物聯網多傳感器數據采集系統設計與實現

趙圣麟

（珠海市泰德企業有限公司，廣東 珠海 519082）

0 引 言

電力物聯網（Internet of Things，IOT）通過無線傳感網絡實時搜集相關信息，搜集的信息包括電壓、電流以及整體功率等參照系數。和之前的數據搜集相比，搜集節點的整體數據量有了大幅提升[1]。對多傳感器數據進行進一步對比，有助于提升信息的精準度和實用度，以便工作人員及時發現事故的具體方位，提高管理效率。物聯網信息管理機制要求具備突出的數據管控能力和數據解析效能，因此可以高效查詢事故點的詳實信息，在最短的時間內執行針對性措施。

1 物聯網多傳感器數據采集系統設計

1.1 原理分析和系統總體構架

數據采集系統需要網絡基礎支撐，如物聯網體系，可利用多節點分布的傳感器采集數據。在物聯網環境下探索多功能無線傳感通信組網技術，構建數據感知層，實時讀取數據信息。利用時鐘控制電路輸入采集的數據信息，經過濾波器的濾波處理，濾除噪聲和檢測干擾[2]。利用高速數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）芯片，可以更好地處理數據信號。利用外設組件互聯標準（Peripheral Component Interconnect，PCI）總線和橋接電路，可確保對系統的控制。DSP芯片產生的節點監控電壓數據不高，但需要利用模擬信號預處理機進行處理，并選擇合適的放大器，動態化處理采集的信息。集中器設備具備裝置的自檢效能。信息管理系統上傳實時運轉情形和相關的事件信息，主要涵括自身運轉狀況、參照系數的修正以及設定相關的數據值等，如圖1所示[3]。

圖1 基于物聯網的智能終端數據采集系統技術方案

1.2 信息管理系統分析

信息管理系統是將搜集到的大批次數據實時進行儲存、整合、解析以及回饋。數據傳送及其回饋通常利用以太網等通信手段，與集中器設備實時通信及互動回饋。運用前向糾錯（Forward Error Correction，FEC）等手段開展實時通信回饋。數據整合過程中，相關的電力工作者實時儲存集中器設備傳送的多方面信息，導出并生成龐大的信息數據庫。通過該數據庫查詢生產數據、估量數據以及設備狀況等多方面的數據，也可根據不同時間段、不同種類以及不同用戶的數據對其進行全方位呈現。數據分析過程中，用戶利用常規的數據挖掘工具，進一步整合與解析數據，為工作和生產提供有益參照。此外，可利用管理系統分析常態數據、周期性數據及異常數據。數據回饋包括及時地把生產參數、設備狀態以及參照系數的設置等信息回饋給集中器設備，同時提供公用的數據端口，方便數據對接[4-7]。

1.3 硬件電路的模塊化設計

結合多傳感器數據采集系統，在選取優秀的器件基礎上設計無線節點，自動監控數據采集系統的硬件電路。32位VME（Versa Module Eurocard）總線擴展技術可以形成一個完整的無線節點自動監控數據采集系統，可以進一步開發模塊化工作，更好地控制物聯網無線節點數。為了減少數字電路與模擬電路中間的干擾問題，在數據采集系統的控制輸出終端增加1個隔離型的放大器，可實現無線終端智能通信信號的設計。利用時鐘控制模塊能夠帶來比較實用的時鐘控制和周期采樣控制功能，進一步提升系統的可靠性。根據復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）編程技術，與DSP智能通信合并，更好地進行模塊化的數據處理，實現采集數據的放大功能，實現一個系統化的自動監控數據采集電路。

2 物聯網多傳感器數據采集系統網絡傳輸分析

2.1 電力載波分析

常規的電力載波通信形式是用戶運用電線開展傳輸工作，不要求搭設額外的網絡設施，整體所需的布設成本費相對較低。但是，它的劣勢也十分明顯。由于該形式使用較為煩瑣，且我國電線存在品質不高和噪聲較大的問題，導致網絡信號傳輸質量不理想。在安全效能上，因為電力載波是一種專網性傳輸方式，所以具有較高的安全性和可靠性，滿足一般電力使用者的需求。但是，該網絡通信形式缺少對專門的接入調控管理和對解密裝置嚴密的監管，導致不法分子能夠運用各種手段進行入侵，破壞該網絡。電力載波通信的形式雖然投入成本較低且具有較高的安全性和可靠性，但不適合具有更高保密需求的電力數據傳輸[8]。

2.2 射頻通信方式分析

用戶可利用復合射頻通信板塊如射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）設備及配套的集中器設備進行通信。集中器設備與電力中心的信息管理系統選擇射頻通信形式開展數據傳送時，比如利用433 MHz射頻頻段能夠迅速實現智能電表設備與集中器設備和集中器設備與住宅區域的電力中心信息管理系統之間的信息傳送。在安全程度上，由于該方案運用了數據加密標準（Data Encryption Standard，DES）算法，確保了信息的加密性，提升了整體的安全保障水平，契合電力數據安全方面的標準。同時，運用射頻通信手段逐步構建低層的數據傳輸網絡，整體投入資金較少。基于物聯網的射頻通信方式實現過程，如圖2所示。

圖2 基于物聯網的射頻通信方式

考慮運用在電力系統的射頻通信缺少一致性標準，易造成各方案不同設備間無法有效通信，意味著它在兼容效能和可擴展層面存在不足。

2.3 GPRS方式分析

通用分組無線服務（General Packet Radio Service，GPRS）具有極高的傳輸效率，可以滿足傳送低層數據的要求。運用GPRS方式，只租用移動運營商，不需要額外搭設網絡環境。隨著網絡通信技術的發展，如今的GPRS通信流量成本極低，對低層數據傳輸來說是一個很好的網絡傳送手段。工作人員可以通過搭配虛擬專用網（Virtual Private Network，VPN）應用GPRS。在4G大范圍組網時，電力網絡傳輸領域已加大發展力度，逐漸朝著5G移動通信方向發展。5G網絡是一種超大帶寬的無線寬帶，與有線寬帶相比，布網過程更加繁雜。理論上，5G網絡的傳輸速率能夠達到10 Gb/s，將大大降低通信時延，擴大數據的處理格局。同時，5G作為一個真實意義上的融合網絡，通過數據融合與統一，給電力物聯網行業帶來平穩的網絡環境。5G網絡技術成熟后，電力物聯網中網絡的接入率將達到現今通信設備接入率的30倍[9,10]。

3 結 論

通過設計完善的物聯網多傳感器數據采集系統，可以保證多傳感器數據采集系統能夠更加科學，數據愈發具有實時性。該系統具備較高的采集性能，可實現數據的正確采樣，有助于提升電力行業的協同化程度，使得電力系統更加契合人們的需求。