CN101893865A - 一种工业检测系统的数据传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种工业检测系统的数据传输方法，将采集的数据高效地发送给上位机。该方法将传感器采集过来的原始数据，分为慢速变化信号以及快速变化信号；对于慢速变化信号，若采样结果的变化值超过一预设的信号变化阈值，则立即发送；对于快速变化信号，确定被检测设备的固有频率，将采样结果变换到频域进行频域分析，提取固有频率分量附近的幅值，若幅值的变化值超过一预设的幅值变化阈值，则立即发送所存储的快速信号压缩数据。本发明既保证了传感器网络采集的数据上报的实时性，同时又兼顾了功耗、传输效率，尤其适用于低功耗无线传感器网络。

Description

一种工业检测系统的数据传输方法
技术领域
本发明涉及工业检测技术，尤其涉及一种工业检测系统的数据传输方法。
背景技术
工业控制领域内，现场总线、工业以太网及无线通讯技术先后得到发展，现有工业监测系统，根据传感器的类别可以分成有线和无线两大种类。
有线传感器组成的工业检测系统，是早期开发并逐渐发展至今的一种技术。这种系统往往驱动一套现场总线，功耗比较大，还需要专业的布线，如果信号线在恶劣的环境中出现短路等故障，则很难排除。
大量无线传感器通过无线通讯的方式组成的工业检测系统，在众多领域均有着非常广泛的应用。无线传感器与常规传感器相比没有体积的限制，设计过程中侧重于超低功耗、超强稳定、抗干扰、能够支持多种现有总线接口，能够灵活运用到复杂的应用环境中。常见的无线传感器工业检测系统，一般是基于zigbee传感器形成网络，具有安装方便，维护方便等众多优势。
但是无线传感器网络在信息采集频率和电池寿命上需要进行平衡，现阶段使用的电池能够长时间供电工作的无线传感器，大都有采集频率过低的缺陷，因此有必要对现有技术作出改进，以提高无线传感器网络的信息采集频率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是在于需要提供一种工业检测系统的数据传输方法，以高效传输工业检测系统采集到的数据。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种工业检测系统的数据传输方法，以将采集的数据发送给上位机，包括：
根据信号变化的快慢程度以及信号在频域上的能量分布特点，将传感器采集过来的原始数据，分为慢速变化信号以及快速变化信号；
对于所述慢速变化信号，以所述上位机设定的采样速率进行采样，将采样结果压缩编码获得慢速信号压缩数据并存储，若所述采样结果的变化值超过一预设的信号变化阈值，则立即发送所存储的所述慢速信号压缩数据；
对于所述快速变化信号，以系统硬件支持的最高采样速率进行采样，将采样结果变换到频域，将频域分析结果中能量最大的频率分量作为被检测设备的固有频率，根据所述固有频率确定一实际采样频率后，将根据所述实际采样频率进行采样获得的实际采样结果变换到频域进行频域分析，提取所述固有频率分量附近的幅值，将所述幅值压缩编码获得快速信号压缩数据，若所述幅值的变化值超过一预设的幅值变化阈值，则立即发送所存储的所述快速信号压缩数据。
优选地，变化较为缓慢且在频域上能量分布均衡的信号为所述慢速变化信号，变化较为迅速且在频域上能量分布不均衡的信号为所述快速变化信号。
优选地，所述慢速变化信号包括温度信号和/或湿度信号；
所述快速变化信号包括加速度信号和/或角加速度信号。
优选地，所述压缩编码，包括差分脉冲编码调制压缩编码。
优选地，对于所述快速变化信号，对所述采样结果以及所述实际采样结果进行快速傅里叶变换，变换到所述频域。
优选地，所述实际采样频率，大于等于两倍的所述固有频率。
优选地，该方法进一步包括：
对于所述快速变化信号，提取所述固有频率分量的幅值后，将其余分量进行参数化处理获得能量参数，将所述幅值及所述能量参数进行所述压缩编码，获得所述快速信号压缩数据。
