基于YL—5000的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

晏細(xì)蘭+謝景明

摘要：傳統(tǒng)的手工數(shù)據(jù)采集方式需要耗費(fèi)大量的人力和物力，并且也不能精確的分析和處理數(shù)據(jù)。該文設(shè)計(jì)了一種無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由MSP430149單片機(jī)和微功率無線數(shù)據(jù)模塊yl-5000組成。系統(tǒng)通過處于無線通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采集終端接收和發(fā)送多通道數(shù)據(jù)，同時(shí)，通過使用上位機(jī)軟件精確的處理多通道數(shù)據(jù)。該文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以用于數(shù)據(jù)的采集、管理、監(jiān)督和控制，其性能支持和成本維護(hù)等工作效率均很高。該系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合非常廣泛。

關(guān)鍵詞：多通道；無線通信協(xié)議；離線地圖；監(jiān)控軟件

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）04-0016-02

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一門新興技術(shù)[1]，其在信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。F Cwei設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee和android的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是提升了無線傳感器在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中的實(shí)用價(jià)值。LXwei探討了一種設(shè)計(jì)采集和監(jiān)視的視覺系統(tǒng)。該系統(tǒng)擴(kuò)展了數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用范圍[2-3]。但是，這種檢測(cè)系統(tǒng)的缺陷是其軟件構(gòu)架是基于客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的，因此導(dǎo)致其不便擴(kuò)展，且維護(hù)系統(tǒng)也較困難。本文介紹了一種監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是基于瀏覽器/服務(wù)器的結(jié)構(gòu)，因此可以很好的解決推廣和維護(hù)中出現(xiàn)的問題，該系統(tǒng)適用于數(shù)字農(nóng)業(yè)、衛(wèi)生保健和數(shù)字工廠等場(chǎng)所的數(shù)據(jù)監(jiān)控和設(shè)備監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集終端、微功率無線數(shù)據(jù)模塊yl-5000，MSP430149單片機(jī)和監(jiān)控平臺(tái)四部分組成。系統(tǒng)包含多個(gè)數(shù)據(jù)采集終端，每個(gè)數(shù)據(jù)采集終端均包含各種傳感器和監(jiān)控設(shè)備等，采集的數(shù)據(jù)從YL-5000無線數(shù)據(jù)模塊的一端發(fā)送到另一端，最后通過串口設(shè)備將數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)中。用戶可以從信息分析中得到信息的幫助從而監(jiān)控和控制數(shù)據(jù)采集終端，計(jì)算機(jī)可以存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)，同時(shí)方便的進(jìn)行后面一系列的操作。

圖1顯示了具有雙通道數(shù)據(jù)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，如果系統(tǒng)通道多于兩個(gè)，那么只需要在雙通道系統(tǒng)基礎(chǔ)上，根據(jù)通道數(shù)，增加終端、YL-5000集成板、存儲(chǔ)器、核心處理器的數(shù)量，再增加一些外圍電路即可。YL-5000集成板模塊是該系統(tǒng)的核心部件，該模塊的發(fā)送端連接核心處理器和存儲(chǔ)器（該存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)臨時(shí)數(shù)據(jù)），該模塊的接收端通過串行端口與PC機(jī)連接。PC機(jī)中提供了基于瀏覽器/服務(wù)器模型的數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件，用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)查詢、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控等。

YL-5000模塊是無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊[4]，該模塊具有高性能，低功耗且傳輸距離長的特點(diǎn)，其主要性能指標(biāo)有如下幾項(xiàng)：

（1） 工作頻率有315MHz，433MHz，490mhz，868MHz和915兆赫。

（2） 工作電壓從9伏到24伏不等。輸出電壓為27dbm）

（3） 全速模式的最大功耗是25mA。等待模式的最大功耗是1000uA。睡眠模式最大功率消耗是250uA。

（4） 有效傳輸距離為5000。在幅員遼闊的地區(qū)，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?0公里時(shí)無干擾。

