无线采集模块在数据采集方面应用研究

作者:查重猫     发表时间:2020-09-12 15:53:35   浏览次数:18


  摘要:数据采集技术主要指从传感器输出的微弱信号,经信号调理、数模转换到存储、记录这一过程所涉及的技术。当前被广泛应用的数据采集卡大部分以电缆或插槽连接,受到插槽数不足、安装不便、传输距离等众多因素的限制。伴随着无线通信技术的发展,使用简单、分布灵活的无线数据采集卡慢慢涌现出来,成为数据采集卡新的重要发展方向。因此,设计这种低功耗的基于SIM900A的无线数据采集卡,以满足用户越来越多的新要求。

  关键词:无线采集模块;数据采集;应用研究

  1 无线采集模块在数据采集方面应用系统概述

  1.1 上位机侧重监控功能

  上位机系统通常包括数据采集服务器、工程师站、web服务器等,这些设备通常采用以太网联网。根据安全性要求,上位机系统还可以实现冗余,即配置2台数据采集服务器,当一台出现故障时,系统自动切换到另外一台工作。

  1.2 下位机侧重于数据采集功能

  下位机配置的各种输入设备(DI,AI等)进行数据采集;下位机接收上位机的监控,并且向上位机传输各种现场数据。实现上、下位机数据交换,通信网络实现数据采集系统的数据通信,是数据采集系统的重要组成部分。与一般的过程监控相比,通信网络在数据采集系统中扮演的作用更为重要,这主要因为数据采集系统监控的过程大多具有地理分散的特点,如无线通信机站系统的监控。

  2 无线采集模块在数据采集的整体结构

  2.1 无线通信原理

  基于的无线网络通信系统结构,主要由三部分构成:位于数据采集现场的数据采集模块、网络运营商提供网络与远程服务器。数据采集模块位于各个数据采集现场,由于移动公司的通信范围已覆盖我国的绝大部分地区,各数据采集模块可分散地安装在各种复杂的地理环境中而不必考虑线路铺设等复杂的问题。网络是现场数据采集系统与远程监控中心数据交换的桥梁。数据采集模块与测量仪表进行数据通信,将测量仪表产生的检测数据通过移动基站实时发送到网络服务商所提供的GGSN(GatewaySupportNode)服务器,GGSN分配给数据采集终端相应的IP地址,从而实现了数据采集终端与Internet的连接,再通过In-ternet网络将采集的数据发送到位于监控中心的数据采集服务器

  2.2 数据采集模块的结构

  数据采集模块负责检测仪器与远程监测终端的无线数据传输,模块以Winbond的高性能单片机W77E58为控制核心,通过将串口采集到的数据经初步处理后传送给模块实现无线网络通信。W77E58是Winbond公司推出的一款快速8051兼容微控制器,它的内核经过重新设计,整体运行速度要比标准的8051快2.5倍。W77E58具有1KB的片上外部数据存储器和32KB的FLASHEPROM,省去了外扩SRAM所需的I/O引脚,从而用来扩展键盘与液晶显示屏。W77E58较为突出的特性是它具有两个增强型全双工串行口,在数据采集模块中可将一个串口采用RS232协议与模块进行数据通信,另外一个串口则采用RS485协议接收检测仪器发送的数据。RS485是在工业检测现场应用非常广泛的现场总线,总线上一台主机可以与多达32台从机进行通信。在实际应用中可将一台数据采集模块与多台检测设备通过RS485总线相连,提高通信模块的利用率,这在电表、水表等低成本的检测仪表无线通信应用中十分重要。

  无线通信模块负责整个系统的数据收发,无线网络通信需要TCP/IP/PPP协议支持,当前常见的模块可分为自带TCP/IP协议栈与不带协议栈的两大类,自带协议栈的模块有Simcom的SIM100,使用方便,用户只需通过AT指令来控制数据传输就能实现无线通信,当然价格相对较高;而不带协议栈的模块还需用户自己在单片机中实现嵌入式TCP/IP/PPP协议栈来实现数据传输。考虑到模块的成本与W77E58高性能,这里选用了西门子的MC35i通信模块。MC35i稳定性及性价比都比较高,接口简单,AT指令完善,支持CLASS10。使用时只需自行设计外围电路,包括电源供电、RS232通信、SIM卡接口电路以及通信天线。该模块不带TCP/IP/PPP协议,需要自己编写,在单片机中实现。

