基于無線傳感器網絡的數據采集系統研究

金開軍　李疆

摘 要： 設計一種新的基于無線傳感網絡的數據采集系統，其由電源模塊、無線模塊和控制模塊組成。電源模塊為無線模塊和控制模塊提供電能，無線模塊使用智能總線協議或低功耗射頻協議從傳感器中采集數據，控制模塊利用MSP430F4250微處理芯片控制無線模塊的采集工作，并對所采集到的傳感器數據進行處理，處理后的數據將傳回無線模塊，用戶通過控制模塊設置數據交互標準，對無線模塊中處理后的傳感器數據進行提取。實驗結果表明，所設計的系統擁有極小的采集誤差和極低的無線通信誤碼率，較好地實現了設計目標。

關鍵詞： 無線傳感器網絡； 數據采集； 無線通信； 數據處理

中圖分類號： TN915?34； TP393 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）10?0072?03

Abstract： A new data acquisition system based on wireless sensor network （WSN） was designed， which is composed of power supply module， wireless module and control module. The power supply module provides electricity for wireless module and control module. The intelligent bus protocol or low power radio frequency （RF） is utilized in the wireless module to collect the data from sensors. MSP430F4250 microcontroller chip is adopted in the control module to control the data acquisition and process the collected data from sensors. The processed data is delivered back to the wireless module. Users set data interaction standard through the control module and extract the sensor data processed by wireless module. The experimental results show that the designed system has little acquisition error and low bit error rate of wireless communication， has realized the design goal almost.

Keywords： wireless sensor network； data acquisition； wireless communication； data processing

0 引 言

微電子技術和集成電路技術的日益進步，為無線傳感器網絡提供了發展平臺。現如今，無線傳感器網絡已經成為21世紀最重要的科技成果之一，被廣泛應用于數據采集、存儲和處理等領域，對人們的生活方式和工業的技術研究均有著非常深遠的意義[1]。數據采集是無線傳感器網絡中的一項重點研究項目，其涉及到數據采集、控制、無線傳輸和顯示等問題，是加強信息管理、實現數據交互的一種合理解決方法[2?3]。因此，設計一種采集誤差小、無線通信誤碼率低的基于無線傳感網絡的數據采集系統，為人們的生產、生活提供更多便利[4]。

1 基于無線傳感器網絡的數據采集系統研究

1.1 系統節點設計

所設計的基于無線傳感網絡的數據采集系統的基本組成包括電源模塊、無線模塊和控制模塊。其中，無線模塊包括傳感器數據采集和數據傳輸，是系統的基礎模塊；電源模塊和控制模塊將對無線模塊的工作進行協助。圖1為系統節點設計圖，圖2為系統數據采集工作流程圖。由圖1、圖2可知，系統的控制模塊使用MSP430F4250微處理芯片整合用戶的數據采集標準，對無線模塊的采集工作進行控制。無線模塊從傳感器中采集到的符合標準的數據也會經由控制模塊進行處理，處理后的數據將傳回無線模塊，用戶可通過控制模塊設置數據交互標準，對無線模塊中處理過的傳感器數據進行提取。值得注意的是，如果用戶并未提前設置無線模塊的工作標準，系統將自動默認大眾化標準[5]。

電源模塊為無線模塊和控制模塊提供24 V的電能供應。為了將所設計的基于無線傳感網絡的數據采集系統與用戶的有線網絡進行連接，并合理降低系統無線通信誤碼率，電源模塊將提供兩種電能供應方式。

當采集工作的數據量不高并且用戶有線網絡的擴展功能不強時，使用電源適配器進行電能供應，以維持無線模塊傳輸工作的穩定性；否則，將直接使用干電池為系統供電，以降低系統能耗，增強系統便攜性。

1.2 無線模塊設計

為了實現采集誤差小、無線通信誤碼率低的設計目標，要求所設計的基于無線傳感器網絡的數據采集系統應具有以下特點：可進行自動組網；能夠進行傳感器精確定位和數據的高速采集；能夠有規律地發出數據采集請求和數據傳輸請求；保證基本的傳輸安全性和穩定性。

根據上述要求，選取CC2530射頻芯片作為系統無線模塊采集和傳輸工作的終端設備。

CC2530是用于2.4 GHz無線傳感器網絡應用的片上系統解決方案，它能夠以極低的能耗和成本構建性能優良的無線傳感器網絡節點結構，有效保證了系統的采集精度和效率。同時，CC2530擁有6種自動組網運行模式，還配備了8051 微控制器內核和多種規格的可編程閃存，并具有硬件調制功能，整體性能能夠滿足上述要求。CC2530射頻芯片的內部電路簡圖如圖3所示。

由圖3可知，虛線框內共擁有20個外設接口，主要包括天線接口和顯示接口，電源模塊直接為這些接口供電，可提升無線模塊的穩定性。天線接口用于與傳感器和控制模塊的數據溝通，顯示接口用于進行經控制模塊處理后的傳感器數據的傳輸工作。

