一種大范圍無線數(shù)據(jù)采集的同步算法

俞岳軍

（杭州電子科技大學(xué) 計算機學(xué)院，浙江 杭州 310018）

1 無線數(shù)據(jù)采集同步術(shù)語解析

本文提供一種大范圍無線數(shù)據(jù)采集的同步算法。為了便于理解，下面先對本文將要用到的術(shù)語進行解釋。

重量級數(shù)據(jù)：系統(tǒng)需要每次都采集到的核心數(shù)據(jù)，非取到不可的。

輕量級數(shù)據(jù)：系統(tǒng)需要采集到的數(shù)據(jù)，但只要基本上能采到就行，某些周期偶然沒有采到，也不要緊。

密集數(shù)據(jù)：系統(tǒng)需要短間隔、密集采集的數(shù)據(jù)。

稀疏數(shù)據(jù)：系統(tǒng)長間隔才采集一次的數(shù)據(jù)，比如3～5 min一次。

自從計算機誕生以來，數(shù)據(jù)采集一直是它的一個重要任務(wù)，有關(guān)數(shù)據(jù)采集的論文也是數(shù)不勝數(shù)、汗牛塞棟。但總的看來，這些傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)是以一種“很嚴(yán)肅”的態(tài)度對待數(shù)據(jù)的。比如上下位機系統(tǒng)經(jīng)常采用的232總線、485總線[1]，采集數(shù)據(jù)時上位機對某臺下位機發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令，下位機用數(shù)據(jù)作為應(yīng)答；如果下位機沒有及時返回數(shù)據(jù)，上位機還要重發(fā)命令，直到收到下位機回復(fù)數(shù)據(jù)為止；然后繼續(xù)對其余的下位機進行輪詢。這就是傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集算法的常規(guī)套路。也有采用局域網(wǎng)的，原理其實也是一樣的。這些數(shù)據(jù)采集的方法，優(yōu)點是數(shù)據(jù)肯定能完整地采集，缺點也是顯然的：很耗時、系統(tǒng)復(fù)雜成本高。

在很多工作場合，需要實時獲得大范圍的環(huán)境數(shù)據(jù)信息，比如化工類廠房的溫濕度、蔬菜大棚的溫濕度、某些地質(zhì)構(gòu)造的溫度壓力等等，這可能是一個面信息、也可能是一個體信息，信息量比較大。但是，這些數(shù)據(jù)并不是每個都不可或缺的，偶然少幾個數(shù)據(jù)，問題也不大，只要總的方面有所把握就行。并且采集密度也不高，3～5 min采集一次就行了。實際上，這就是“大范圍的輕量級稀疏”數(shù)據(jù)。

這種情況下如果采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)，用485總線或者局域網(wǎng)線布起來，線路眾多復(fù)雜、成本高、軟件編寫復(fù)雜。比如說要布500多個觀測點，如果用網(wǎng)線就要有500多條，如果用標(biāo)準(zhǔn)的485總線[1]，那就要(500/32) +1=16條總線。即使是用最新的485總線技術(shù)，也要用（500/256）+1=2條總線。

2 無線局域網(wǎng)同步技術(shù)

采用無線局域網(wǎng)是一種更好的選擇。目前許多無線芯片功耗極低，自帶電池就可以工作很長時間，安裝方便靈活、不受場地限制。

問題是很多的觀察點又如何和主機進行通信？如果由著它們自由發(fā)送數(shù)據(jù)，射頻信號相互沖突，這樣顯然系統(tǒng)就亂了。必須制訂一種高效的通信協(xié)議才行。

本文提供了一種無線局域網(wǎng)的同步技術(shù)。由以下模塊組成。

2.1 檢測模塊

這是觀察點的具體實現(xiàn)。由基本支撐電路、傳感電路、無線收發(fā)電路組成，負責(zé)數(shù)據(jù)采集和無線發(fā)送。檢測模塊如圖1所示。

圖1 檢測模塊

2.2 數(shù)據(jù)匯集模塊

這是周邊觀察點的數(shù)據(jù)匯集器。由基本支撐電路、無線收發(fā)電路、以太網(wǎng)接口電路組成[2]。負責(zé)數(shù)據(jù)無線接收、整合、有線發(fā)送。數(shù)據(jù)匯集模塊如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)匯集模塊

2.3 時標(biāo)模塊

這是整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時間基準(zhǔn)。由基本支撐電路、無線發(fā)送電路組成，負責(zé)給整個采集系統(tǒng)提供“北京時間”。時標(biāo)模塊如圖3所示。

圖3 時標(biāo)模塊

2.4 數(shù)據(jù)處理中心

帶網(wǎng)絡(luò)接口功能的計算機系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理中心（見圖4）。

圖4 數(shù)據(jù)處理中心

3 工作環(huán)境示范

工作環(huán)境如圖5所示。

圖5 工作環(huán)境示范

4 技術(shù)原理解說

所謂的同步算法，就是說工作環(huán)境中的所有檢測模塊、所有數(shù)據(jù)匯集模塊，都以時標(biāo)模塊發(fā)出的信號為基準(zhǔn)開始工作。

