CN102420859A - 基于无线传感网络及虚拟仪器技术的数据采集系统 - Google Patents

Abstract

基于无线传感网络及虚拟仪器技术的数据采集系统，属于无线数据采集及虚拟仪器技术领域。它解决了传统的无线数据采集及其网络可控性差并且组网不灵活的问题。它的上位机系统采用Labview虚拟技术构建数据采集控制平台，用于通过Wi-Fi中心网络完成对多个Zigbee数据采集子网的远端采集数据的聚合、处理、分析及显示，还用于通过Wi-Fi中心网络发送控制指令对多个Zigbee数据采集子网的远端节点的工作状态、数据采集状态、睡眠模式、连接或断开状态进行查询和控制。本发明适用于远距离数据采集。

Description

基于无线传感网络及虚拟仪器技术的数据采集系统

技术领域

本发明涉及一种基于无线传感网络及虚拟仪器技术的数据采集系统，属于无线数据采集及虚拟仪器技术领域。

背景技术

随着无线通信技术的快速发展，无线传感器网络技术的应用越来越广泛。为满足数据采集系统提出的需要分布式远程的无人值守的低消耗网络的需求，无线传感器网络得到了更加广泛的应用，同时这也对传感器网络系统的低功耗、低成本和短开发周期等方面，提出了更高的要求。

无线传感器网络具有资源受限、自组织、以数据为中心、与应用相关等特点，涉及到无线通信技术、网络信息技术、传感器技术、微电子技术、嵌入式技术、分布式信息处理技术和软件开发技术等领域，具有典型的跨学科特点。在传统的传感器网络的基础上，加入无线通信技术，极大地扩展了传感器网络的应用范围和综合性能。在无线传感器网络中，传感器节点可以有目的或者随机地部署在用户所关注的区域，这些无线传感器节点之间以专用的通信协议组织协调在一起，按用户设计的意图，获取周围的环境信息数据，并且相互协同工作，完成指定的任务，最终实现用户的各种需求。

在实际的开发过程中，现有的无线网络协议由于功能复杂、成本高并且开发周期长，已经不能满足无线传感器网络的快速发展需求。SimpliciTI(Ti公司推出的简单网络协议)是最新推出的一种短距离、低数据速率的简易无线网络协议，具有源代码公开、灵活性大、成本低、开发周期短等特点，特别适用于小型无线网络，并且支持各种低功耗应用，主要应用领域包括工厂环境监测、现代远程农业控制、楼宇报警与安全、家庭自动化等，具有良好的理论价值和现实意义。

传统的无线数据采集及其网络，由于组网方式单一、设备能力受限并且控制手段较少，使得无线数据采集网络功能单一，管理和维护比较不便，相对于特定的数据应用表现出了诸多不足，比如数据率不足、远距离传输和扩展能力不强等缺陷。针对这种情况，采用多种无线技术的应用和上位机虚拟仪器技术的应用来管理整个网络的方法就体现出了竞争力。

发明内容

本发明为了解决传统的无线数据采集及其网络可控性差并且组网不灵活的问题，提供一种基于无线传感网络及虚拟仪器技术的数据采集系统。

本发明所述基于无线传感网络及虚拟仪器技术的数据采集系统，它包括上位机系统，它还包括Wi-Fi中心网络和多个Zigbee数据采集子网，

上位机系统采用Labview虚拟技术构建数据采集控制平台，用于通过Wi-Fi中心网络完成对多个Zigbee数据采集子网的远端采集数据的聚合、处理、分析及显示，还用于通过Wi-Fi中心网络发送控制指令对多个Zigbee数据采集子网的远端节点的工作状态、数据采集状态、睡眠模式、连接或断开状态进行查询和控制。

所述Wi-Fi中心网络包括多个Wi-Fi节点模块，Wi-Fi节点模块的个数与Zigbee数据采集子网的个数相同，每个Wi-Fi节点模块用于与一个Zigbee数据采集子网通过有线USB或者串口连接实现数据通信，并实现所述Zigbee数据采集子网与上位机系统之间的数据交互。

所述Zigbee数据采集子网包含至少一个ZigbeeAP中心节点和至少一个Zigbee ED节点，

ZigbeeAP中心节点作为Zigbee数据采集子网的中心节点与Zigbee数据采集子网内其它节点实现通信，用于实现所述其它节点与Wi-Fi中心网络之间的数据交互；

