無線傳感器網絡分布式數據高速采集系統設計

2021-09-10 07:22:44任遠林李艷華聶凱

廊坊師范學院學報(自然科學版) 2021年1期

任遠林李艷華聶凱

【摘? ?要】? ?為了提高無線傳感器網絡分布式數據采集能力，設計基于集成DSP的無線傳感器網絡分布式數據高速采集系統。系統由傳感信息融合模塊、時鐘控制模塊、電源模塊、DSP集成控制模塊和人機交互模塊等組成。構建無線傳感器網絡分布式數據高速采集的信息處理模型，通過VIX總線處理技術對采集到的數據進行交互控制，在ARM嵌入式微處理器和集成DSP中實現數據的高速處理，在AD模塊中實現數據轉換和自動控制指令加載，在此基礎上進行采集系統的接口設計和人機交互設計，以提升數據采集效率與質量。仿真結果表明，采用該系統進行無線傳感器網絡分布式數據高速采集的輸出穩定性較好，數據采集準確性較高，抗干擾性較強。

【關鍵詞】? ?無線傳感器;分布式數據;高速采集;微處理器;人機交互

Design of Distributed High-speed Data Acquisition System

for Wireless Sensor Network

Ren Yuan-lin，Li Yan-hua，Nie Kai

（School of Applied Engineering，Anhui Business and technology College，Hefei 231131，China）

【Abstract】 In order to improve the distributed data acquisition capability of wireless sensor networks， a high-speed distributed data acquisition system based on integrated DSP is designed. The system consists of sensor information fusion module， clock control module， power supply module， DSP integrated control module and human-computer interaction module. This paper constructs an information processing model of high-speed distributed data acquisition in wireless sensor networks. The collected data are controlled interactively by VIX bus processing technology. The high-speed data processing is realized in ARM embedded microprocessor and integrated DSP. Data conversion and automatic control instruction loading are realized in AD module. On this basis， the interface design and human-computer interaction design of the acquisition system are carried out In order to improve the efficiency and quality of data collection. The simulation results show that the system has good output stability， high data acquisition accuracy and strong anti-interference performance.

【Key words】wireless sensor; distributed data; high-speed acquisition; microprocessor; human-computer interaction

〔中圖分類號〕? TN710 ? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A ? ? ? ? ? ? ?〔文章編號〕 1674 - 3229（2021）01- 0000 - 00

0? ? ?引言

采用無線傳感器網絡采集環境數據，以此為基礎構建環境信息的實時監測和傳感融合跟蹤模型，能夠提高對環境信息和物理信息的感知識別能力，通過無線傳感網絡的自適應重組，并進行環境信息的實時監測和探測，構建無線傳感器網絡分布式數據高速采集系統，實現對數據的信息融合和特征提取，研究無線傳感器網絡分布式數據高速采集系統，在提高無線傳感器網絡數據分布式融合特征重組和數據輸出的穩定性方面具有重要意義[1]。

對無線傳感器網絡數據自動采集是通過無線傳感器網絡輸出的可靠性參數分析和特征量化參數尋優實現的[2-3]，在ARM Cortex-M3內核中進行無線傳感器網絡分布式數據采集系統的嵌入式開發，能夠提升數據采集質量。當前文獻[4]通過對ZigBee路由協議進行研究，通過對優化ZigBee網絡中傳感器節點間的傳輸時延、均衡節點的能耗提出相應的改進意見。然后利用改進后的ZigBee路由協議設計了一個無線傳感器網絡數據采集系統。文獻[5]設計一種新的基于無線傳感網絡的數據采集系統，該系統由電源模塊、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，將處理后的數據將傳回無線模塊，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。但傳統的數據采集系統進行無線傳感器網絡分布式數據高速采集的輸出穩定性差，可靠性不高，針對上述問題，本文提出基于集成DSP的無線傳感器網絡分布式數據高速采集系統設計方法。設計的數據高速采集系統有傳感信息融合模塊、時鐘控制模塊、電源模塊、DSP集成控制模塊和人機交互模塊等，最后通過仿真實驗驗證本文系統設計方法在提高無線傳感器網絡分布式數據高速采集穩定性和輸出可靠性方面的優越性能。

1? ? ?系統總體設計構架和功能分析

為了實現無線傳感器網絡分布式數據采集系統的優化設計，需要進行系統的總體設計構架構建。首先分析無線傳感器網絡分布式數據采集系統的總體結構模型，設計的數據高速采集系統由傳感信息融合模塊、時鐘控制模塊、電源模塊、DSP集成控制模塊和人機交互模塊等組成[6]。在無線傳感器網絡分布式數據高速采集系統的基陣模塊中，采用信號放大設計，實現對無線傳感器網絡分布式數據高速采集輸出信息的融合處理，在AD模塊中實現對無線傳感器網絡分布式數據轉換控制，提高無線傳感器網絡分布式數據的輸出抗干擾能力，通過模糊度檢測和信息融合的方法，實現對無線傳感器網絡分布式數據高速采集系統的抗干擾調節，根據上述系統設計描述，具體的無線傳感器網絡分布式數據采集系統的總體設計架構如圖1所示。

根據圖1所示的無線傳感器網絡分布式數據采集系統的總體設計架構，通過分塊組合控制和DSP集成信息處理的方法，建立無線傳感器網絡分布式數據采集系統的分組融合和信息處理模型[7-8]，得到無線傳感器網絡分布式數據采集系統的組網結構模型，具體如圖2所示。

采用GPRS SIM300轉換器作為采集系統的低功耗信息處理器，實現對無線傳感器網絡分布式數據采集的輸入原始信息跟蹤采樣[9]。無線傳感器網絡分布式數據高速采集的傳感器節點分布如圖3所示。

