基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

金開(kāi)軍　李疆

摘 要： 設(shè)計(jì)一種新的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其由電源模塊、無(wú)線模塊和控制模塊組成。電源模塊為無(wú)線模塊和控制模塊提供電能，無(wú)線模塊使用智能總線協(xié)議或低功耗射頻協(xié)議從傳感器中采集數(shù)據(jù)，控制模塊利用MSP430F4250微處理芯片控制無(wú)線模塊的采集工作，并對(duì)所采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)將傳回?zé)o線模塊，用戶通過(guò)控制模塊設(shè)置數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)無(wú)線模塊中處理后的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)擁有極小的采集誤差和極低的無(wú)線通信誤碼率，較好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 數(shù)據(jù)采集； 無(wú)線通信； 數(shù)據(jù)處理

中圖分類(lèi)號(hào)： TN915?34； TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）10?0072?03

Abstract： A new data acquisition system based on wireless sensor network （WSN） was designed， which is composed of power supply module， wireless module and control module. The power supply module provides electricity for wireless module and control module. The intelligent bus protocol or low power radio frequency （RF） is utilized in the wireless module to collect the data from sensors. MSP430F4250 microcontroller chip is adopted in the control module to control the data acquisition and process the collected data from sensors. The processed data is delivered back to the wireless module. Users set data interaction standard through the control module and extract the sensor data processed by wireless module. The experimental results show that the designed system has little acquisition error and low bit error rate of wireless communication， has realized the design goal almost.

Keywords： wireless sensor network； data acquisition； wireless communication； data processing

0 引 言

微電子技術(shù)和集成電路技術(shù)的日益進(jìn)步，為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了發(fā)展平臺(tái)。現(xiàn)如今，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為21世紀(jì)最重要的科技成果之一，被廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和處理等領(lǐng)域，對(duì)人們的生活方式和工業(yè)的技術(shù)研究均有著非常深遠(yuǎn)的意義[1]。數(shù)據(jù)采集是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的一項(xiàng)重點(diǎn)研究項(xiàng)目，其涉及到數(shù)據(jù)采集、控制、無(wú)線傳輸和顯示等問(wèn)題，是加強(qiáng)信息管理、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的一種合理解決方法[2?3]。因此，設(shè)計(jì)一種采集誤差小、無(wú)線通信誤碼率低的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為人們的生產(chǎn)、生活提供更多便利[4]。

1 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究

1.1 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本組成包括電源模塊、無(wú)線模塊和控制模塊。其中，無(wú)線模塊包括傳感器數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)傳輸，是系統(tǒng)的基礎(chǔ)模塊；電源模塊和控制模塊將對(duì)無(wú)線模塊的工作進(jìn)行協(xié)助。圖1為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖，圖2為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集工作流程圖。由圖1、圖2可知，系統(tǒng)的控制模塊使用MSP430F4250微處理芯片整合用戶的數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)無(wú)線模塊的采集工作進(jìn)行控制。無(wú)線模塊從傳感器中采集到的符合標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)也會(huì)經(jīng)由控制模塊進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)將傳回?zé)o線模塊，用戶可通過(guò)控制模塊設(shè)置數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)無(wú)線模塊中處理過(guò)的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。值得注意的是，如果用戶并未提前設(shè)置無(wú)線模塊的工作標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)將自動(dòng)默認(rèn)大眾化標(biāo)準(zhǔn)[5]。

電源模塊為無(wú)線模塊和控制模塊提供24 V的電能供應(yīng)。為了將所設(shè)計(jì)的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與用戶的有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，并合理降低系統(tǒng)無(wú)線通信誤碼率，電源模塊將提供兩種電能供應(yīng)方式。

當(dāng)采集工作的數(shù)據(jù)量不高并且用戶有線網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展功能不強(qiáng)時(shí)，使用電源適配器進(jìn)行電能供應(yīng)，以維持無(wú)線模塊傳輸工作的穩(wěn)定性；否則，將直接使用干電池為系統(tǒng)供電，以降低系統(tǒng)能耗，增強(qiáng)系統(tǒng)便攜性。

1.2 無(wú)線模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)采集誤差小、無(wú)線通信誤碼率低的設(shè)計(jì)目標(biāo)，要求所設(shè)計(jì)的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)具有以下特點(diǎn)：可進(jìn)行自動(dòng)組網(wǎng)；能夠進(jìn)行傳感器精確定位和數(shù)據(jù)的高速采集；能夠有規(guī)律地發(fā)出數(shù)據(jù)采集請(qǐng)求和數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求；保證基本的傳輸安全性和穩(wěn)定性。

根據(jù)上述要求，選取CC2530射頻芯片作為系統(tǒng)無(wú)線模塊采集和傳輸工作的終端設(shè)備。

CC2530是用于2.4 GHz無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的片上系統(tǒng)解決方案，它能夠以極低的能耗和成本構(gòu)建性能優(yōu)良的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，有效保證了系統(tǒng)的采集精度和效率。同時(shí)，CC2530擁有6種自動(dòng)組網(wǎng)運(yùn)行模式，還配備了8051 微控制器內(nèi)核和多種規(guī)格的可編程閃存，并具有硬件調(diào)制功能，整體性能能夠滿足上述要求。CC2530射頻芯片的內(nèi)部電路簡(jiǎn)圖如圖3所示。

由圖3可知，虛線框內(nèi)共擁有20個(gè)外設(shè)接口，主要包括天線接口和顯示接口，電源模塊直接為這些接口供電，可提升無(wú)線模塊的穩(wěn)定性。天線接口用于與傳感器和控制模塊的數(shù)據(jù)溝通，顯示接口用于進(jìn)行經(jīng)控制模塊處理后的傳感器數(shù)據(jù)的傳輸工作。