Zigbee ED节点用于作为远距离终端节点完成数据采集和中转传递任务，包括用于传感器数据采集的Zigbee子节点。

所述每个Zigbee数据采集子网还包括至少一个Zigbee RD节点，Zigbee RD节点用于扩展传输距离。

Zigbee数据采集子网内所有节点定时互相发送保活信息以确定连接状态，ZigbeeAP中心节点还定期发送消息给上位机系统，上位机系统接收到消息以后确定目标信息，同时在上位机系统内显示连入整个网络的所有节点的拓扑信息。

本发明的优点是：本发明有效的利用了Zigbee网络和Wi-Fi网络各自的优势，其中Zigbee网络由于具有较远的传输距离和较低的数据率，并且便于扩展，成本也较低，而适于当做远程数据采集终端；Wi-Fi网络由于功耗较高，数据率高，覆盖距离小，而适合作为中心网络。本发明采用将上述两个不同网络进行有线连接，即通过Wi-Fi节点模块与ZigbeeAP中心节点进行有线连接的方式进行通讯，通过这种方式，结合上位机系统(1)使用的Labview虚拟技术，可以做到全网协调管理应用。同时，这种方式也满足了当前对于采集的数据的存储和回放功能的要求。

本发明有效克服了当前无线数据采集系统可控性差，组网不灵活，数据率不足以及远距离传输和扩展能力不强的缺陷。

相对现有的无线数据采集网络，本发明终端采用有ZigbeeAP中心节点的Zigbee数据采集子网分布各个采集点，由Wi-Fi节点模块构成Wi-Fi中心网络，并连接上位机系统，使得Zigbee网络和Wi-Fi网络术的优劣势互补，达到覆盖距离和数据率的平衡，同时上下行数据及控制指令更加丰富和强大，使得所述数据采集系统更稳定，可控性强，布置更加灵活多变，适应更丰富的引用场合。同时大量应用Zigbee数据采集子网的Zigbee节点，一方面减低了功耗和成本，另一方面由于使用简单实用的无线传输协议使得开发和二次开发成本及时间都降低了。

附图说明

图1为本发明的总体架构示意图；

图2为Zigbee ED节点的工作流程图；

图3为ZigbeeAP中心节点的工作流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述基于无线传感网络及虚拟仪器技术的数据采集系统，它包括上位机系统1，它还包括Wi-Fi中心网络2和多个Zigbee数据采集子网3，

上位机系统1采用Labview虚拟技术构建数据采集控制平台，用于通过Wi-Fi中心网络2完成对多个Zigbee数据采集子网3的远端采集数据的聚合、处理、分析及显示，还用于通过Wi-Fi中心网络2发送控制指令对多个Zigbee数据采集子网3的远端节点的工作状态、数据采集状态、睡眠模式、连接或断开状态进行查询和控制。

本实施方式中Wi-Fi中心网络2用于会集多个Zigbee数据采集子网3的采集数据并接入上位机系统1，同时将上位机系统1的控制或查询指令发送给多个Zigbee数据采集子网3；

多个Zigbee数据采集子网3用于完成各种数据的采集，并通过Wi-Fi中心网络2接入上位机系统1。

所述上位机系统1为以Labview虚拟仪器建立的控制及会集终端，其连接了Wi-Fi节点模块，与上位机存储数据库及中心控制系统；Wi-Fi中心网络2形成了中距离高速数传链路，Zigbee数据采集子网3形成了远距离低速数传链路，Wi-Fi中心网络2和Zigbee数据采集子网3共同构成了无线网络的通信连接；Zigbee数据采集子网3包括一组采集远端数据的传感器，可为采集远端温湿度及加速度等模拟信号并进行A/D转换的传感器。

具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，所述Wi-Fi中心网络2包括多个Wi-Fi节点模块，Wi-Fi节点模块的个数与Zigbee数据采集子网3的个数相同，每个Wi-Fi节点模块用于与一个Zigbee数据采集子网3通过有线USB或者串口连接实现数据通信，并实现所述Zigbee数据采集子网3与上位机系统1之间的数据交互。

有线USB连接实现数据的高速连接，串口连接实现数据的低速连接。Wi-Fi节点模块可采用GainSpan GS1010模块，其内嵌2个ARM7核心分别作为802.11b/g协议栈控制核心和应用程序控制核心。

具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式二的进一步说明，所述Zigbee数据采集子网3包含至少一个ZigbeeAP中心节点和至少一个ZigbeeED节点，

ZigbeeAP中心节点作为Zigbee数据采集子网3的中心节点与Zigbee数据采集子网3内其它节点实现通信，用于实现所述其它节点与Wi-Fi中心网络2之间的数据交互；

