數(shù)據(jù)融合技術(shù)下的程控交換機(jī)溫度無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 珂，彭 剛，王 毅

（中國(guó)人民解放軍69036 部隊(duì)，烏魯木齊 830001）

0 引言

近幾年，隨著數(shù)據(jù)融合技術(shù)和無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)也取得了良好的發(fā)展，為人們的信息交流和溝通提供了便利和支持。在這樣的背景下，程控交換機(jī)溫度無線監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，該系統(tǒng)通過應(yīng)用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，充分發(fā)揮和利用傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，采用一次部署的方式，就能避免人為因素對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的不良影響。此外，數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用可以避免該系統(tǒng)出現(xiàn)各種不確定因素，確保系統(tǒng)觀測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，在數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用背景下，如何科學(xué)設(shè)計(jì)程控交換機(jī)溫度無線監(jiān)控系統(tǒng)是軟件開發(fā)人員必須思考和解決的問題。

1 程控交換機(jī)溫度無線監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思想

在程控交換機(jī)溫度無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程中主要運(yùn)用了數(shù)據(jù)融合技術(shù)，根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能特點(diǎn)，將數(shù)據(jù)采集設(shè)置與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行有效融合，為促進(jìn)通信行業(yè)健康、可持續(xù)發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持。該系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集裝置、溫度采集監(jiān)控裝置、無線數(shù)據(jù)通信模塊、無線通信網(wǎng)絡(luò)等部分組成［1］，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。該系統(tǒng)運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)思想，確保各個(gè)組成部分相互獨(dú)立，這樣一來，不僅有利于后期系統(tǒng)的升級(jí)和維護(hù)工作的開展，還降低了系統(tǒng)調(diào)試的難度。對(duì)于程控交換機(jī)溫度無線監(jiān)控系統(tǒng)而言，要想保證功能的完善性和強(qiáng)大性，在進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)中，必須從采集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、分析處理數(shù)據(jù)等環(huán)節(jié)入手［2］，加強(qiáng)對(duì)無線監(jiān)控這一核心功能的設(shè)計(jì)，只有這樣，才能最大限度地提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性，從而為用戶帶來良好的使用體驗(yàn)。在數(shù)據(jù)采集這一環(huán)節(jié)中，需要充分利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，完成對(duì)相關(guān)狀態(tài)信息的收集和管理，在此基礎(chǔ)上，嚴(yán)格按照一定的格式，將收集好的信息數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤地傳輸給上位機(jī)。在數(shù)據(jù)傳輸這一環(huán)節(jié)中，上位機(jī)根據(jù)接收的信息數(shù)據(jù)，采用無線通信的方式，將這些信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的控制中心。在分析處理數(shù)據(jù)這一環(huán)節(jié)中，要做好對(duì)該系統(tǒng)相關(guān)信息的配置，以完成對(duì)最終信息數(shù)據(jù)的分析、梳理和匯總。

1.2 系統(tǒng)功能概述

在數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用背景下，程控交換機(jī)溫度無線監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)Τ炭亟粨Q機(jī)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集問題進(jìn)行有效解決，通過對(duì)采集好的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和融合，并將最終融合后的信息數(shù)據(jù)安全、可靠地傳輸給監(jiān)控中心，這樣一來，便于用戶對(duì)程控交換機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行有效監(jiān)控，以保證用戶通信的正常性、穩(wěn)定性和可靠性。通過利用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，該系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控模塊的應(yīng)用。該模塊主要用于對(duì)程控交換機(jī)溫度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和融合，并將融合后的溫度數(shù)據(jù)傳輸給指定的監(jiān)控中心，由監(jiān)控中心對(duì)程控交換機(jī)相關(guān)狀態(tài)參數(shù)設(shè)置情況進(jìn)行判斷，一旦發(fā)現(xiàn)異常問題，該系統(tǒng)會(huì)在第一時(shí)間內(nèi)將報(bào)警信息發(fā)送給監(jiān)控中心，此時(shí)，監(jiān)控中心會(huì)返回相應(yīng)的控制命令，該系統(tǒng)對(duì)這些控制命令進(jìn)行實(shí)時(shí)接收和執(zhí)行［3］。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

