CN104698943B - 一种应用超低功耗工业无线数据采集系统的数据采集方法 - Google Patents

一种应用超低功耗工业无线数据采集系统的数据采集方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种应用超低功耗工业无线数据采集系统的数据采集方法,包括无线数据采集单元、无线簇头单元、无线报警单元、冗余簇头单元、无线汇聚单元、冗余汇聚单元。所述无线数据采集单元将数据通过无线簇头单元传送到无线汇聚单元,若数据出现异常所述无线数据采集单元将报警值通过无线报警单元传送到无线汇聚单元,无线汇聚单元将这些数据传送到上位机。本发明使用双频段无线射频模块发送数据能减少冲突使系统更加稳定,并且本发明使用单片机的I/O管脚对部分外设供电,通过I/O管脚的通断来控制部分外设供电以配合单元的休眠与工作,从而降低系统功耗。

Description

一种应用超低功耗工业无线数据采集系统的数据采集方法
技术领域
[0001] 本发明属于数据采集技术领域,具体涉及一种应用超低功耗工业无线数据采集系 统的数据采集方法。
背景技术
[0002] 工业数据采集是现场自动化控制设备与管理层之间的信息纽带,建立和完善自动 数据采集系统已成为制造工业企业信息化建设的重点。
[0003] 目前,许多企业在数据采集的各环节工作中,通常使用无线传感器采集数据,在通 过上位机判断数据是否异常,不具有实时报警功能;没有备份机制,使得数据采集系统缺乏 稳定性。
[0004] 另外,由于工业数据采集设备的安装条件限制较多,无法在任何地方都使用输电 线供电,所以数据采集设备通常采用电池供电,而安装条件的限制会导致更换电池非常困 难,所以这就对数据采集设备功耗提出了更高的要求。
发明内容
[0005] 为了有效解决上述问题,本发明提供一种实时报警、具有备份机制的数据采集方 法。
[0006] 一种应用超低功耗工业无线数据采集系统的数据采集方法,所述采集系统包括无 线数据采集单元、簇头单元组件及汇聚单元组件,所述无线数据采集单元采集工业数据,并 通过无线射频将工业数据发送到簇头单元组件,所述簇头单元组件将接收到的数据通过另 一频段的无线射频发送到操作室内的汇聚单元组件上,所述汇聚单元组件将接收到的数据 通过网络传给上位机;
[0007] 所述簇头单元组件包括无线簇头单元、无线报警单元、冗余簇头单元,所述汇聚单 元组件包括无线汇聚单元、冗余汇聚单元。
[0008]进一步地,所述冗余簇头单元接收数据进行备份,所述无线报警单元接收报警值; 所述无线数据采集单元在高温情况下,切换信道,向无线报警单元发送报警值,无线报警单 兀再把报警值通过汇聚单元组件传送给给上位机,所述上位机根据收到的数据判断被测对 象温度是否正常,电池电压是否降到临界点,并向用户作出报警;冗余簇头单元和无线簇头 单兀使用同样的时隙,无线鑛头单元向冗余簇头单元发送备份同步命令,当冗余簇头单元 两次不能收到备份同步时自己切换为主站工作;冗余汇聚单元和无线汇聚单元使用同样的 时隙,无线汇聚单元向冗余汇聚单元发送备份同步命令,当冗余汇聚单元两次不能收到备 份同步时自己切换为主站工作。
[0009]进一步地,所述无线簇头单元和无线数据采集单元之间采用时分协议;无线簇头 单元在和无线汇聚单元同步之后,进行簇内同步,同时根据同步帧中下一次同步时间确定 自己的同步唤醒时间;无线数据采集单元根据自己的单元号计算工作时间,之后休眠;无线 数据采集单元工作时间到,采集数据,发送到无线簇头单元,等待ACK,如果数据成功被无线 簇头单元接受,休眠,否则重发,之后休眠;无线簇头单元在收到无线数据采集单元的数据 后回复确认ACK,在簾内通彳目竞争时隙向休眠的无线数据米集单兀发送命令,也可以在无线 汇聚单元与无线簇头单元的通信时间内向无线数据采集单元发送命令。
[0010] 进一步地,所述无线汇聚单元和无线簇头单元之间采用Mesh模块进行数据通信; 无线簇头单元在成功和无线汇聚单元同步后,用无线簇头单元的另一频段,进入无线簇头 单元与无线数据采集单元的簇内通信时间,所有的无线簇头单元向各自的无线数据采集单 元发送同步命令,实现无线簇头单元与无线数据采集单元之间的时分同步。
[0011] 进一步地,所述数据采集单片机通过I/O 口对传感器外设进行供电,当数据采集单 片机休眠时,可以通过I/O 口的通断控制对传感器外设的供电从而降低功耗。
[0012] 本发明的有益效果:通过无线报警单元实现实时报警功能,同时通过使用备份单 元,可以在簇头和汇聚失效的情况下切换主站使用,使得整个系统更加稳定,应用I/O引脚 供电,可控制外设的工作和停止,降低了功耗。