天線接口和顯示接口均擁有兩種傳輸協(xié)議，分別是智能總線協(xié)議和低功耗射頻協(xié)議。智能總線協(xié)議的傳輸距離約為1 220 m，傳輸速率高達(dá)9.8 Mb/s，并可同時(shí)進(jìn)行400個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的傳輸工作；低功耗射頻協(xié)議則使用介質(zhì)訪問(wèn)控制層進(jìn)行傳輸，抗干擾能力要高于智能總線協(xié)議，但傳輸速率不高。在實(shí)際應(yīng)用中，如果用戶的有線網(wǎng)絡(luò)較為穩(wěn)定，通常默認(rèn)使用智能總線協(xié)議，否則，則會(huì)自動(dòng)切換到低功耗射頻協(xié)議。

1.3 控制模塊設(shè)計(jì)

在所設(shè)計(jì)的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，控制模塊使用MSP430F4250微處理芯片控制無(wú)線模塊的采集工作，并對(duì)所采集到的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。MSP430F4250微處理芯片最重要的特點(diǎn)就是，它擁有16位的精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（Reduced Instruction Set Computer，RISC）結(jié)構(gòu)[6]，能夠有效協(xié)調(diào)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)、操作方式以及軟硬件編譯的工作進(jìn)程，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)采集誤差小、無(wú)線通信誤碼率低的設(shè)計(jì)目標(biāo)，并進(jìn)一步降低系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)工作效率?？刂颇K中的MSP430F4250微處理芯片在控制無(wú)線模塊進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集工作時(shí)，首先使用CreateFile函數(shù)建立一個(gè)控制文件[7]，用于進(jìn)行控制模塊與無(wú)線模塊的數(shù)據(jù)溝通見(jiàn)圖4。

當(dāng)二者成功溝通后，MSP430F4250微處理芯片將對(duì)用戶的數(shù)據(jù)采集標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整合，并將標(biāo)準(zhǔn)作用于無(wú)線模塊進(jìn)行傳感器數(shù)據(jù)采集工作。隨后，控制模塊將接收無(wú)線模塊采集到的傳感器數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪、查錯(cuò)等處理。由于用戶有線網(wǎng)絡(luò)需要接收數(shù)字信號(hào)，故控制模塊還需要把傳感器數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。傳感器數(shù)據(jù)處理結(jié)束后，將傳回控制模塊，經(jīng)由控制模塊傳遞給用戶使用。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為了合理分析本文設(shè)計(jì)的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采集誤差和無(wú)線通信誤碼率是否符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，現(xiàn)進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示。

在實(shí)驗(yàn)中控制實(shí)驗(yàn)室的溫度和光照度保持不變，表1為實(shí)驗(yàn)室各無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)際溫度和光照度。

實(shí)驗(yàn)選取基于路由算法無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（設(shè)為參照系統(tǒng)1）和基于分群技術(shù)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（設(shè)為參照系統(tǒng)2），與本文系統(tǒng)共同進(jìn)行采集誤差和無(wú)線通信誤碼率的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.2 采集誤差分析

實(shí)驗(yàn)先使用參照系統(tǒng)1、參照系統(tǒng)2和本文系統(tǒng)共同對(duì)表1中的編號(hào)為1～3的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再將三個(gè)系統(tǒng)放置在暗箱中，對(duì)編號(hào)為4，5的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。將采集到的傳感器數(shù)據(jù)與表1中數(shù)據(jù)相減，求得采集誤差并繪制成折線圖，如圖6、圖7所示。由圖6可知，實(shí)驗(yàn)中，參照系統(tǒng)1的溫度采集誤差最高；參照系統(tǒng)2最大和最小的溫度采集誤差分別為1.1 ℃和0 ℃，性能較好；本文系統(tǒng)在黑暗環(huán)境下幾乎不受干擾，并且溫度采集誤差范圍為[0 ℃，0.02 ℃]，該誤差可忽略不計(jì)。由圖7可知，兩個(gè)參照系統(tǒng)的光照度采集誤差均較高，而本文系統(tǒng)的光照度采集誤差僅在黑暗環(huán)境下出現(xiàn)小幅度上升，并且誤差絕對(duì)值維持在1.0以內(nèi)。上述實(shí)驗(yàn)分析能夠證明，本文系統(tǒng)擁有極小的采集誤差。

2.3 無(wú)線通信誤碼率分析

調(diào)節(jié)三個(gè)系統(tǒng)與用戶有線網(wǎng)絡(luò)的距離，計(jì)算出三個(gè)系統(tǒng)的無(wú)線通信誤碼率（誤碼率=傳輸中的誤碼÷傳輸數(shù)據(jù)的總碼數(shù)×100%），列于表2中。

由表2可知，本文系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)350 m內(nèi)數(shù)據(jù)無(wú)線通信的精準(zhǔn)無(wú)誤傳輸，并且當(dāng)系統(tǒng)與用戶有線網(wǎng)絡(luò)相距500 m時(shí)，無(wú)線通信誤碼率僅為1.3%，與兩個(gè)參照系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)擁有極低的無(wú)線通信誤碼率。

3 結(jié) 論

數(shù)據(jù)采集涉及到數(shù)據(jù)采集、控制、無(wú)線傳輸和顯示等問(wèn)題，是加強(qiáng)信息管理、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的一種合理解決方法。本文設(shè)計(jì)一種采集誤差小、無(wú)線通信誤碼率低的基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)以及其中無(wú)線模塊和控制模塊的具體設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，本系統(tǒng)擁有極小的采集誤差和極低的無(wú)線通信誤碼率。

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