基于WiFi的分布式無線數據采集系統(tǒng)

王杰 韓杰（安徽工程大學電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000）

0 引言

電子測控信息技術的快速發(fā)展，對數據采集的精準度、效率都急劇增加。以往的數據采集技術及傳輸技術長伴有功耗大、儀器笨重、有安全隱患等問題。然而，現代工業(yè)往往需要更大的數據采集量，更安全、更復雜、更穩(wěn)定的數據采集和惡劣環(huán)境下的數據分析方法，這些越來越復雜環(huán)境，使得原本的測控裝備根本無法滿足現代工業(yè)對數據的需求。數據采集應用范圍逐漸擴大，更需要一種更為簡潔、高效、安全、高性價比的傳輸方式來取代傳統(tǒng)的數據傳輸系統(tǒng)。而WiFi具有成本低廉、實時通信效果好、組網方式多樣便捷、抗干擾能力強等優(yōu)點，是一種非常有前景的備選方案[1]。

本文采用MS SQL Server數據庫，將無線傳輸技術作為核心設計理念，運用C#語言，設計了一套分布式數據采集系統(tǒng)。 該系統(tǒng)由上而下可分為三個子系統(tǒng)。 終端操作系統(tǒng)具有良好的人機交互功能，可以實現對實驗設備的監(jiān)控和基本的數據操作功能。中間部分是數據傳輸通道，該通道由現在主流的嵌入式無線模塊構成，傳輸協(xié)議可由專門軟件進行編寫，其傳輸過程穩(wěn)定，數據安全系數高，較為可靠。系統(tǒng)底端實現對數據的采集功能系統(tǒng)不需要重新設定程序進行調整，具有較強的可移植性，且續(xù)航時間長，數據傳輸距離遠，數據傳輸穩(wěn)定，具有較高的理論和價值。

1 無線數據采集系統(tǒng)

文章所設計的系統(tǒng)從上到下由三個部分組成：上層的數據分析軟件、中層的數據傳輸通道還有下層的數據采集硬件。在系統(tǒng)的頂端，數據分析軟件主要起到在線實時的監(jiān)控，控制下端硬件系統(tǒng)的功能；中間層是WiFi傳輸通道，通過對IP，MAC地址的設置，每條通道獨立傳輸數據，無冗余。底層的數據采集模塊用于數據采集，同時將實時數據通過中層的數據傳輸網絡上傳至人機交互頁面。系統(tǒng)各部分都具有信號轉化、交換的功能。下位機數據采集模塊包含三個信號傳輸通道，之間相對獨立。首先，數據收集模塊將采集到的信號接收并將其轉換成電信號，然后經由單片機系統(tǒng)，通過提前備好的信號處理程序處理，將模擬信號轉換成數字信號。隨后單片機將處理好的數據經由WiFi通信模塊傳送至路由器。最終數據會被傳輸到系統(tǒng)應用層的數據分析軟件，操作員由人機交互頁面終端實現對數據的簡單操作及存儲[2]。

1.1 硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)有電源、信號轉化、控制等模塊。供電系統(tǒng)采用傳統(tǒng)鋰電池，電源穩(wěn)定。系電源控制模塊可以實時監(jiān)控電量使用情況，包括對電量的檢測及顯示。系統(tǒng)可以通過對電池電壓值的改變來進一步控制顯示燈的狀態(tài)。電池狀態(tài)可以實時顯示，并由操作者進行監(jiān)控，保證系統(tǒng)正常有序的運行。系統(tǒng)A/D范圍為-2.56～+2.56，若采集的數據處于這一區(qū)間，則可以直接進行數據處理，若采集的數據超出這一區(qū)間，則需要對收集到的數據進行調理轉換，以保證采集到的所有數據均位于系統(tǒng)可接收的區(qū)間范圍內。運算處理好的數據由WiFi模塊送至路由器，隨后可與路由器處于同一網絡環(huán)境下的上位機進行數據交互。每個單位的采集模塊均有預先設定好且唯一的MAC地址及IP地址，有利于設備組網，多臺設備同時進行數據采集工作[3]。

1.2 軟件系統(tǒng)

無線數據采集系統(tǒng)的源碼是使用C#語言進行編寫的，操作環(huán)境為Windows 10。該系統(tǒng)的主要功能有：一鍵配網、網頁更新程序OTA、在線數據分析等。該系統(tǒng)的軟件部分與硬件部分緊密聯系，可實現對目標環(huán)境的數據收集、記錄、儲存和上傳。系統(tǒng)軟件界面人性化程度較高，并采用十分標準的數據處理方案。它支持遠程監(jiān)控，一鍵操作，高速的處理速度，并產生良好的用戶體驗。人機交互界面可以實現對數據采集系統(tǒng)的遠程監(jiān)控和操作，可以在線進行設備操作，查看、修改設備信息。

2 基于WiFi模塊的數據采集系統(tǒng)的優(yōu)點

本系統(tǒng)數據分析軟件采用可同時支持高度和低速采集模式的通用平臺。多線程編程，運行速度快，采集速度快，最快采集速度可達上百赫茲每秒。系統(tǒng)具有強大的擴展性能，由于現有的數據采集系統(tǒng)多為企業(yè)定制，系統(tǒng)在靈活性上受到較為嚴格的限制。但是，該系統(tǒng)不僅具有設備上原有的數據傳輸接口，還可以根據需要對系統(tǒng)進行擴展。理論上來講，可實現對無限數量的智能數據探測器模塊的擴展功能。另外，系統(tǒng)的可移植性，環(huán)境適應性高，基本不受施工環(huán)境的影響，擺脫了傳統(tǒng)系統(tǒng)施工周期大，強度高的弊端。新系統(tǒng)在耗能上也有較大的優(yōu)化，以往的系統(tǒng)往往采用同軸電纜、雙絞線、光纖電纜等作為數據傳輸中介，不僅花費較大，而且會有損耗。系統(tǒng)具有網絡斷線自動重連功能，若由于信號或者其他原因導致通訊中斷，系統(tǒng)會自動請求重連，并且有相應的信號提示。在重連成功后，系統(tǒng)會自動繼續(xù)通訊中斷前的數據傳輸操作[4]。

3 結論

文章介紹了一種基于無線傳輸模塊的分布式數據采集系統(tǒng)。系統(tǒng)以現有的數據采集系統(tǒng)的基本架構為設計思路，將WiFi無線數據傳輸技術加入系統(tǒng)中，并對其進行優(yōu)化，使之具有以往采集系統(tǒng)不具備的優(yōu)勢。該系統(tǒng)可以適應惡劣的施工環(huán)境，大大縮短施工周期，且具有較高的數據采集效率，在數據收集量、收集質量等方面都有較大的提高，具有很高的研究價值和使用價值。