天線接口和顯示接口均擁有兩種傳輸協議，分別是智能總線協議和低功耗射頻協議。智能總線協議的傳輸距離約為1 220 m，傳輸速率高達9.8 Mb/s，并可同時進行400個無線傳感器網絡節點的傳輸工作；低功耗射頻協議則使用介質訪問控制層進行傳輸，抗干擾能力要高于智能總線協議，但傳輸速率不高。在實際應用中，如果用戶的有線網絡較為穩定，通常默認使用智能總線協議，否則，則會自動切換到低功耗射頻協議。

1.3 控制模塊設計

在所設計的基于無線傳感網絡的數據采集系統中，控制模塊使用MSP430F4250微處理芯片控制無線模塊的采集工作，并對所采集到的傳感器數據進行處理。MSP430F4250微處理芯片最重要的特點就是，它擁有16位的精簡指令集計算機（Reduced Instruction Set Computer，RISC）結構[6]，能夠有效協調系統節點結構、操作方式以及軟硬件編譯的工作進程，最終實現系統采集誤差小、無線通信誤碼率低的設計目標，并進一步降低系統能耗，提高系統工作效率。控制模塊中的MSP430F4250微處理芯片在控制無線模塊進行傳感器數據采集工作時，首先使用CreateFile函數建立一個控制文件[7]，用于進行控制模塊與無線模塊的數據溝通見圖4。

當二者成功溝通后，MSP430F4250微處理芯片將對用戶的數據采集標準進行整合，并將標準作用于無線模塊進行傳感器數據采集工作。隨后，控制模塊將接收無線模塊采集到的傳感器數據，并對數據進行去噪、查錯等處理。由于用戶有線網絡需要接收數字信號，故控制模塊還需要把傳感器數據的模擬信號轉換成數字信號。傳感器數據處理結束后，將傳回控制模塊，經由控制模塊傳遞給用戶使用。

2 實驗分析

2.1 實驗準備

為了合理分析本文設計的基于無線傳感網絡的數據采集系統的采集誤差和無線通信誤碼率是否符合設計目標，現進行一次實驗，實驗現場如圖5所示。

在實驗中控制實驗室的溫度和光照度保持不變，表1為實驗室各無線傳感器節點實際溫度和光照度。

實驗選取基于路由算法無線傳感網絡的數據采集系統（設為參照系統1）和基于分群技術無線傳感網絡的數據采集系統（設為參照系統2），與本文系統共同進行采集誤差和無線通信誤碼率的驗證實驗，并對實驗結果進行分析。

2.2 采集誤差分析

實驗先使用參照系統1、參照系統2和本文系統共同對表1中的編號為1～3的無線傳感器節點進行數據采集，再將三個系統放置在暗箱中，對編號為4，5的無線傳感器節點進行數據采集。將采集到的傳感器數據與表1中數據相減，求得采集誤差并繪制成折線圖，如圖6、圖7所示。由圖6可知，實驗中，參照系統1的溫度采集誤差最高；參照系統2最大和最小的溫度采集誤差分別為1.1 ℃和0 ℃，性能較好；本文系統在黑暗環境下幾乎不受干擾，并且溫度采集誤差范圍為[0 ℃，0.02 ℃]，該誤差可忽略不計。由圖7可知，兩個參照系統的光照度采集誤差均較高，而本文系統的光照度采集誤差僅在黑暗環境下出現小幅度上升，并且誤差絕對值維持在1.0以內。上述實驗分析能夠證明，本文系統擁有極小的采集誤差。

2.3 無線通信誤碼率分析

調節三個系統與用戶有線網絡的距離，計算出三個系統的無線通信誤碼率（誤碼率=傳輸中的誤碼÷傳輸數據的總碼數×100%），列于表2中。

由表2可知，本文系統能夠實現350 m內數據無線通信的精準無誤傳輸，并且當系統與用戶有線網絡相距500 m時，無線通信誤碼率僅為1.3%，與兩個參照系統相比，本文系統擁有極低的無線通信誤碼率。

3 結 論

數據采集涉及到數據采集、控制、無線傳輸和顯示等問題，是加強信息管理、實現數據交互的一種合理解決方法。本文設計一種采集誤差小、無線通信誤碼率低的基于無線傳感網絡的數據采集系統，給出了系統節點以及其中無線模塊和控制模塊的具體設計。實驗表明，本系統擁有極小的采集誤差和極低的無線通信誤碼率。

參考文獻

[1] 劉明偉，張曉濱，楊東山.移動環境下多情景源用戶情景序列的提取[J].西安工程大學學報，2015，29（6）：746?750.

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[3] 任斌，鄭國勛，張哲寧.基于無線傳感網絡的溫度數據采集軟件系統設計與實現[J].長春工程學院學報（自然科學版），2014，15（2）：108?111.

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