  3 无线采集模块在数据采集卡软件设计

  3.1 底层驱动程序

  数据采集卡硬件部分,通过对ATmega128单片机编程实现对温度、蓄电池电压等参数的采集、处理、发送等功能。采集卡上电复位后,驱动软件先执行初始化操作,初始化包括主控芯片的端口,串口波特率(与GSM/模块串口波特率一致),EEPROM中的固定参数,以及GSM/模块的GSM通道通道设置,模块串口设置。之后主控芯片定时判断是否有来自远程终端或手机短信的预设的数据请求命令接口。其外部时钟电路每分钟触发的一次中断信号,开始采集传感器中获取的数据值。当有命令传来时,就组建信息报文,通过串口将报文数据通过无线发送模块传送出去。由于环境参数变化缓慢,在外部中断信号触发后,按照约定的采样间隔采集数据。数据保存在全局缓冲区中,减少多次调用采集数据指令,减轻了采集系统的负担。

  3.2 终端平台软件设计

  终端平台软件运行于装有LINUX系统的具有固定IP的计算机上。本设计选择LINUX操作系统作为软件开发平台,LINUX最大的特点就是免费开源,支持多用户、多任务、支持多线程和多CPU的操作系统。终端平台软件的设计,采用了模块化的设计思想,各功能模块之间功能相互独立,其中主程序是整个终端平台软件的核心,通过主程序有机地调用系统各类子程序及模块,形成一个联系紧密的整体,有条不紊地完成各项预定的操作指令。终端软件平台软件采用多进程多线程编制,实现对基于的数据传输模式的数据参数的接收、显示、存储和控制。

  3.3 数据库设计

  数据库对基于的数据传输模式采集回来的数据参数进行存储,以备日后查看,为用户存储原始数据。本设计中采用MYSQL数据库,MYSQL是一个开放源码的小型关联式数据库管理系统,其体积小、速度快、总体拥有成本低,且满足设计需要。

  其中数据透传测试:

  ①打开测试软件“USR-TCP232-Test.exe" ,选择USR-W600对应的端口号,串口默认波特率115200,校验位:none,数据位8,停止位1,打开串口。

  ②网络设置区选择TCP Client模式,服务器IP地址输入10.10.100.254,此为USR-W600默认的IP地址,服务器端口号8899,此为USR-W600默认监听的TCP端口号,点击连接建立TCP连接。

  至此,我们就可以在串口和网络之间进行数据收发测试了,串口到网络的数据流向是:计算机串口→USR-W600串口>USR-W600→Wi-Fi→计算机网络,网络到串口的数据流向是:计算机网络→Wi-Fi→USR-W600串口→计算机串口。具体演示如下图1所示

  4 结语

  基于数据采集系统,利用数据采集的数据库,从而实现了数据的远程无线传输和监控。该系统可以应用到流程控制领域的重要装置和设备的远程在线监测和远程数据传输,还可以对大型机组或大型设备进行监控和在线诊断。——论文作者:马亮

  相关期刊推荐:《数据采集与处理》由中国电子学会、中国仪器仪表学会所属信号处理学会,中国仪器仪表学会、中国物理学会所属微弱信号检测学会和南京航空航天大学联合主办,内容范围:(1)数字信号处理的新理论、新算法;(2)谱分析、谱估计与高阶谱分析;(3)小波理论、神经网络、免疫算法;(4)自适应滤波及应用;(5)DSP、FPGA及软件无线电;(6)水声信号与阵列信号处理;(7)雷达、声纳信号处理;(8)生物医学信号处理;(9)计算机视觉与可视化;(10)人工智能与模式识别;(11)导航与现代通信技术;(12)图像分析、理解、分割与识别,图像编码、压缩与传输;(13)数据挖掘与知识发现。

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