Zigbee ED节点用于作为远距离终端节点完成数据采集和中转传递任务，包括用于传感器数据采集的Zigbee子节点。

所述Zigbee ED节点包含用于各个传感器数据采集的Zigbee子节点，Zigbee ED节点将各种采集的数据会集于ZigbeeAP中心节点。

所有Zigbee的节点模块及Wi-Fi节点模块都可使用普通AA电池供电。

所述Zigbee ED节点包括传感器模块和无线收发模块；其中传感器模块负责数据采集和A/D转换，无线收发模块负责发送采集数据和接收下行控制查询指令并回应。无线收发模块同时集成了一高性能微处理器，负责管理节点的正常工作。

具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式为对实施方式三的进一步说明，所述每个Zigbee数据采集子网3还包括至少一个Zigbee RD节点，Zigbee RD节点用于扩展传输距离。

本发明中所述的ZigbeeAP中心节点、Zigbee ED节点及Zigbee RD节点均可采用CC2530模块，其内置增强型单片机作为微控制核心并包含2.4GHz的标准无线收发器，Zigbee无线协议采用SimpliciTI协议栈。

图1所示的两个Zigbee数据采集子网3中，一个Zigbee数据采集子网3有三个ZigbeeED节点，其中一个Zigbee ED节点通过Zigbee RD节点拓展距离然后与ZigbeeAP中心节点相连；另一个Zigbee数据采集子网3则有两个直接与ZigbeeAP中心节点连接的Zigbee ED节点。两个Zigbee数据采集子网3的ZigbeeAP中心节点通过串口分别与Wi-Fi中心网络2中的两个Wi-Fi节点模块相连，Wi-Fi节点模块通过无线AP连入上位机系统1。

具体实施方式五：下面结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一、二、三或四的进一步说明，Zigbee数据采集子网3内所有节点定时互相发送保活信息以确定连接状态，ZigbeeAP中心节点还定期发送消息给上位机系统1，上位机系统1接收到消息以后确定目标信息，同时在上位机系统1内显示连入整个网络的所有节点的拓扑信息。

本发明所述的基于无线传感网络及虚拟仪器技术的数据采集系统实现数据采集的过程为：

步骤一：上位机系统1控制或查询每个Zigbee ED节点的数据采集速率、睡眠时间或者断开重连，并将带有目的节点地址的控制或者查询指令打包后通过无线AP发送给目标节点所在Zigbee数据采集子网3所连接的Wi-Fi节点模块；

步骤二：Wi-Fi节点模块接收到上位机系统1的指令后，通过串口发送给目标数据采集子网的ZigbeeAP中心节点，该ZigbeeAP中心节点在确定目标Zigbee ED节点在目标数据采集子网的连接信息后，按照Zigbee的SimpliciTI数据传输协议把控制指令传送到目标Zigbee ED节点，该Zigbee ED节点拆包后根据指令的要求执行相应的命令，并返回相应数据给上位机系统1，上位机系统1选择性存储接收到的节点数据到数据库。

本发明采用混合组网模式，Zigbee ED节点及Zigbee RD节点作为远距离终端节点完成数据采集和中转传递任务，ZigbeeAP中心节点作为每一个Zigbee数据采集子网3的中心节点与Zigbee ED节点及Zigbee RD节点相接；Wi-Fi中心网络2作为上位机系统1及其无线网络与Zigbee数据采集子网3之间的过渡网络，与ZigbeeAP中心节点采用串口连接，与无线路由通过TCP/IP协议传输。两种无线技术构成混合网络协调系统工作。Zigbee数据采集子网3中各个节点模块和Wi-Fi节点模块都采取可控的定时睡眠模式以有效地节约电能消耗延长系统维护间隔。

上位机系统1选择性存储接收到的节点数据到数据库后，可根据用户的需求，回放相应节点相应时间段的采集数据并进行对应分析。

所述数据采集系统的数据采集过程：

Zigbee ED节点工作过程：

负责数据采集的Zigbee ED节点的工作过程如图2所示，首先Zigbee ED节点上电启动并且初始化操作，然后尝试寻找并加入当前环境中的Zigbee网络，同时与该Zigbee网络中的ZigbeeAP中心节点建立连接，如果连接建立失败，Zigbee ED节点将会重复尝试加入和连接操作。

连接完成以后，Zigbee ED节点进入休眠模式，然后在预先设置的默认时间过后被唤醒并同时打开无线接收端接收信息。如果接收到ZigbeeAP中心节点发来的上位机查询或控制指令，则执行相应指令，然后下一步。否则直接开始进行数据采集，然后对采集的数据进行A/D转换，并立即将采集到的数据打包发送到ZigbeeAP中心节点，如果连续两次唤醒的发送都没有收到ZigbeeAP中心节点的应答信息ACK回应，则认为连接出现故障，此时断开当前连接并且重新开始尝试加入当前环境中的Zigbee网络并与该Zigbee网络中的ZigbeeAP中心节点建立连接。如果收到ACK则本次唤醒采集数据成功，系统重新进入休眠模式并不断完成上述循环。这就实现了定时的采集数据发送，并且节省了空闲时的能量消耗。所有的Zigbee ED节点都按照这一相同的工作流程进行。