時標(biāo)模塊向各檢測模塊、各數(shù)據(jù)匯集模塊發(fā)出時標(biāo)射頻信號，同步啟動它們；檢測模塊、數(shù)據(jù)匯集模塊開始工作，數(shù)據(jù)匯集模塊接收周邊檢測模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)射頻信號，進行整合，經(jīng)過一個階段的時間，形成一個不一定完整的數(shù)據(jù)幀；各數(shù)據(jù)匯集模塊把各自的不一定完整的數(shù)據(jù)幀發(fā)給數(shù)據(jù)處理中心，形成一個完整的數(shù)據(jù)幀[3]。如此往復(fù)，采集到一系列有價值的數(shù)據(jù)。

對于各檢測模塊，把采集到的數(shù)據(jù)根據(jù)各自的模塊號有序地發(fā)送到各數(shù)據(jù)匯集模塊。而在工作環(huán)境中，數(shù)據(jù)匯集模塊可以是多個，不止一個，對于同一個檢測模塊發(fā)過來的信號，會被多個數(shù)據(jù)匯集模塊接收到，在數(shù)據(jù)處理中心收到多個數(shù)據(jù)匯集模塊發(fā)來的數(shù)據(jù)時，重復(fù)的數(shù)據(jù)可以刪除。

同時，多個數(shù)據(jù)匯集模塊的存在是很有好處的，因為檢測模塊發(fā)出射頻信號的作用距離是有限的，對于一個比較大的工作環(huán)境，會很容易超出這個作用距離。分布多個數(shù)據(jù)匯集模塊可以有效地降低這個風(fēng)險，因為這個數(shù)據(jù)匯集模塊收不到時，可以由其他的數(shù)據(jù)匯集模塊接收到。

實際上，從檢測模塊到數(shù)據(jù)匯集模塊這一步，相當(dāng)于把數(shù)據(jù)進行了壓縮，減少了網(wǎng)絡(luò)有線傳送的流通量。而采用多個數(shù)據(jù)匯集模塊，相當(dāng)于提高了無線信號接收能力。

因為，各檢測模塊都是根據(jù)時標(biāo)同步開啟的，射頻信號是根據(jù)模塊號有序發(fā)送的，所以，它們各自之間是不會相互沖突的。

5 各模塊的通信協(xié)議

首先各模塊打開，進入就緒狀態(tài)，等待時標(biāo)模塊發(fā)出的開始信號。

時標(biāo)模塊的工作流程如圖6所示。

圖6 時標(biāo)模塊的工作流程

時標(biāo)模塊發(fā)出的信息格式如圖7所示。

圖7 時標(biāo)模塊發(fā)出的信息格式

而各檢測模塊的工作流程如圖8所示。

圖8 各檢測模塊的工作流程

檢測模塊的信息格式如圖9所示。

圖9 檢測模塊的信息格式

因為各檢測模塊根據(jù)模塊號延時了相應(yīng)的間隔，才開始干正事，所以，各檢測模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)射頻是不會沖突的，它們相互間錯開了，如圖10所示。

圖10 各檢測模塊發(fā)出的數(shù)據(jù)射頻錯開

考慮到工作時間久了，會發(fā)生時間漂移，所以，工作了一天，讓它們和時標(biāo)模塊重新對表。

各數(shù)據(jù)匯集模塊工作流程如圖11所示。

數(shù)據(jù)處理中心將各個數(shù)據(jù)匯集模塊發(fā)來的信息，刪除重復(fù)的數(shù)據(jù)，進行整合，形成對整個環(huán)境的映像，不斷地記錄映像，就會形成一個時期環(huán)境的數(shù)據(jù)映像。

在實際操作中可以用nRF24L01作為無線發(fā)送模塊。為了減少時間漂移，檢測模塊、數(shù)據(jù)匯集模塊、時標(biāo)模塊應(yīng)采用高精度的有源晶振。

我們用32個檢測模塊，2個數(shù)據(jù)匯集模塊、1個時標(biāo)模塊、1個電腦主機進行了小范圍的測試，效果是很好的。理論上，有500個觀察點，每隔12 ms一個觀察點發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)，那么6 s就可以整個范圍掃描一遍，這是非常理想的方法。

圖11 各數(shù)據(jù)匯集模塊工作流程

各數(shù)據(jù)匯集模塊的數(shù)據(jù)格式如圖12所示。

圖12 各數(shù)據(jù)匯集模塊的數(shù)據(jù)格式

[1]李廣弟.單片機基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1994.

[2]周立功.深入淺出Cortex-M3 LPC178x/177x[Z].廣州：廣州致遠電子公司，2013.

[3]理查德·史蒂芬.TCP/IP協(xié)議詳解卷1[M].吳英，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2008.