优选地，该方法进一步包括：
所述幅值的变化值超过所述幅值变化阈值时，提高所述实际采样率进行所述快速变化信号的后续采样。
优选地，该方法进一步包括：
所述幅值的变化值未超过所述幅值变化阈值时，降低所述实际采样率进行所述快速变化信号的后续采样。
优选地，对于所述慢速变化信号，所述慢速信号压缩数据达到预设的存储阈值时，发送所述慢速信号压缩数据；
对于所述快速变化信号，所述快速信号压缩数据达到预设的存储阈值时，发送所述快速信号压缩数据。
与现有技术相比，本发明技术方案根据信号变化速度和在频域上能量分布特点，对传感器网络所采集的数据分别进行处理，并在信号变化较为缓和的时候暂时存储，在信号变化较为剧烈时，立即上传。本发明所述方法，既保证了传感器网络采集的数据上报的实时性，同时又兼顾了功耗、传输效率，尤其适用于低功耗无线传感器网络。
附图说明
图1为本发明方法实施例的流程示意图。
图2为图1所示实施例中快速变化信号处理流程示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
工业检测系统常常需要对温度、湿度等变化较慢的环境信息进行高精度的实时监控。现有的工业检测系统由于考虑到电池的使用寿命，采用的检测数据传输方案一般是休眠-传输-休眠的机制，以在休眠时降低电能消耗。这种数据传输方案，采样周期都是在秒数量级，有的甚至只能数分钟发送一次数据，中间的变化过程都没有办法记录。
工业检测系统还经常需要监测设备的振动情况。由于振动信号变化较为快速，而且数据量一般来说都比较大，用Zigbee网络直接传输，不能保证实时传输多路信号。目前，是将震动信息存储到一大容量存储器内，等到合适的时机再批量上传到上位机进行分析，显然这样做不到完全的实时传输。
本发明根据变化速度的快慢，将信号分为慢速变化信号和快速变化信号，其中慢速变化信号如温度数据及湿度数据等，快速变化信号如加速度传感器采集的加速度信号，以及角加速度传感器采集的角加速度信号等。
图1示出了本发明方法实施例的流程示意图。如图1所示，该实施例主要包括如下步骤：
步骤S110，根据信号变化的快慢程度以及信号在频域上的能量分布特点，将传感器采集过来的原始数据，分为慢速变化信号以及快速变化信号，其中在频域上能量分布均衡且变化较为缓慢的为该慢速变化信号，在频域上能量分布不均衡且变化较为迅速的为该快速变化信号；其中该慢速变化信号比如为温度信号、湿度信号等表示环境信息的信号，该快速变化信号比如为加速度传感器采集的加速度信号、角加速度传感器采集的角加速度信号等等；
步骤S120，对于慢速变化信号如温度信号以及湿度信号等，转步骤S130，对慢速变化信号如加速度信号以及角加速度信号等，转步骤S140；
步骤S130，以上位机设定的采样速率进行采样获得采样结果；
步骤S131，将该采样结果进行差分脉冲编码调制(DPCM)压缩编码获得慢速信号压缩数据，然后存储该慢速信号压缩数据；
步骤S132，根据采样结果获得采样结果的信号变化值；
步骤S133，如果该信号变化值超过预设的信号变化阈值，则将所存储的慢速信号压缩数据发送给上位机以保证监控实时性，否则继续处理慢速变化信号，直到所存储的慢速信号压缩数据达到预设的一存储阈值时，将所存储的慢速信号压缩数据也发送给上位机，以继续进行数据存储；
步骤S140，以系统硬件支持的最高采样速率进行采样获得采样结果；
步骤S141，将采样结果变换到频域进行频域分析获得分析结果，提取分析结果中能量最大的频率，将该能量最大的频率作为被检测设备的固有频率；
步骤S142，根据该固有频率确定进行实际采样的实际采样频率后，将根据该实际采样频率进行采样，获得实际采样结果；
步骤S143，将该实际采样结果变换到频域进行频域分析，从频域分析结果中提取固有频率分量附近的幅值，并可选地将其余分量进行参数化处理获得能量参数；
步骤S144，然后将该固有频率分量附近的幅值以及该能量参数(可选)进行压缩编码，获得快速信号压缩数据后存储；
