基于WIA-PA無線網絡的采集終端設計概論

劉東 張鋒

1. 奧維通信股份有限公司 遼寧 沈陽 110179；2. 沈陽中科奧維科技股份有限公司 遼寧 沈陽 110179

1 技術背景

近年來物聯網技術的迅速發展，針對物聯網技術的采集終端應運而生，這些采集終端主要提高人的泛在感知，為自動控制或人工干預控制提供識別數據。可以說物聯網中的采集終端是將自動化技術、通信技術、信息技術進行的一個融合。

工業無線網絡WIA技術是由中科院沈陽自動化所推出的具有自主知識產權的高可靠、超低功耗的自組織多跳智能無線傳感器網絡技術[1]。工業無線網絡WIA技術具有的低成本、低功耗及中短距離通信等特點[2]。

目前的采集終端設計沒有將各個硬件單元進行統一的管理；或者無線單元只是無線收發功能或者只有簡單的網絡管理功能，沒有很好的網絡管理來避免干擾帶來的數據重傳進而引起的能耗增加；或者采集板卡和無線單元始終是一個并行的工作關系，在軟件上沒有很好的管理機制導致能耗的增加。

2 采集終端硬件設計

采集終端主要由WIA-PA無線通信單元（以下簡稱“無線通信單元”）、主控單元、傳感器單元、顯示單元、電池組成。

無線通信單元通過GPIO觸發主控單元啟動AD采集；主控單元通過GPIO通知無線通信單元AD采集完畢并啟動主控單元串口進入發送模式、無線通信單元進入接收模式；無線通信單元觸發主控單元進入休眠狀態、從休眠狀態喚醒、串口數據交互。

主控單元通過串口連接到無線通信單元，主控單元內部通過信號調理電路將模擬信號進行放大處理，再進行AD轉換。主控單元內部具有溫度采樣功能，根據溫度區間、AD轉換的數字量、采集終端的校準表，主控單元計算出當前采集的物理量大小。主控單元通過GPIO連接顯示單元，控制顯示單元顯示物理量和相關的告警信息、采集終端的儀表參數信息等。主控單元通過供電接口連接電池。

圖1 采集終端原理框圖

電池通過GPIO與無線通信單元連接，通過硬件連接，接受無線通信單元的控制實現對主控單元、傳感器單元、顯示單元的供電控制，電池通過電源接口與無線通信單元、主控單元、傳感器單元、顯示單元連接并供電。

3 采集終端軟件設計

采集終端上電后無線通信單元上電程序啟動，無線通信單元根據既定的采集間隔T判斷采集模式是屬于間斷采集還是密集采集，采集間隔T小于Tth采集間隔門限值，則認為采集終端進入密集采集模式。

無線通信單元采集任務啟動后將啟動定時器，定時器定時到達后，無線通信單元判斷此次采集是否為上電初次采集。如果是初次采集，無線通信單元控制供電控制電路給主控單元供電，同時控制電池的傳感器單元供電控制電路給傳感器單元供電；如果不是初次采集，無線通信單元控制主控單元從休眠模式喚醒，同時控制電池的傳感器單元供電控制電路給傳感器單元供電。

主控單元將AD采集來的數字量轉換成物理量并控制顯示單元顯示當前采集的物理量。主控單元通過串口將轉換完成的物理量發送到無線通信單元，無線通信單元通過中斷觸發的方式控制主控單元進入休眠模式。無線通信單元將主控發送來得數據通過無線的方式轉發到無線網絡，此次采集任務結束。

如果采集間隔T大于Tth采集間隔門限值，則認為采集終端進入間斷采集模式。定時器定時到達后，無線通信單元控制主控單元供電，同時控制傳感器單元供電。

上電完成后，無線通信單元觸發主控單元啟動采集任務。主控單元采集完畢后，觸發通知無線通信單元；無線通信單元控制電池的傳感器單元供電控制電路關閉傳感器單元供電。主控單元將AD采集來的數字量進行查表計算轉換成物理量并控制顯示單元顯示當前采集的物理量。

主控單元通過串口將轉換完成的物理量發送到無線通信單元，關閉主控單元的供電。無線通信單元將主控發送來得數據通過無線的方式轉發到無線網絡，此次采集任務結束。

4 結束語

WIA-PA無線通信單元對采集終端的工作任務進行統一管理，可以降低采集終端的工作能耗和待機能耗，提高電池的放電容量，延長采集終端的電池使用壽命。可以準確可靠的預測剩余電量和剩余電池使用時間，延長電池的使用壽命，可以進而減小采集終端的體積。該設計方案目前使用在石油、化工等行業的溫度、壓力等無線儀表上，有效降低了產品的生產成本和工程維護成本，帶來巨大的經濟效益和社會效益。