基于无线传感器网络的数据采集系统研究_安鹏慧.pdf

SOFTWARE2023软 件第 44 卷 第 1 期2023 年Vol.44,No.1作者简介：安鹏慧（1982）,男,辽宁抚顺人,本科,工程师,研究方向：电气。基于无线传感器网络的数据采集系统研究安鹏慧（中海油天津化工研究设计院有限公司，天津 300131）摘要：近年来,随着国内外科学技术的不断发展,物联网技术作为一门新的信息技术自然也有了极大的发展。物联网技术属于无线传感器技术,作为一类新发展起来的技术被国际科学界广为关注。本篇文章主要是对数据采集系统的设计进行了分析与研究,分析了基于无线传感器网络的数据采集系统网络节点的功能,将该数据采集节点的设计进行了解释与说明。通过实验能够发现,本文所分析的数据采集系统通信成功率十分之高。关键词：无线传感器网络；数据采集；ZigBee 技术；采集节点中图分类号：TN923 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2023.01.043本文著录格式：安鹏慧.基于无线传感器网络的数据采集系统研究J.软件,2023,44(01):157-159Research on Data Acquisition System Based on Wireless Sensor NetworkAN Penghui（CNOOC Tianjin Chemical Research and Design Institute Co.,Ltd.,Tianjin 300131）【Abstract】：In recent years,with the continuous development of science and technology at home and abroad,the Internet of Things technology,as a new information technology,has naturally made great progress.Internet of Things technology belongs to wireless sensor technology.As a newly developed technology,it has been widely concerned by the international scientific community.This article mainly analyzes and studies the design of the data acquisition system,analyzes the function of the network node of the data acquisition system based on wireless sensor network,and explains the design of the data acquisition node.Through experiments,it can be found that the communication success rate of the data acquisition system analyzed in this paper is very high.【Key words】：wireless sensor network;data acquisition;ZigBee technology;acquisition node设计研究与应用0 引言随着计算机网络、无线通信技术、微型电子计算机和传感器技术等学科的迅猛发展产生了一种崭新的短距离无线通信技术无线传感器网络（WSN）1。事实上,无线传感器网络在当前备受关注,被不少相应的学者争相研究。无线传感器网络综合了多门技术,例如：嵌入式系统、信息感知技术等,该网络主要是运用了无线短距离通信技术所构建而成的。ZigBee 技术之所以在无线传感器网络领域里面成为最适合无线传感器网络的技术之一,原因在于其拥有的能耗很低,而且成本也很低,这是该项技术较为显著的优势。基于无线传感器网络的数据采集系统在很多领域都能运用,在未来拥有十分广阔的前景。1 基于无线传感器网络的数据采集系统概述近些年来我国经济与科技不断发展,需要进行数据收集的生产设备不再如同以往那样集中,而且在地域的分布情况也较为广泛,当生产设备处于高温以及高压的情况下,想要处理以及采集数据就显得十分困难,有时候如果遇上极其恶劣的环境,甚至还会有出现危险事故的可能。当所运用的数据采集系统拥有无线传感器网络作为基础时,该系统除了将人工、布线方式里面所呈现出的问题进行解决外,还能让企业的市场竞争力得到极大地提升2。当前,这种数据采集系统除了能对周边的环境信息进行监测之外,还可以将仪表信息进行采集。所有采集到的信息都能够以无线的方式输送到用户终端,人们运用这种无线的方式就能够对当前的信息及时了解以及监控。2 基于无线传感器网络的数据采集系统网络节点的功能设计ZigBee 网络通常由两部分节点组成,一个是数据收158软 件第 44 卷 第 1 期SOFTWARE集节点,另一个是终端节点。在前者里面,数据汇聚节点有且只有一个,剩下的节点全部都是路由节点。2.1 汇聚节点当最开始进行处理时,网络结构在被初始化时需用到 ZigBee 汇聚节点。当完成组网以后,汇聚节点还有以下几个作用：（1）主要起到对数据进行转发的作用,相当于 ZigBee 的路由器；（2）对网络信道管理负责,当有新的终端节点需要绑定时可以对此进行处理。假如选择了安全协议,汇聚节点还可以担当信任中心。2.2 路由节点ZigBee 路由节点的功能通常是将其他节点输送过来的信息转送出去,当处于默认状态时,网络层所选择的通常是网状网格有树形编址。该路由器在经过计算之后,转发信息时会选择最优的路由,如果路由节点里面的内存已经不能再让网状网络顺利运行,该路由节点会自动选择较低一层的树状网络。