基于WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)的采集終端設(shè)計(jì)概論

劉東 張鋒

1. 奧維通信股份有限公司 遼寧 沈陽 110179；2. 沈陽中科奧維科技股份有限公司 遼寧 沈陽 110179

1 技術(shù)背景

近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅速發(fā)展，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的采集終端應(yīng)運(yùn)而生，這些采集終端主要提高人的泛在感知，為自動(dòng)控制或人工干預(yù)控制提供識(shí)別數(shù)據(jù)?？梢哉f物聯(lián)網(wǎng)中的采集終端是將自動(dòng)化技術(shù)、通信技術(shù)、信息技術(shù)進(jìn)行的一個(gè)融合。

工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)是由中科院沈陽自動(dòng)化所推出的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高可靠、超低功耗的自組織多跳智能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]。工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)WIA技術(shù)具有的低成本、低功耗及中短距離通信等特點(diǎn)[2]。

目前的采集終端設(shè)計(jì)沒有將各個(gè)硬件單元進(jìn)行統(tǒng)一的管理；或者無線單元只是無線收發(fā)功能或者只有簡單的網(wǎng)絡(luò)管理功能，沒有很好的網(wǎng)絡(luò)管理來避免干擾帶來的數(shù)據(jù)重傳進(jìn)而引起的能耗增加；或者采集板卡和無線單元始終是一個(gè)并行的工作關(guān)系，在軟件上沒有很好的管理機(jī)制導(dǎo)致能耗的增加。

2 采集終端硬件設(shè)計(jì)

采集終端主要由WIA-PA無線通信單元（以下簡稱“無線通信單元”）、主控單元、傳感器單元、顯示單元、電池組成。

無線通信單元通過GPIO觸發(fā)主控單元啟動(dòng)AD采集；主控單元通過GPIO通知無線通信單元AD采集完畢并啟動(dòng)主控單元串口進(jìn)入發(fā)送模式、無線通信單元進(jìn)入接收模式；無線通信單元觸發(fā)主控單元進(jìn)入休眠狀態(tài)、從休眠狀態(tài)喚醒、串口數(shù)據(jù)交互。

主控單元通過串口連接到無線通信單元，主控單元內(nèi)部通過信號(hào)調(diào)理電路將模擬信號(hào)進(jìn)行放大處理，再進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。主控單元內(nèi)部具有溫度采樣功能，根據(jù)溫度區(qū)間、AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字量、采集終端的校準(zhǔn)表，主控單元計(jì)算出當(dāng)前采集的物理量大小。主控單元通過GPIO連接顯示單元，控制顯示單元顯示物理量和相關(guān)的告警信息、采集終端的儀表參數(shù)信息等。主控單元通過供電接口連接電池。

圖1 采集終端原理框圖

電池通過GPIO與無線通信單元連接，通過硬件連接，接受無線通信單元的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)主控單元、傳感器單元、顯示單元的供電控制，電池通過電源接口與無線通信單元、主控單元、傳感器單元、顯示單元連接并供電。

3 采集終端軟件設(shè)計(jì)

采集終端上電后無線通信單元上電程序啟動(dòng)，無線通信單元根據(jù)既定的采集間隔T判斷采集模式是屬于間斷采集還是密集采集，采集間隔T小于Tth采集間隔門限值，則認(rèn)為采集終端進(jìn)入密集采集模式。

無線通信單元采集任務(wù)啟動(dòng)后將啟動(dòng)定時(shí)器，定時(shí)器定時(shí)到達(dá)后，無線通信單元判斷此次采集是否為上電初次采集。如果是初次采集，無線通信單元控制供電控制電路給主控單元供電，同時(shí)控制電池的傳感器單元供電控制電路給傳感器單元供電；如果不是初次采集，無線通信單元控制主控單元從休眠模式喚醒，同時(shí)控制電池的傳感器單元供電控制電路給傳感器單元供電。

主控單元將AD采集來的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成物理量并控制顯示單元顯示當(dāng)前采集的物理量。主控單元通過串口將轉(zhuǎn)換完成的物理量發(fā)送到無線通信單元，無線通信單元通過中斷觸發(fā)的方式控制主控單元進(jìn)入休眠模式。無線通信單元將主控發(fā)送來得數(shù)據(jù)通過無線的方式轉(zhuǎn)發(fā)到無線網(wǎng)絡(luò)，此次采集任務(wù)結(jié)束。

如果采集間隔T大于Tth采集間隔門限值，則認(rèn)為采集終端進(jìn)入間斷采集模式。定時(shí)器定時(shí)到達(dá)后，無線通信單元控制主控單元供電，同時(shí)控制傳感器單元供電。

上電完成后，無線通信單元觸發(fā)主控單元啟動(dòng)采集任務(wù)。主控單元采集完畢后，觸發(fā)通知無線通信單元；無線通信單元控制電池的傳感器單元供電控制電路關(guān)閉傳感器單元供電。主控單元將AD采集來的數(shù)字量進(jìn)行查表計(jì)算轉(zhuǎn)換成物理量并控制顯示單元顯示當(dāng)前采集的物理量。

主控單元通過串口將轉(zhuǎn)換完成的物理量發(fā)送到無線通信單元，關(guān)閉主控單元的供電。無線通信單元將主控發(fā)送來得數(shù)據(jù)通過無線的方式轉(zhuǎn)發(fā)到無線網(wǎng)絡(luò)，此次采集任務(wù)結(jié)束。

4 結(jié)束語

WIA-PA無線通信單元對(duì)采集終端的工作任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，可以降低采集終端的工作能耗和待機(jī)能耗，提高電池的放電容量，延長采集終端的電池使用壽命?？梢詼?zhǔn)確可靠的預(yù)測剩余電量和剩余電池使用時(shí)間，延長電池的使用壽命，可以進(jìn)而減小采集終端的體積。該設(shè)計(jì)方案目前使用在石油、化工等行業(yè)的溫度、壓力等無線儀表上，有效降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和工程維護(hù)成本，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。