步骤S145，如果该固有频率分量附近的幅值的变化超过一预设的幅度变化阈值，则立即将存储的快速信号压缩数据发送给上位机；否则继续以实际采样频率处理快速变化信号，直到存储的快速信号压缩数据量达到预设的一存储阈值时，也将所存储的快速信号压缩数据发送给上位机。
上述步骤S130到步骤S133，比如对于温度信号，首先以上位机设定的速率对温度进行采样，获得采样结果后与前一次采样结果进行比较，如果变化值超过温度变化阀值就立即启动无线模块开始发送数据，否则对采样信号进行差分脉冲编码调制(DPCM)压缩编码，存入内部随机存储器(RAM)，待存储数据达到一定容量之后在发送给上位机。这样处理，既保证了温度变化较为迅速时及时上传数据，又保证了温度变化较为缓慢时，通过对温度信号进行DPCM压缩编码后传输，实现了不丢失数据的情况下大量减少需要发射的数据量，而且压缩数据的发送是批量的，相比现有技术的定时发送能够减少射频芯片的初始化和连接确认次数，提高了传输效率。
图2为图1所示实施例中快速变化信号处理流程示意图，以加速度信号为例进行说明，该处理流程主要包括如下步骤：
步骤S210，系统初始化时，以系统硬件支持的最高采样速率对加速度进行采样，获得加速度信号；以系统硬件支持的最高采样速率进行采样，获得的采样结果是系统在限制条件下能够达到的最多采样点，比如对于三轴加速度传感器ADXL333，其最高频率为1.6KHz，另外模数转换器(AD)的采样率和CPU处理速度等都是限制因素；
步骤S220，对采样所获得的加速度信号进行快速傅立叶变换(FFT)变换，然后进行频谱分析，提取加速度信号中能量最大的频率，将该频率作为被监测设备的固有频率；前述步骤S210中，采样点越多，频谱分析结果在频域的分辨率就越精细，固有频率的提取也就越精确；
步骤S230，根据该固有频率，调整加速度信号的采集频率，确定实际采样频率；一般来说，调整后的实际采集频率大于等于两倍的该固有频率；
步骤S240，根据该实际采集频率进行加速度信号的采样，获得实际采样结果；
步骤S250，将该实际采样结果进行FFT变换，提取固有频率分量附近的幅值；由于该实际采样结果为数字信号的时域波形，因此对该实际采样结果进行FFT变换，将时域波形变换到频域；
步骤S260，将该固有频率分量附近的幅值以及该能量参数进行DPCM压缩编码，然后存储到一RAM中；
步骤S270，判断该固有频率分量附近的幅值变化，是否超过一预设的幅度变化阈值，是则适当提高S230中提到的实际采样率进行后续的快速变化信号的采样，然后转步骤S280，否则转步骤S290；
步骤S280，立即发送RAM中所存储的该固有频率分量附近的幅值以及该能量参数；
步骤S290，继续以实际采样频率对快速变化信号进行处理，RAM中存储的数据量达到一预设的容量阈值时，将RAM中存储的数据量发送给上位机，并清空RAM以继续存储后续采样处理后的数据。
在其他实施例中，步骤S250中，提取固有频率分量附近的幅值后，还进一步将其余分量进行参数化处理，获得能量参数；步骤S260中将该能量参数与该固有频率分量附近的幅值一并进行DPCM压缩编码及存储；步骤S260以及步骤S270发送RAM中的数据时，发送的也是该固有频率分量附近的幅值以及其余分量的能量参数压缩编码后的数据。
上述步骤S240中，幅值变化超过该预设阈值时，立即通知应用系统，如此处理虽然会丢失一部分快速变化信号的频率分量，但是能够保证对快速变化信号能量的监测，实际上是一种频谱分析。如果信号能量水平和固有频率没有发生较大变化，就认为系统正常，对加速度信号其余分量只进行简单参数化甚至直接丢弃不处理，等待RAM存储的数据容量达到上报阀值的时候发送给上位机。其中数据放入RAM前是经过DPCM压缩编码的，这样可以减少数据量，比起直接传输数据能够提高数据传输效率。
上述步骤S270中，固有频率分量附近的幅值变化没有超过该幅度变化阈值，且系统长时间保持正常状态，则可以适当降低实际采样率进行后续的快速变化信号的采样，但仍然需要保证实际采样率不低于固有频率两倍。