2? ? ?系統算法和硬件設計

2.1? ?系統算法設計

在上述進行無線傳感器網絡分布式數據采集系統的總體架構設計與分析的基礎上，構建無線傳感器網絡分布式數據高速采集的信息處理模型，采用多元信息跟蹤和特征分布式融合的方法[10-13]，得到無線傳感器網絡分布式數據高速采集的信道配置參數模型為：

[xi=xm+i-mT?Xm+vi，i=1，2，…，m] （1）

其中，[Xm=x1，x2，…，xmT]表示分布式數據高速采集的[k-1]個節點到[k]個節點的信號容量，[vi]表示分布式數據高速采集的隸屬度分布誤差;[xm]表示同一時刻分布式數據高速采集的信號強度。在最優化的網格聚類下，通過大數據聚類的方法，對采集的無線傳感器網絡分布式數據進行樣本聚類分析，得到無線傳感器網絡分布式數據高速采集后的輸出能量參數為：

[ETxk，d=Eelec?kxi+εamp?k?d2]? ? ?（2）

其中，[Eelec?k]表示分布式數據高速采集輸出[k]比特數據包的能量消耗;[εamp]表示無線傳感器網絡分布式數據融合的離散度，[d]表示數據采集所消耗的擴散能量。在不確定模型與外部干擾因素作用下，得到無線傳感網絡的Sink節點調度下，采用能量均衡配置的方法，構建無線傳感網絡節點動態尋優模型，得到數據采集后的輸出關聯參數為：

[x=M-l=1nETxk，dxlpc]? ? ? ? ? ? ?（3）

其中，[M]為先驗數據分布概率密度，[pc]表示無線傳感器網絡節點的輪換迭代次數，在時間段[Si-1，Si]內，采用窗口匹配的方法得到無線傳感器網絡分布式數據采集和調度的自相關匹配集為：

[Exi-x=i=1np2cxi-x2+2i=1npcxi2-x2] （4）

以能耗輸出最小為約束參數，在最大發射功率[pi*]的約束下，得到無線傳感器網絡分布式數據采集的量化參數匹配集為[（xp，yp）]，對任意點[p]，采用自適應參數識別方法，得到數據采集的輸出時間延遲為：

[tcomm′=tACK/Exi-x]? ? ? ? ?（5）

其中，[tACK]表示第一個子節點第一個數據包到達的時間。對無線傳感器網絡分布式數據采集節點Sink，得到節點[i]進行數據采集的有效率為：

[PTX=Exi-xtcomm-tACKPR-start]? ? ? （6）

其中，[PR-start]表示無線傳感器網絡分布式數據參數估計誤差，向量[x=[x1x2...xk]]表示無線傳感器網絡分布式數據采集的調制向量，采用陣列內插技術，對采集的傳感器數據[M1]，[M2][…][MN]進行輸出可靠性調度，得到無線傳感器網絡分布式數據高速采集的輸出功率損失為：

[Ecomm=PTX-PR-starttcomm+tACKExi-x]? ? ? （7）

假設無線傳感器網絡分布式數據高速采集節點[i]傳輸數據到[j]的總到達率為[xiri（x）pji（x）]，無線傳感器網絡分布式數據高速采集的閉環參數為：

[ηcomm=xiri（x）pji（x）Ecomm]? ? ? ? ?（8）

綜上分析，實現對無線傳感器網絡分布式數據高速采集的可靠性參數識別和融合處理。

2.2? ?系統硬件設計

在上述建立數據采集和信息處理的算法基礎上，在ARM嵌入式微處理器和集成DSP中實現對分布式數據的高速處理，并利用通過VIX總線處理技術實現對無線傳感器網絡分布式數據高速采集后的數據交互控制設計。

在ARM Cortex-M3內核中進行無線傳感器網絡分布式數據采集系統的嵌入式開發，以總線接口軟件作為I/O控制的底層數據裝置，建立無線傳感器網絡分布式數據采集系統的AD模塊，AD模塊的硬件電路設計如圖4所示。

采用A/D轉換器和D/A轉換器構建無線傳感器網絡分布式數據采集的輸出控制裝置，采用多維傳感跟蹤識別的方法，實現無線傳感器網絡分布式數據采集系統的人機交互控制，在AD模塊中實現數據轉換和自動控制指令加載[14-15]，實現無線傳感器網絡分布式數據高速采集系統的接口設計，得到系統的硬件集成設計如圖5所示。

3? ? ?仿真測試分析

實驗中，無線傳感網絡的點分布結構為140m*140m，數據采集的時間間隔為12.68ms，相位補償為12.5rad，稀疏向量的維度為15，數據采集的節點數目取1、3、5、9，由此得到在VIX總線控制下傳感器網絡分布式數據采集輸出如圖6所示。

根據上述輸出分析，測試不同系統的無線傳感器網絡分布式數據高速采集的誤差，得到對比結果如圖7所示。

分析圖7得知，本文系統的數據采集誤差率始終處于0.3以下，且波動幅度較另兩種系統小，表明本文所設計系統進行分布式數據高速采集的準確率較高。

4? 結語

為提升無線傳感器網絡分布式數據采集能力，本文設計了一種新的基于集成DSP的無線傳感器網絡分布式數據高速采集系統。分析無線傳感器網絡的分布式數據分布特征，實現對數據的信息融合和特征提取，在AD模塊中實現數據轉換和自動控制指令加載，在此基礎上進行系統的硬件優化設計。研究得知，本文系統進行無線傳感器網絡分布式數據高速采集的誤差較小、精度較高，實際應用效果好。

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