為了最大限度地提高系統(tǒng)的運(yùn)行性能，軟件開發(fā)人員要重視對(duì)系統(tǒng)硬件電路的科學(xué)設(shè)計(jì)。從功能上分析，硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)主要包含以下3 個(gè)模塊，分別是數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊和外圍電路模塊。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

2.1 節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，其具有體積小、價(jià)格便宜、通信功能強(qiáng)等特征，主要由以下3 個(gè)部分組成，分別是無線通信、傳感器節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)處理［4］。為了保證網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行性能，軟件開發(fā)人員要重視對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)性能的優(yōu)化。目前，市場(chǎng)上涌現(xiàn)出了大量的硬件平臺(tái)，這些平臺(tái)在具體的設(shè)計(jì)中，通過利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，不斷降低硬件平臺(tái)的能源消耗量，確保硬件平臺(tái)的體積更小、成本更低，同時(shí)，還要保證硬件平臺(tái)的擴(kuò)展性和可靠性［5］。

2.2 設(shè)計(jì)中的重要問題

2.2.1 尺寸問題

傳感器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)控領(lǐng)域中發(fā)揮出重要作用，因此，程控交換機(jī)溫度無線監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路在具體的設(shè)計(jì)中，要優(yōu)先選用AT89C51 處理器。該處理器的尺寸較小，完全符合硬件電路的設(shè)計(jì)需求［6］。同時(shí)，軟件開發(fā)人員在具體的設(shè)計(jì)中，要在綜合考慮處理器性能的基礎(chǔ)上，采用封裝的方式，降低傳感器模塊封裝復(fù)雜度，以達(dá)到提高用戶使用體驗(yàn)的目的。

2.2.2 節(jié)能問題

為了盡可能提高節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)水平，軟件開發(fā)人員要根據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用需求，在科學(xué)控制能源消耗量的基礎(chǔ)上，充分利用綠色電源供電的方式，為傳感器節(jié)點(diǎn)提供源源不斷的電量，同時(shí)，還要保證傳感器節(jié)點(diǎn)電壓的穩(wěn)定性和可靠性，為提高系統(tǒng)的節(jié)能效果打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。另外，軟件開發(fā)人員在進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的過程中，要優(yōu)先選用那些能耗低、成本低的芯片［7］。同時(shí)，還要充分利用無線射頻模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射功率的有效控制，只有這樣，才能最大限度地延長(zhǎng)芯片的使用壽命，從而有效降低系統(tǒng)功耗，以貫徹節(jié)能設(shè)計(jì)理念，為促進(jìn)系統(tǒng)健康、可持續(xù)發(fā)展提供有力的保障。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，軟件開發(fā)人員要采用模塊化設(shè)計(jì)思想，對(duì)軟件的程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過采用分解的方式，將整個(gè)程序劃分為若干個(gè)相互獨(dú)立且具有一定聯(lián)系的子模塊，然后，對(duì)這些子模塊繼續(xù)細(xì)分，使之形成若干個(gè)小模塊，并確保這些小模塊具有任務(wù)單一的特征，這樣可以保證數(shù)據(jù)交換的簡(jiǎn)單性和高效性，以實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠性和安全性的全面提升。因此，軟件開發(fā)人員要從程序?qū)崟r(shí)性和程序兼容性兩個(gè)方面入手，開展系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)工作。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序作為程控交換機(jī)溫度無線監(jiān)控系統(tǒng)軟件的重要組成部分，在數(shù)據(jù)采集和傳輸過程的描述中發(fā)揮了重要作用。系統(tǒng)通過應(yīng)用主程序，可以采用傳送命令的方式，利用AT89C51主控芯片對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫度進(jìn)行自動(dòng)化控制和調(diào)整，在此基礎(chǔ)上，充分利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊，將相關(guān)數(shù)據(jù)安全、穩(wěn)定地傳輸?shù)街骺匦酒?，以?shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的有效采集，最后由溫度傳感器采用無線發(fā)射的方式，完成對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送和傳輸。主程序流程圖如圖3 所示。

