基于嵌入式單片機(jī)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息采集系統(tǒng)

何競(jìng)松，彭光強(qiáng)，李清，武霽陽(yáng)

（南方電網(wǎng)超高壓檢修試驗(yàn)中心廣東廣州510000）

對(duì)各種移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行采集、處理與傳輸成為了我國(guó)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)信息處理重要研究方向。數(shù)據(jù)采集技術(shù)是向著智能、快速、低功耗方向發(fā)展的，為工業(yè)領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域都帶來(lái)了巨大影響，該技術(shù)不但能夠?yàn)楣I(yè)領(lǐng)域提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，協(xié)助工業(yè)機(jī)器設(shè)備智能生產(chǎn)，還能為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域和軍事領(lǐng)域提供先進(jìn)技術(shù)和實(shí)時(shí)信息。隨著移動(dòng)通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)智能終端化發(fā)展，人們無(wú)論是在日常生活中，還是辦公過(guò)程中，都會(huì)使用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻通信[1]。由于制造商生產(chǎn)的移動(dòng)終端設(shè)備面對(duì)的是用戶(hù)，而對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，面對(duì)的是其它互聯(lián)網(wǎng)終端制造商。如果運(yùn)營(yíng)商想要繼續(xù)在通信行業(yè)保持較高地位，就必須使用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)信息為用戶(hù)提供強(qiáng)吸引力的業(yè)務(wù)[2]。

移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下海量數(shù)據(jù)具有產(chǎn)生速度快、規(guī)模大特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)大量信息快速存儲(chǔ)。但同時(shí)也受到噪聲干擾影響，使采集速度變慢，為了解決該方面的問(wèn)題，需設(shè)計(jì)一個(gè)針對(duì)移動(dòng)信息數(shù)據(jù)智能采集系統(tǒng)，根據(jù)移動(dòng)用戶(hù)行為特征進(jìn)行分析[3]。由于傳統(tǒng)系統(tǒng)受到噪聲干擾和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延影響，信息采集效果差，為此，設(shè)計(jì)了基于嵌入式單片機(jī)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息采集系統(tǒng)。

1 嵌入式單片機(jī)信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)嵌入式單片機(jī)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需先對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)分配，合理分析各項(xiàng)任務(wù)，為每項(xiàng)任務(wù)找到合適的優(yōu)先級(jí)，為系統(tǒng)提供優(yōu)先級(jí)資源[4]。

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1.1 傳感器模擬模塊

使用6位MCU和256位可編程內(nèi)存，使傳感硬件部分設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，采用10 kb隨機(jī)存取存儲(chǔ)器和12位數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息快速傳輸[5]。使用MCS1210型號(hào)芯片作為嵌入式單片機(jī)的主要芯片，僅僅需要少量外部接收元件就能組成多個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感網(wǎng)絡(luò)，該模塊設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 傳感器模擬模塊

由圖1可知，該傳感模塊是由樹(shù)狀傳感節(jié)點(diǎn)形式對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行接收，任何一個(gè)接收節(jié)點(diǎn)都遵循低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。通過(guò)根節(jié)點(diǎn)接收輸入信號(hào)，待全部信號(hào)接收完畢后，需將操作信息全部發(fā)送到信號(hào)調(diào)理模塊中進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。

1.1.2 信息調(diào)理模塊

針對(duì)上述傳感器傳輸信號(hào)，如果直接對(duì)其進(jìn)行調(diào)理，那么會(huì)受到噪聲干擾影響，使信號(hào)不能全部轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)形式，因此需設(shè)計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，將全部信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)形式[6]。選擇型號(hào)為OPA380的跨阻值放大器，能夠放大信號(hào)，使信號(hào)調(diào)理不受噪聲干擾影響，依然保持有效調(diào)理結(jié)果。

信號(hào)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

由圖2可知：采用LSSPD-PB3型號(hào)的光電二極管，可將較強(qiáng)信號(hào)迅速轉(zhuǎn)換為電流形式，而相對(duì)較弱的信號(hào)通過(guò)OPA380跨阻值放大器將信號(hào)進(jìn)行放大處理，以便將全部弱信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流形式。

1.1.3 信息采集模塊

經(jīng)過(guò)信息調(diào)理模塊，對(duì)全部信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，可直接對(duì)其進(jìn)行采集[7]。使用MCS1210型號(hào)嵌入式單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)將全部數(shù)據(jù)集中在一個(gè)芯片上進(jìn)行采集，具體采集模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 采集模塊

由圖3可知：采集模塊分成3個(gè)部分，分別是信號(hào)隊(duì)列等待、信號(hào)可用隊(duì)列和任務(wù)刪除隊(duì)列。其中信號(hào)隊(duì)列等待是等待信號(hào)調(diào)理模塊中的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，信號(hào)可用隊(duì)列是直接與外設(shè)訪(fǎng)問(wèn)相關(guān)機(jī)制進(jìn)行任務(wù)創(chuàng)建的，任務(wù)刪除隊(duì)列是對(duì)不可用信息進(jìn)行刪除處理[8-10]。

1.2 軟件部分設(shè)計(jì)

對(duì)MCS1210型號(hào)嵌入式單片機(jī)的信息采集進(jìn)行軟件部分設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全部數(shù)據(jù)集中一個(gè)芯片上的采集方式[11-12]。

為了準(zhǔn)確描述信息采集情況，需采用線(xiàn)性方程算法[13-14]，設(shè)A為采集時(shí)間，B為信息采集數(shù)量，由此獲取線(xiàn)性方程為：

公式（1）中：其中：A1和A2分別為信息采集的起始和終止時(shí)間；B1和B2分別為信息采集起始和終止數(shù)量值。依據(jù)線(xiàn)性方程計(jì)算結(jié)果來(lái)描述信息采集情況[15]，由此實(shí)現(xiàn)基于嵌入式單片機(jī)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息采集系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)。