（5） 串聯(lián)速率變化從1200bps到 57600bps，默認(rèn)值可以達(dá)到9600bps。

（6） 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的配置包含8個(gè)數(shù)據(jù)位，沒有停止位，也沒有奇偶校驗(yàn)位。

最大功率全速模式下消耗電流25mA，這意味著它可以工作很長時(shí)間，其有效的傳輸距離可達(dá)10公里，滿足典型的無線傳輸距離要求，此外，同等功能條件下，該模塊比其他數(shù)據(jù)傳輸模塊的價(jià)格更低。

2 無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)計(jì)

2.1 無線通信網(wǎng)絡(luò)建立的過程和規(guī)則

無線通信模塊YL-5000是無線通信網(wǎng)的基本硬件組成部分，該系統(tǒng)利用一定的規(guī)則，將YL-5000模塊的發(fā)送端和接收端連接起來，并且要求其余的YL-5000模塊也要輪流發(fā)送數(shù)據(jù)，系統(tǒng)將無線通信模塊YL-5000的接收端定義為主端，將其發(fā)送端定義為從端。首先，在輪流詢問答方式中，主端向從端發(fā)送了一條命令幀，然后等待一段時(shí)間。從端接收到命令幀以后，從端發(fā)回?cái)?shù)據(jù)響應(yīng)幀到主端，如果從端不發(fā)回任何信息給主端，主端就會(huì)繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)給從端，直到時(shí)隙時(shí)間結(jié)束。然后命令幀就會(huì)被發(fā)送到另一個(gè)從端，不斷的重復(fù)上面的過程，直到所有的從端均被訪問到。

利用以下五個(gè)步驟，可以實(shí)現(xiàn)終端的無線通信：

（1） 在本系統(tǒng)中，YL-5000模塊的主端和從端均具有唯一的地址，例如，假設(shè)系統(tǒng)有16個(gè)數(shù)據(jù)采集終端，那么就把主端地址定義為0xff，而從端地址范圍為0x01 到0x16。

（2） 任何時(shí)候，只允許主端和一個(gè)從端進(jìn)行通信。

（3） 主端起主導(dǎo)作用，而從屬終端則是在這個(gè)系統(tǒng)中的被動(dòng)接受數(shù)據(jù)的作用。當(dāng)終端沒有通信時(shí)，從端端處于監(jiān)聽狀態(tài)。

（4） 在時(shí)隙時(shí)間內(nèi)，主端有三次機(jī)會(huì)嘗試和從端進(jìn)行通信以發(fā)送命令幀，如果該從端依然沒有和主端建立通信連接，那么該從端將會(huì)被標(biāo)記。

（5） 在時(shí)隙時(shí)間內(nèi)，如果主端發(fā)送了復(fù)位和數(shù)據(jù)發(fā)送終止命令，從端則會(huì)返回響應(yīng)幀，而如果主端發(fā)送了數(shù)據(jù)請(qǐng)求指令，從端則會(huì)返回?cái)?shù)據(jù)幀。

2.2 命令幀和響應(yīng)幀的格式

使用標(biāo)識(shí)符確定幀的類型，如果一幀標(biāo)識(shí)符長度是68H，那么該幀為命令幀，如果長度是69H，那么就稱該幀為響應(yīng)幀。地址長度為16位，如果是命令幀，顯示的就是接收地址，如果是響應(yīng)幀，那么該地址就是發(fā)送地址。控制字的長度的長度為8位，控制字可以識(shí)別來自主端的不同命令，并且只存在于命令幀，如果它的值是01H，則表明主端要求從端重置，如果它的值是02H，則表明主端要求從端發(fā)送信息，如果它的值是03H，則表明主端禁止從端發(fā)送信息。結(jié)束標(biāo)識(shí)符的長度為8位，它表明了幀結(jié)束，將結(jié)束標(biāo)識(shí)符的值定義為34h，重復(fù)發(fā)送結(jié)束標(biāo)識(shí)符可以降低幀誤判率。