3.2 中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)

對(duì)于中斷服務(wù)程序而言，其設(shè)計(jì)水平的高低直接影響了整個(gè)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定性。因此，軟件開發(fā)人員要重視對(duì)該程序的設(shè)計(jì)。在這個(gè)過程中，軟件開發(fā)人員要充分利用和發(fā)揮中斷技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，最大限度地減小主控芯片的功能消耗量，從而保證該系統(tǒng)具有低能耗、低成本的特點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，軟件開發(fā)人員還要根據(jù)采集好的數(shù)據(jù)通信需求，將系統(tǒng)的相關(guān)執(zhí)行操作與中斷處理程序設(shè)計(jì)進(jìn)行有效的結(jié)合，以達(dá)到提高中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)水平的目的。此外，當(dāng)中斷處理相關(guān)操作流程完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)回到最初的低能耗狀態(tài)。中斷程序主要由兩個(gè)部分組成，分別是數(shù)據(jù)采集中斷和通信中斷。系統(tǒng)通過利用中斷程序，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的有效采集、緩存、傳輸和管理。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

為了提高上位機(jī)設(shè)計(jì)水平，軟件開發(fā)人員要從以下兩個(gè)方面入手。①數(shù)據(jù)采集誤差的校正。為了從根本上解決數(shù)據(jù)采集的誤差問題，軟件開發(fā)人員要充分利用算術(shù)平均值法、比較取舍法和函數(shù)法。其中，算術(shù)平均值法在具體的運(yùn)用中，需要軟件開發(fā)人員通過采集多種不同類型的樣本，并利用相關(guān)統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)，計(jì)算出樣本的平均值，這種方法主要應(yīng)用于對(duì)海量數(shù)據(jù)的采樣處理操作。比較取舍法在具體的運(yùn)用中，需要軟件開發(fā)人員根據(jù)采集數(shù)據(jù)的規(guī)律和特征，篩選出偏差較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除操作，以達(dá)到舍去誤差數(shù)據(jù)的目的。函數(shù)法在具體的運(yùn)用中需要軟件開發(fā)人員通過構(gòu)建特殊函數(shù)處理相關(guān)數(shù)據(jù)，盡可能提高數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，采用縮小干擾時(shí)間的方式，充分利用積分的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集誤差問題的有效解決。②數(shù)據(jù)控制異常問題的解決。通常情況下，數(shù)據(jù)控制異常問題主要以軟件冗余問題為主。軟件開發(fā)人員在解決這一問題時(shí)，要充分利用控制系統(tǒng)，采用條件匹配的方式，對(duì)控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷修改、優(yōu)化和完善，從而最大限度地發(fā)揮和利用循環(huán)采樣的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在實(shí)施處理控制相關(guān)操作布置的基礎(chǔ)上，提高系統(tǒng)控制輸出的效率和效果，只有這樣，才能最大限度地提高控制系統(tǒng)的抗干擾性。

4 結(jié)語

在數(shù)據(jù)融合技術(shù)的應(yīng)用背景下，程控交換機(jī)溫度無線監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面取得了很大的突破和創(chuàng)新，該系統(tǒng)不僅功能強(qiáng)大，通用性強(qiáng)，還在通信領(lǐng)域中取得了顯著的應(yīng)用效果，深受廣大用戶的青睞。為了方便后期系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)，需要相關(guān)軟件開發(fā)人員再接再厲，用更加優(yōu)雅的代碼擴(kuò)充更多適用的功能，從而為促進(jìn)程控交換機(jī)溫度無線監(jiān)控系統(tǒng)健康、可持續(xù)發(fā)展，提高其應(yīng)用價(jià)值提供有力的保障。