本发明通过对快速变化的信号进行频谱分析，根据能量最大分量的幅值进行判断，如果该幅值变化较为剧烈，则立即通知上位机，否则对其余分量进行参数化处理获得能量参数，并将该幅值和能量参数进行压缩并存储。对于慢速变化信号，如果信号变化较为剧烈，则立即通知上位机，否则将信号进行压缩并存储。等到一定时机，无论是快速变化信号还是慢速变化信号，再批量上传该压缩数据。如此，即提高了信号的处理效率，又保证了信号变化时的上报实时性。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种工业检测系统的数据传输方法，以将采集的数据发送给上位机，其特征在于，包括：
根据信号变化的快慢程度以及信号在频域上的能量分布特点，将传感器采集过来的原始数据，分为慢速变化信号以及快速变化信号；
对于所述慢速变化信号，以所述上位机设定的采样速率进行采样，将采样结果压缩编码获得慢速信号压缩数据并存储，若所述采样结果的变化值超过一预设的信号变化阈值，则立即发送所存储的所述慢速信号压缩数据；
对于所述快速变化信号，以系统硬件支持的最高采样速率进行采样，将采样结果变换到频域，将频域分析结果中能量最大的频率分量作为被检测设备的固有频率，根据所述固有频率确定一实际采样频率后，将根据所述实际采样频率进行采样获得的实际采样结果变换到频域进行频域分析，提取所述固有频率分量附近的幅值，将所述幅值压缩编码获得快速信号压缩数据，若所述幅值的变化值超过一预设的幅值变化阈值，则立即发送所存储的所述快速信号压缩数据。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
变化较为缓慢且在频域上能量分布均衡的信号为所述慢速变化信号，变化较为迅速且在频域上能量分布不均衡的信号为所述快速变化信号。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：
所述慢速变化信号包括温度信号和/或湿度信号；
所述快速变化信号包括加速度信号和/或角加速度信号。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述压缩编码，包括差分脉冲编码调制压缩编码。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
对于所述快速变化信号，对所述采样结果以及所述实际采样结果进行快速傅里叶变换，变换到所述频域。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
所述实际采样频率，大于等于两倍的所述固有频率。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：
对于所述快速变化信号，提取所述固有频率分量的幅值后，将其余分量进行参数化处理获得能量参数，将所述幅值及所述能量参数进行所述压缩编码，获得所述快速信号压缩数据。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：
所述幅值的变化值超过所述幅值变化阈值时，提高所述实际采样率进行所述快速变化信号的后续采样。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：
所述幅值的变化值未超过所述幅值变化阈值时，降低所述实际采样率进行所述快速变化信号的后续采样。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于：
对于所述慢速变化信号，所述慢速信号压缩数据达到预设的存储阈值时，发送所述慢速信号压缩数据；
对于所述快速变化信号，所述快速信号压缩数据达到预设的存储阈值时，发送所述快速信号压缩数据。
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