根據(jù)信息采集流程對(duì)MCS1210型號(hào)嵌入式單片機(jī)設(shè)計(jì)的信息采集模塊下達(dá)指令，通過(guò)MCS1210嵌入式型號(hào)單片機(jī)中數(shù)據(jù)集中芯片連接指令集，以此作為降低時(shí)延出現(xiàn)的解決方法，采用線(xiàn)性方程準(zhǔn)確描述信息采集情況，由此實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用MCS1210型號(hào)嵌入式單片機(jī)，對(duì)是否能夠抵抗噪聲干擾和解決時(shí)延問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)參數(shù)，分別對(duì)系統(tǒng)抗噪聲干擾和無(wú)時(shí)延功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析。具體對(duì)比情況如下所示。

1）抗噪聲干擾

傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行采集時(shí)，受到噪聲干擾影響，使信號(hào)不能全部轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)形式，導(dǎo)致最后采集到的信息為無(wú)效信息。而采用MCS1210型號(hào)嵌入式單片機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行采集時(shí)，不會(huì)受到噪聲干擾影響，使信號(hào)全部轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)形式，采集效果較好。為了驗(yàn)證該內(nèi)容具有合理性，進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖4 噪聲干擾下兩種系統(tǒng)信息采集效率對(duì)比

由圖4可知：當(dāng)采集時(shí)間為t1～t2時(shí)，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)受到噪聲干擾，使信息采集效率呈負(fù)線(xiàn)性曲線(xiàn)下降趨勢(shì)。而采用嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)不會(huì)受到噪聲干擾，使信息采集效率呈正線(xiàn)性曲線(xiàn)下降趨勢(shì)；當(dāng)采集時(shí)間為t2～t3時(shí)，兩種系統(tǒng)信息采集效率呈直線(xiàn)性下降趨勢(shì)，從60%下降到58%；當(dāng)采集時(shí)間為t3～t4時(shí)，兩種系統(tǒng)的信息采集效率呈直線(xiàn)性下降趨勢(shì)，從58%下降到38%；當(dāng)采集時(shí)間為t4～t5時(shí)，兩種系統(tǒng)信息采集效率不變；當(dāng)采集時(shí)間為t5～t6時(shí)，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)受到噪聲干擾，使信息采集效率波動(dòng)現(xiàn)象較大。而采用嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)不會(huì)受到噪聲干擾，使信息采集效率波動(dòng)較小；當(dāng)采集時(shí)間為t6～t7時(shí)，兩種系統(tǒng)信息采集效率不變；當(dāng)采集時(shí)間為t7～t8時(shí)，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)受到噪聲干擾，使采集效率最終維持在60%，而采用嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)不會(huì)受到噪聲干擾，使采集效率最終維持在80%。由此可知，采用MCS1210型號(hào)嵌入式單片機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行采集時(shí)，不會(huì)受到噪聲干擾影響，使信號(hào)全部轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)形式，采集效果較好。

2）無(wú)時(shí)延問(wèn)題

傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行采集時(shí)，受到網(wǎng)絡(luò)時(shí)延問(wèn)題影響，使信息采集波形受到影響。而采用MCS1210型號(hào)嵌入式單片機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行采集時(shí)，不會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)時(shí)延問(wèn)題影響，使用代碼密度較大的10位指令集來(lái)降低信息傳輸過(guò)程中時(shí)延出現(xiàn)的概率，采集效果較好。為了驗(yàn)證該內(nèi)容具有合理性，進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 兩種系統(tǒng)信息采集波形

由圖5可知：采用傳統(tǒng)系統(tǒng)受到網(wǎng)絡(luò)時(shí)延影響，使信息采集波形受到影響，導(dǎo)致采集效果變差；而采用嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)不會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)時(shí)延影響，信息采集波形呈折線(xiàn)形式上下波動(dòng)，符合實(shí)際信息采集波形。

為了驗(yàn)證嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)不會(huì)受到受到網(wǎng)絡(luò)時(shí)延影響而得到精準(zhǔn)度的采集效率，將這傳統(tǒng)系統(tǒng)與該系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖6所示。

圖6 時(shí)延影響下兩種系統(tǒng)信息采集效率對(duì)比

由圖6可知：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延大小為1～30 ms時(shí)，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)信息采集效率為65%。而采用嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)信息采集效率為90%；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延大小為31～50 ms時(shí)，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)信息采集效率為60%，而采用嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)信息采集效率為85%；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延大小為51～100 ms時(shí)，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)信息采集效率為50%，而采用嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)信息采集效率為81%；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延大小為>100 ms時(shí)，采用傳統(tǒng)系統(tǒng)信息采集效率為40%，而采用嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)信息采集效率為80%。由此可知，采用MCS1210型號(hào)嵌入式單片機(jī)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行采集時(shí)，不會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)時(shí)延影響，采集效果較好。

3 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)終端信息采集進(jìn)行了詳細(xì)研究，使用MCS1210型號(hào)芯片作為嵌入式單片機(jī)主要工作芯片，能夠設(shè)計(jì)出準(zhǔn)確采集信息的采集系統(tǒng)。雖然該系統(tǒng)具有較好采集性能，但仍然存在需要完善地方，主要包括：

1）社會(huì)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系細(xì)化，盡可能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能分析；

2）特殊活動(dòng)目標(biāo)群體行為軌跡研究，盡可能更合理、詳細(xì)分析。

在未來(lái)研究過(guò)程中，以這兩點(diǎn)為對(duì)象進(jìn)行更深層次研究，為系統(tǒng)更加合理化設(shè)計(jì)提供有效依據(jù)。