由于终端节点并非是全天 24h 都在运行,为了保证运行时能顺畅,常常需要休眠。所以,ZigBee 协调器节点以及 ZigBee 路由节点都要将终端节点的有关信息储存下来,全天 24h 都处于开机状态。2.3 终端节点本篇文章的 ZigBee 终端节点不仅是电能表抄表节点,也是温湿度感知节点。在设计一开始的时候,ZigBee 网络所拥有的特性有以下几点：（1）自动组网；（2）当网络里面添加了终端节点以后,数据收集节点就很容易被发现,而且会与数据汇聚节点绑定到一起；（3）终端节点发送感知数据至数据汇聚节点时,其一般是周期性发送的,而且发送的方式通常是端对端应答方式3；（4）当数据在数据汇聚节点以及终端节点两者间进行传输时,其安全性应得到保障。3 无线传感器网络的数据采集节点设计3.1 采集节点硬件设计如图1所示,是集中式采集节点的原理框图,主要由LoRa收发模块、传感器组、微控制单元（Microcontroller Unit;MCU）以及电源模块组成。电源模块直接给采集节点供电,传感器模块的主要功能通常是感知以及采集内部环境的信息数据情况,并且将汇集起来的数据输送到 MCU,这样就能进行数据预处理,而输送的载体通常是 A/D 转换电路或者是 RS485 总线,MCU 又将再次进行处理的数据输送到 LoRa 收发模块中,期间输送的载体通常是串行外设接口总线。最后 LoRa 收发模块会将处理过的信息数据输送到数据汇聚节点上,而这期间的输送载体是 LoRa 无线。到此为止,所有节点的采集流程就结束了。当选择 LoRa 收发模块主芯片时,还需要对其他相应的因素进行考虑,例如：LoRa 芯片的扩频因子、宽带、灵敏度等。通常用到的 LoRa 芯片的性能对比如表 1 所示。将 LoRa 芯片不一样的型号进行对比,能发现型号里面与我国的免授权频段更适宜的型号是 SX1278,而且能够有 6-12 扩频因子被提供。所以,本文的设计里面所使用的主芯片型号就是 SX1278,最终的 LoRa 收发模块除了该芯片以外,还有一些外围电路。3.2 采集节点软件设计采集节点的软件设计部分在以 STM32L051 C8T6 为MCU 的基础上嵌入了 Lorawana 的终端通信协议,并采用了 Class-A 工作模式与汇聚节点进行双向通信。通常节点的软件设计有以下几个功能：节点数据采集以及节点入网。中位置滤波算法就是前一个功能里面的一种。中位值滤波算法4的流程一般有三步：第一步,将待测的环境参数进行采样处理,这里的采样并非一次,而是连续 N 次进行；第二步,将所有采集到的数据收集起来,将这些数据按顺序排序；第三步,将已经排序完成的数据的中间值选取出来,该中间值被定为数据X。中位值滤波算法的结果如公式（1）所示。1()/2,1,2,3kkkyyXkNy+=()，N 为奇数时N 为偶数时 （1）其中,y 是排序完成后的新数组,k 为中位值。4 无线网通信测试4.1 节点通信距离测试节点通信的距离并不仅仅与一个因素有联系,其与很多因素都有联系,例如：节点通信周遭的环境情况、天线的选型情况以及放置天线的高度等5。系统的性能与无线通信的有效距离有极大的联系,本文的系图 1 集中式采集节点原理框图Fig.1 Schematic diagram of centralized acquisition node空气温湿度土壤温湿度光照温度PM25检测负氧离子检测电源模块MCULoRa收发模块RS485A/D转换SPI159安鹏慧：基于无线传感器网络的数据采集系统研究统里对数据采集来说,LoRa 模块收发通信有效距离是特别重要的因素。在实验里面,所选择的 LoRa 无线通信模块是 E32-433-L20 型的,而且这种模块所用的芯片是 SX1278 芯片。利用 LoRa 无线通信模块所拥有的RS485 接口,能够将网络摄像头、DHT11 数字温湿度传感器等并行接入,这样就形成了一个采集节点。对通信成功率以及接收信号的强度指示 RSSI 这两种数据指标进行有效通信距离测试,最终实验结果如表 1 所示。表 1 LoRa 无线通信距离测试Tab.1 LoRa wireless communication distance test通信距离（m）RSSI(dBm)通信成功率500-52100%1000-5699%1500-6398%2000-6797%2500-7295%从上述表格中可以看出,伴随着距离的慢慢增加,通信成功率和 RSSI 都是呈下降的趋势,而且在 2500m范围内的周围环境空旷无遮挡的郊区平地的环境下,通信成功率高达 95%以上。4.2 丢包率测试要想对无线通信数据的有效传输性进行验证,其中最重要的指标就是丢包率。丢包率一般和采集节点周遭的通信环境以及从采集节点发出的数据包长度有联系。在本篇文章的实验里,通信分成两大类,一类是点对点通信；另一类则是多对一通信。这次实验里面,所选择的测试通信的方式是点对点,并且对拥有 10 个字节以及 20 个字节的数据包做丢包率测试。最终点对点丢包率测试结果如表 2 所示。从表 2 能够看出,如果无线通信的距离开始逐渐增加,那么通信成功率将会逐渐降低,这两部分是处于反比的状态。因此,如果数据采集系统所在的环境有着较为复杂的环境,就需要科学、有效地对节点进行采集以及汇聚。5 结论数据采集涉及数据采集、控制、无线传输和显示等问题,数据采集不但能够让数据交互得以实现,也能让信息更易于被管理。本篇文章所提及的数据采集系统是包含了无线传感网络技术的系统,该系统与其他数据采集系统相比有以下优点：拥有更高的通信成功率、对数据进行采集时误差较小。通过一系列的实验也能够发现,本文所提及的数据采集系统拥有极高的通信成功率。参考文献1 于海斌,曾鹏.智能无线传感器网络系统M.北京:科学出版社,2006.2 蔡利婷,陈平华,罗彬,等.基于CC2530的ZigBee数据采集系统设计J.计算机技术与发展,2012,22(11):197-200.3 陈永康,郑笔耕.基于ZigBe