位機(jī)IP地址等配置信息連接各個(gè)下位機(jī)，然后運(yùn)行過(guò)程中時(shí)鐘保持連接，遇到意外斷開(kāi)后則通過(guò)嘗試重連來(lái)恢復(fù)。上位機(jī)保存每個(gè)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(duì)應(yīng)，以便在向不同下位機(jī)發(fā)送指令時(shí)能準(zhǔn)確找到對(duì)應(yīng)的Socket。
　　3.2 無(wú)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)送采集命令，數(shù)據(jù)終端返回包括其地址信息的確認(rèn)幀并執(zhí)行采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)；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(guò)，則點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接建立；若驗(yàn)證未通過(guò)，則嘗試重新建立連接的操作。
　　連接建立后，開(kāi)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(hào)，數(shù)據(jù)終端收到主控節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)請(qǐng)求后，每發(fā)送一個(gè)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(hào)與期望幀序號(hào)相比較，并進(jìn)行糾錯(cuò)碼校驗(yàn)，如果驗(yàn)證通過(guò)，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(guò)，說(shuō)明數(shù)據(jù)發(fā)送錯(cuò)誤，則返回出錯(cuò)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(shí)或者出錯(cuò)超過(guò)三次，即放棄傳送并報(bào)告錯(cuò)誤。
　　4 結(jié)語(yǔ)
　　本文主要探討了基于ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)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(wú)線傳輸模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，對(duì)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(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用場(chǎng)合具有重要的參考借鑒意義。更加完善的遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)還有待于廣大通信技術(shù)工作人員的共同努力才能夠最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　[1] 馬明建.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)[M].西安:西安交通大學(xué)