2.3 數(shù)據(jù)幀

數(shù)據(jù)幀標(biāo)識(shí)符的長度為8位，值定義為67H，接收端地址的長度16位，接收端地址給出的是主端的地址。數(shù)據(jù)采集終端編碼的長度為8位，每個(gè)終端均有對(duì)應(yīng)的編碼以標(biāo)記數(shù)據(jù)的獨(dú)特性。具體數(shù)據(jù)包括由數(shù)據(jù)采集終端采集到的各種信息，比如無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的濕度和地理位置等。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 功能介紹

遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件的基本功能是根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行設(shè)置的，該系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)以下基本功能：

（1） 通信功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終接收端與PC機(jī)之間的通信。

（2） 數(shù)據(jù)管理功能，使用數(shù)據(jù)庫技術(shù)存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)和用戶信息。

（3） 用戶交流功能，它包括實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)顯示，歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)查詢功能。

3.2 無線通信的實(shí)現(xiàn)

將YL-5000模塊的接收端和發(fā)送端之間的信息通信定義為縱向通信，將接收端和PC機(jī)之間的信息通信定義為橫向通信，縱向通信方式在前面的內(nèi)容中已經(jīng)做過介紹，橫向通信方式可以通過不同的方法實(shí)現(xiàn)。這里介紹一種使用HTTP超文本傳輸協(xié)議的方法實(shí)現(xiàn)異步通信。系統(tǒng)軟件中的橫向通信模塊和數(shù)據(jù)分析模塊可以使用java語言開發(fā)，邏輯檢查算法用于檢測(cè)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，重傳機(jī)制用于被動(dòng)地糾正錯(cuò)誤，超時(shí)重傳機(jī)制用于正確激活錯(cuò)誤。

3.3 監(jiān)測(cè)網(wǎng)站

該網(wǎng)站是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)站開發(fā)過程，用于開發(fā)實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)庫模塊和用戶管理模塊，這就要求建立一個(gè)編程平臺(tái)，該平臺(tái)包含windows系統(tǒng)、Web服務(wù)器、MySQL數(shù)據(jù)庫、超文本預(yù)處理器PHP和其編程語言例如超文本標(biāo)記語言（HTML），CSS，JavaScript等。多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)經(jīng)過了大范圍的長時(shí)間的工作測(cè)試，將系統(tǒng)波特率設(shè)置為9600bps，數(shù)據(jù)幀的長度設(shè)置為14byte，忽略收發(fā)方式的轉(zhuǎn)換時(shí)間和串行端口的傳輸時(shí)間，結(jié)果表明，數(shù)據(jù)庫中的個(gè)體數(shù)據(jù)每秒鐘更新3到4次。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用了一種成熟的無線網(wǎng)絡(luò)模式，該系統(tǒng)基于用戶自定義協(xié)議和微功耗無線數(shù)據(jù)傳輸模塊yl-5000所設(shè)計(jì)的。它的優(yōu)點(diǎn)是低成本且擁有成熟的無線通信技術(shù)，這使得使該系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)，除此之外，該系統(tǒng)也便于擴(kuò)展，當(dāng)然，該系統(tǒng)也有很多值得進(jìn)一步研究的問題，如數(shù)據(jù)安全等。

參考文獻(xiàn)：

[1] 解亞妮，張志杰.基于NI PXI-5105的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].2015，6（1）：7-12.

[2] F Chengwei，Z Lin，Y Jiangnan.Design of Intelligent Remote Monitoring System Based on ZigBee and Android[J]. TelevisionTechnology，2015，39（20）：38-42

[3] L Xiaowei.The Research of the Monitoring System Based on BeiDou For Remote Battling Vechile[D].Wuhan University of Technology，2013.

[4] 吳建，裴峰，王楠等.基于Labview 的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2013（z1）：52-54.