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　　摘要：數(shù)據(jù)采集技術(shù)主要指從傳感器輸出的微弱信號，經(jīng)信號調(diào)理、數(shù)模轉(zhuǎn)換到存儲、記錄這一過程所涉及的技術(shù)。當(dāng)前被廣泛應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集卡大部分以電纜或插槽連接，受到插槽數(shù)不足、安裝不便、傳輸距離等眾多因素的限制。伴隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，使用簡單、分布靈活的無線數(shù)據(jù)采集卡慢慢涌現(xiàn)出來，成為數(shù)據(jù)采集卡新的重要發(fā)展方向。因此，設(shè)計(jì)這種低功耗的基于SIM900A的無線數(shù)據(jù)采集卡，以滿足用戶越來越多的新要求。

　　關(guān)鍵詞：無線采集模塊;數(shù)據(jù)采集;應(yīng)用研究

　　1 無線采集模塊在數(shù)據(jù)采集方面應(yīng)用系統(tǒng)概述

　　1.1 上位機(jī)側(cè)重監(jiān)控功能

　　上位機(jī)系統(tǒng)通常包括數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、工程師站、web服務(wù)器等，這些設(shè)備通常采用以太網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)。根據(jù)安全性要求，上位機(jī)系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)冗余，即配置2臺數(shù)據(jù)采集服務(wù)器，當(dāng)一臺出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)自動切換到另外一臺工作。

　　1.2 下位機(jī)側(cè)重于數(shù)據(jù)采集功能

　　下位機(jī)配置的各種輸入設(shè)備(DI，AI等)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;下位機(jī)接收上位機(jī)的監(jiān)控，并且向上位機(jī)傳輸各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)數(shù)據(jù)交換，通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的重要組成部分。與一般的過程監(jiān)控相比，通信網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中扮演的作用更為重要，這主要因?yàn)閿?shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)控的過程大多具有地理分散的特點(diǎn)，如無線通信機(jī)站系統(tǒng)的監(jiān)控。

　　2 無線采集模塊在數(shù)據(jù)采集的整體結(jié)構(gòu)

　　2.1 無線通信原理

　　基于的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu),主要由三部分構(gòu)成:位于數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集模塊位于各個數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場,由于移動公司的通信范圍已覆蓋我國的絕大部分地區(qū),各數(shù)據(jù)采集模塊可分散地安裝在各種復(fù)雜的地理環(huán)境中而不必考慮線路鋪設(shè)等復(fù)雜的問題。網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心數(shù)據(jù)交換的橋梁。數(shù)據(jù)采集模塊與測量儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,將測量儀表產(chǎn)生的檢測數(shù)據(jù)通過移動基站實(shí)時發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商所提供的GGSN(GatewaySupportNode)服務(wù)器,GGSN分配給數(shù)據(jù)采集終端相應(yīng)的IP地址,從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集終端與Internet的連接,再通過In-ternet網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到位于監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。

　　2.2 數(shù)據(jù)采集模塊的結(jié)構(gòu)

　　數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)檢測儀器與遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的無線數(shù)據(jù)傳輸,模塊以Winbond的高性能單片機(jī)W77E58為控制核心,通過將串口采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)初步處理后傳送給模塊實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信。W77E58是Winbond公司推出的一款快速8051兼容微控制器,它的內(nèi)核經(jīng)過重新設(shè)計(jì),整體運(yùn)行速度要比標(biāo)準(zhǔn)的8051快2.5倍。W77E58具有1KB的片上外部數(shù)據(jù)存儲器和32KB的FLASHEPROM,省去了外擴(kuò)SRAM所需的I/O引腳,從而用來擴(kuò)展鍵盤與液晶顯示屏。W77E58較為突出的特性是它具有兩個增強(qiáng)型全雙工串行口,在數(shù)據(jù)采集模塊中可將一個串口采用RS232協(xié)議與模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,另外一個串口則采用RS485協(xié)議接收檢測儀器發(fā)送的數(shù)據(jù)。RS485是在工業(yè)檢測現(xiàn)場應(yīng)用非常廣泛的現(xiàn)場總線,總線上一臺主機(jī)可以與多達(dá)32臺從機(jī)進(jìn)行通信。在實(shí)際應(yīng)用中可將一臺數(shù)據(jù)采集模塊與多臺檢測設(shè)備通過RS485總線相連,提高通信模塊的利用率,這在電表、水表等低成本的檢測儀表無線通信應(yīng)用中十分重要。

