本论文主要结合远程无线通信技术, 对远程无线数据采集系统进行设计研究, 以期从中能够找到合理可靠的无线数据采集及远程无线通信系统的设计模式, 并以此和广大同行分享。
1 系统总体设计
为了使本论文所研究的远程无线数据采集系统更具有针对性, 这里选用Zigbee技术作为远程无线通信的核心技术, 具体应用场合是实现对电力塔的环境参数实现远程无线采集与传输。
(1) Zigbee技术概述。
Z ig b ee的基础是I EE E 80 2.15.4, 这是I E E E无线个人区域网 (P e r s o n a l A r e a Network, PAN) 工作组的一项标准, 被称作IEEE802.15.4 (Zigbee) 技术标准。Zigbee主要应用在短距离范围之内并且数据传输率不高的各种电子设备之间。其典型的传输数据类型有周期性数据 (如传感器数据) , 间歇性数据 (如照明控制) 和重复性低反应时间数据 (如鼠标) 。根据Zigbee联盟目前的设想, Zigbee的目标市场主要有PC外设 (鼠标, 键盘, 游戏操控杆) , 消费类电子设备 (TV、VCR、CD、VCD、DVD等设备上的遥控装置) , 家庭内智能控制 (照明, 煤气计量控制及报警等) , 玩具 (电子宠物) , 医护 (监视器和传感器) , 工控 (监视器、传感器和自动控制设备) 等非常广阔的领域。
(2) 系统总体结构与功能设计。
在每个电力塔上安装一个基于Zigbee技术嵌入式无线数据采集模块, 该嵌入式无线数据采集模块可以采集该电力塔周围环境的温度, 风力, 图像等数据, 通过基于Zigbee技术的RF无线收发网络将数据无线发送给下一个电力塔上安装的嵌入式无线数据采集模块, 以中继的方式, 传送给第三个电力塔上的嵌入式无线数据采集模块, 一直传到监控系统的控制主机。这样, 维护人员从后台中心的电脑上就能得到终端采集模块所采集的数据, 能够及时了解所需监控的电力塔周围环境的温度, 风力和电线是否完好的情况, 以达到监护整个电力传输系统的目的。
在本系统中, 无线数据采集模块主要由传感器模块、处理器模块、ZigBee模块和电源模块四部分组成的。传感器模块 (包括数字温度传感器及其驱动接口电路, 摄像头及其接口电路) 负责电力塔区域内温度和图像的采集和数据转换;处理器模块 (微控制器) 负责控制整个传感器节点的操作, 存储和处理本身采集的温度数据图像数据以及其他节点发来的数据;ZigBee模块用于接收和发送无线信号, 与无线传感器网络终端节点进行无线通讯, 主要包括射频和基带两部分, 前者提供数据通信的空中接口, 后者主要提供链路的物理信道和数据分组;电源模块为传感器节点供电, 通常采用微型电池。微控制器作为传感器节点运转的“心脏”, 在上面运行着嵌入式系统软件, 从而对另外三个单元的工作进行控制。
2 基于Zigbee技术的远程无线数据采集系统的实现
2.1 无线数据采集模块的设计实现
由于环境参数一般数据的变化较为缓慢, 所以系统对数据实时性的要求并不是很高, 为减小网络资源利用冲突, 本系统采用轮询的方式进行数据采集。采集模块定时向下位机发送查询包, 下位机转发给各个控制器, 控制器返回相应的传感器数据和设备状态。
系统设计中为避免每次读取数据库中配置信息来获取下位机及设备等的信息, 在内存中建立了树形的数据结构, 可方便的定位到某设备的信息以便执行相应处理。轮询过程中, 模块首先按照树形结构的监控区域轮询该区域内传感器温湿度参数, 计算该区域的平均温湿度值, 作为虚拟的传感器温湿度值存入数据库中。然后模块继续轮询各设备状态, 获取最新的设备状态。
数据采集与控制模块作为后台线程运行, 保证前台与后台的分离。服务器通过以太网与各下位机进行通信, 一般设置下平均每60秒执行一次数据采集, 所以运行过程中服务器与客户端的通信较为频繁。另外, 电力塔环境参数的数据包大小一般都较小, 对带宽的要求也较小。基于以上应用特点, 本系统采用TCP作为传输层协议, 并通过建立sockct来连接服务器和下位机。由于频繁的打开、关闭socket连接会降低系统效率, 而一个应用系统中下位机的数目不会很大, 局域网条件下完全可以胜任所有下位机同时连接的情况, 所以系统采用保持连接的Socket进行通信。服务器启动时根据下位机IP地址等配置信息连接各个下位机, 然后运行过程中时钟保持连接, 遇到意外断开后则通过尝试重连来恢复。上位机保存每个已经建立的套接字并在内存中与相应的下位机的配置信息相对应, 以便在向不同下位机发送指令时能准确找到对应的Socket。
2.2 无线通信传输机制的实现
连接建立的流程是, 主控节点首先广播地址码, 选择特定的终端并发送采集命令, 数据终端返回包括其地址信息的确认帧并执行采集并存储数据;主控节点接收到确认帧后, 提取地址等有用信息进行验证, 若验证通过, 则点对点连接建立;若验证未通过, 则尝试重新建立连接的操作。
连接建立后, 开始进行数据传输。数据传输方式是基于一种“反馈重发协议”的思想:待传输的数据帧按先后顺序附加上帧号, 数据终端收到主控节点的数据请求后每发送一个数据帧, 即等待主控节点的应答:主控节点接收到这一数据帧后, 把实际帧序号与期望帧序号相比较, 并进行纠错码校验, 如果验证通过, 则返回数据确认帧, 并要求数据终端传输下一数据帧;如果验证未通过, 说明数据发送错误, 则返回出错重传帧, 要求主控节点重传该帧;如果收到数据确认帧, 则继续传送下一数据帧, 直到传输结束。如果传送超时或者出错超过三次, 即放弃传送并报告错误。
3 结语
本文主要探讨了基于ZigBee技术实现的远程无线数据采集系统, 给出了系统实现远程无线数据采集和数据传输的实现方案, 并重点分析了数据采集模块和无线传输模块的设计与实现, 对于应用在不方便实现有线网络实施数据采集和传输, 以及远程无线数据传输的应用场合具有重要的参考借鉴意义。更加完善的远程无线数据传输系统还有待于广大通信技术工作人员的共同努力才能够最终实现远程无线通信技术的广泛应用。
摘要：针对远程无线通信的飞速发展, 本论文结合对电力塔环境参数的具体要求, 详细设计研究了远程无线数据采集系统, 在简单分析和设计了系统的总体结构和功能设计方案的基础上, 重点探讨研究了远程无线数据采集功能的实现, 从数据采集和远程无线传输通信两个角度详细论述了远程无线数据采集系统的实现, 对于进一步提高我国在远程无线数据采集传输领域的研究应用水平具有一定借鉴意义。
关键词：远程通信,无线通信,数据采集,Zigbee
参考文献
[1] 马明建.数据采集与处理技术[M].西安:西安交通大学出版社, 2005.
[2] 吕志安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2008.