ZigbeeAP中心节点的工作过程：

ZigbeeAP中心节点负责管理和中转数据，其工作流程如图3所示，在上电启动以后，首先ZigbeeAP中心节点初始化，并与Wi-Fi节点模块的串口连接，将Wi-Fi节点模块与Zigbee数据采集子网3建立联系，同时启动一个定时器。而后Wi-Fi节点模块进入等待数据包到来的阶段。当收到数据包时，拆包并判断数据包的来源和类型。如果是Zigbee ED节点发来的连接请求，则与Zigbee ED节点建立连接，如果成功则登记保活信息否则退出等待；接收到Zigbee ED节点发来的数据包后，ZigbeeAP中心节点发回ACK并查询当前数据包缓存，如果已满，立即打包发送当前缓存内的数据包至串口，如果未满则存入；如果收到Wi-Fi节点模块的串口发来的控制查询指令则立即转发给相应节点。如果定时器溢出，则检验当前保活信息登记，如果检测到断开连接则刷新连接信息，同时如果在定时器计数其间没有发送数据包，则立即发送当前缓存中的数据。

上位机系统1的控制和处理：

上位机系统1可以查询或控制Zigbee数据采集子网3的终端节点的数据采集速率和睡眠时间或者控制某个节点的断开重连。

本发明实现了无线数据的采集，其中，Wi-Fi节点模块的有效工作距离为80米，而Zigbee数据采集子网3之间的有效通信距离超过150米，通过单个Zigbee RD节点可以将最远的Zigbee ED节点安置在半公里以外的地方。Zigbee ED节点采用了休眠机制的低功耗设计，可以通过上位机系统1控制每个Zigbee ED节点的工作情况，调节休眠的时间，使整个系统的维护间隔延长，应用灵活。由于上位机系统1能够对采集的数据进行处理和存储，还提供数据回放功能，使得数据的利用率进一步提高。

Claims (5)

1.一种基于无线传感网络及虚拟仪器技术的数据采集系统，它包括上位机系统(1)，其特征在于：它还包括Wi-Fi中心网络(2)和多个Zigbee数据采集子网(3)，

上位机系统(1)采用Labview虚拟技术构建数据采集控制平台，用于通过Wi-Fi中心网络(2)完成对多个Zigbee数据采集子网(3)的远端采集数据的聚合、处理、分析及显示，还用于通过Wi-Fi中心网络(2)发送控制指令对多个Zigbee数据采集子网(3)的远端节点的工作状态、数据采集状态、睡眠模式、连接或断开状态进行查询和控制。

2.根据权利要求1所述的基于无线传感网络及虚拟仪器技术的数据采集系统，其特征在于：所述Wi-Fi中心网络(2)包括多个Wi-Fi节点模块，Wi-Fi节点模块的个数与Zigbee数据采集子网(3)的个数相同，每个Wi-Fi节点模块用于与一个Zigbee数据采集子网(3)通过有线USB或者串口连接实现数据通信，并实现所述Zigbee数据采集子网(3)与上位机系统(1)之间的数据交互。

3.根据权利要求2所述的基于无线传感网络及虚拟仪器技术的数据采集系统，其特征在于：所述Zigbee数据采集子网(3)包含至少一个ZigbeeAP中心节点和至少一个ZigbeeED节点，

ZigbeeAP中心节点作为Zigbee数据采集子网(3)的中心节点与Zigbee数据采集子网(3)内其它节点实现通信，用于实现所述其它节点与Wi-Fi中心网络(2)之间的数据交互：

Zigbee ED节点用于作为远距离终端节点完成数据采集和中转传递任务，包括用于传感器数据采集的Zigbee子节点。

4.根据权利要求3所述的基于无线传感网络及虚拟仪器技术的数据采集系统，其特征在于：所述每个Zigbee数据采集子网(3)还包括至少一个Zigbee RD节点，Zigbee RD节点用于扩展传输距离。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的基于无线传感网络及虚拟仪器技术的数据采集系统，其特征在于：Zigbee数据采集子网(3)内所有节点定时互相发送保活信息以确定连接状态，ZigbeeAP中心节点还定期发送消息给上位机系统(1)，上位机系统(1)接收到消息以后确定目标信息，同时在上位机系统(1)内显示连入整个网络的所有节点的拓扑信息。

Images