　　無線通信模塊負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收發(fā),無線網(wǎng)絡(luò)通信需要TCP/IP/PPP協(xié)議支持,當(dāng)前常見的模塊可分為自帶TCP/IP協(xié)議棧與不帶協(xié)議棧的兩大類,自帶協(xié)議棧的模塊有Simcom的SIM100,使用方便,用戶只需通過AT指令來控制數(shù)據(jù)傳輸就能實(shí)現(xiàn)無線通信,當(dāng)然價格相對較高;而不帶協(xié)議棧的模塊還需用戶自己在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)嵌入式TCP/IP/PPP協(xié)議棧來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?？紤]到模塊的成本與W77E58高性能,這里選用了西門子的MC35i通信模塊。MC35i穩(wěn)定性及性價比都比較高,接口簡單,AT指令完善,支持CLASS10。使用時只需自行設(shè)計(jì)外圍電路,包括電源供電、RS232通信、SIM卡接口電路以及通信天線。該模塊不帶TCP/IP/PPP協(xié)議,需要自己編寫,在單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)。

　　3 無線采集模塊在數(shù)據(jù)采集卡軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 底層驅(qū)動程序

　　數(shù)據(jù)采集卡硬件部分，通過對ATmega128單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)對溫度、蓄電池電壓等參數(shù)的采集、處理、發(fā)送等功能。采集卡上電復(fù)位后，驅(qū)動軟件先執(zhí)行初始化操作，初始化包括主控芯片的端口，串口波特率(與GSM/模塊串口波特率一致)，EEPROM中的固定參數(shù)，以及GSM/模塊的GSM通道通道設(shè)置，模塊串口設(shè)置。之后主控芯片定時判斷是否有來自遠(yuǎn)程終端或手機(jī)短信的預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)請求命令接口。其外部時鐘電路每分鐘觸發(fā)的一次中斷信號，開始采集傳感器中獲取的數(shù)據(jù)值。當(dāng)有命令傳來時，就組建信息報文，通過串口將報文數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送模塊傳送出去。由于環(huán)境參數(shù)變化緩慢，在外部中斷信號觸發(fā)后，按照約定的采樣間隔采集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)保存在全局緩沖區(qū)中，減少多次調(diào)用采集數(shù)據(jù)指令，減輕了采集系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

　　3.2 終端平臺軟件設(shè)計(jì)

　　終端平臺軟件運(yùn)行于裝有LINUX系統(tǒng)的具有固定IP的計(jì)算機(jī)上。本設(shè)計(jì)選擇LINUX操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺，LINUX最大的特點(diǎn)就是免費(fèi)開源，支持多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)。終端平臺軟件的設(shè)計(jì)，采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，各功能模塊之間功能相互獨(dú)立，其中主程序是整個終端平臺軟件的核心，通過主程序有機(jī)地調(diào)用系統(tǒng)各類子程序及模塊，形成一個聯(lián)系緊密的整體，有條不紊地完成各項(xiàng)預(yù)定的操作指令。終端軟件平臺軟件采用多進(jìn)程多線程編制，實(shí)現(xiàn)對基于的數(shù)據(jù)傳輸模式的數(shù)據(jù)參數(shù)的接收、顯示、存儲和控制。

　　3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)庫對基于的數(shù)據(jù)傳輸模式采集回來的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行存儲，以備日后查看，為用戶存儲原始數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中采用MYSQL數(shù)據(jù)庫，MYSQL是一個開放源碼的小型關(guān)聯(lián)式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，其體積小、速度快、總體擁有成本低，且滿足設(shè)計(jì)需要。

　　其中數(shù)據(jù)透傳測試:

　?、俅蜷_測試軟件“USR-TCP232-Test.exe" ,選擇USR-W600對應(yīng)的端口號，串口默認(rèn)波特率115200，校驗(yàn)位:none，數(shù)據(jù)位8，停止位1，打開串口。

　?、诰W(wǎng)絡(luò)設(shè)置區(qū)選擇TCP Client模式，服務(wù)器IP地址輸入10.10.100.254，此為USR-W600默認(rèn)的IP地址，服務(wù)器端口號8899，此為USR-W600默認(rèn)監(jiān)聽的TCP端口號，點(diǎn)擊連接建立TCP連接。

　　至此，我們就可以在串口和網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)測試了，串口到網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流向是:計(jì)算機(jī)串口→USR-W600串口>USR-W600→Wi-Fi→計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)到串口的數(shù)據(jù)流向是:計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)→Wi-Fi→USR-W600串口→計(jì)算機(jī)串口。具體演示如下圖1所示

　　4 結(jié)語

　　基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用數(shù)據(jù)采集的數(shù)據(jù)庫，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程無線傳輸和監(jiān)控。該系統(tǒng)可以應(yīng)用到流程控制領(lǐng)域的重要裝置和設(shè)備的遠(yuǎn)程在線監(jiān)測和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，還可以對大型機(jī)組或大型設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和在線診斷。——論文作者：馬亮

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