附图说明
[0013] 图1为本发明的整体结构示意图;
[0014] 图2为本发明的无线簇头单元的结构及数据流向示意图;
[0015] 图3为本发明的无线汇聚结点的结构及数据流向示意图;
[0016] 图4为本发明的无线汇聚单元-无线簇头单元频分协议示意图;
[0017] 图5为本发明的无线数据采集结点的结构及数据流向示意图;
[0018] 图6为本发明的无线簇头单元-无线数据采集单元频分协议示意图;
[0019]图7为无线数据采集单元时序示意图。
具体实施方式
[0020] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对 本发明进行进一步详细描述。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明,并不 用于限定本发明。
[0021] 相反,本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修 改、等效方法以及方案。进一步,为了使公众对本发明有更好的了解,在下文对本发明的细 节描述中,详尽描述了一些特定的细节部分。
[0022] 如图1所示,为本发明提供的一种超低功耗工业无线数据采集方法,所述系统包括 无线数据采集单元、簇头单元及汇聚单元,其中所述无线数据采集单元将采集到的数据通 过433MHz无线射频发送到簇头单元,所述簇头单元将接收到的数据通过2.4GHz无线射频发 送到操作室内的汇聚单元上,所述汇聚单元将接收到的数据通过网络传给上位机。 t〇〇23]所述无线数据采集单元位于工业生产中所需要采集数据的装置上,具有N个测点, 测点可以有N个,无线数据采集单元将采集数据、单元号、组号、采集周期等数据传输到簇头 单元;所述簇头单元包括无线簇头单元、冗余簇头单元及无线报警单元,其中一个无线簇头 单元大约管理N/L个无线数据采集单元,总体分为L个簇;所述簇头单元位于被检测装置附 近的位置,便于收集附近的无线数据采集单元发送的数据;所述汇聚单元位于操作室内,所 述汇聚单元包括冗余汇聚单元及无线汇聚单元。
[0024]如图2所示,为本发明系统中无线数据采集单元的结构示意图,所述无线数据采集 单元包括数据采集传感器、数据采集单片机、数据采集单元的433M射频模块及电池,所述电 池进行对无线数据采集单元进行供电,所述数据采集传感器采集到的数据通过I/O口传给 数据采集单片机;数据采集单片机通过串口与射频进行通信并将采集到的数据或报警值发 送给射频芯片;数据采集单元的433M射频模块使用433MHz频率与无线簇头单元433M射频模 块进行通信并发送从数据采集单片机接收到的数据和报警值;调试串口为程序员调试程序 时使用。新单元加入或者重新上电后,出于接收状态,当监听到周围邻居单元发送的数据 后,计算自己的工作时间,以及下一次同步时间然后进入休眠状态。如果同步过期,则重新 同步。
[0025]如图3所示,为本发明系统中无线簇头单元的结构示意图,所述无线簇头单元包括 簇头单元Mash模块、簇头单元433M射频模块、簇头单元单片机及簇头单元电源接口,簇头单 元433M射频模块使用4:33MHZ频率与数据采集单元的433M射频模块进行通信将接收到的数 据或报警值通过串口传送给簇头单元单片机;簇头单元单片机通过串口与簇头单元Mesh模 块进行通信并将米集到的数据或报警值发送给族头单元Mesh模块;族头单元Mesh模块使用 2 • 4GHz频率与无线汇聚单元中的汇聚单元Mesh模块进行通信并发送从簇头单元单片机中 接收到的数据或报警值;调试串口为程序员调试程序时使用。无线簇头单元重新上电后同 样监听邻居无线簇头单元,计算自己的工作时间,无线簇头单元不用计算下一次同步时间。 [0026]所述冗余簇头单元及无线报警单元与无线簇头单元结构相同,其区别在于所述冗 余簇头单元用于备份,无线报警单元用于报警;所述无线数据采集单元在高温情况下,切换 信道,向无线报警单元发送数据,无线报警单元再把数据传给无线汇聚单元,上位机根据收 到的数据判断被测对象温度是否正常,电池电压是否降到临界点,并向用户作出报警。
[0027]如图4所示,为本发明系统中无线汇聚单元的结构示意图,所述无线汇聚单元包括 汇聚单元Mesh模块、串转网模块、汇聚单元433M射频模块、汇聚单元单片机、汇聚单元电源 接口及网口,所述汇聚单兀Mesh模块使用2.4GHz频率与簇头单元Mesh模块进行通信接收其 发送的数据或报警值;汇聚单元单片机通过串口与汇聚单元Mesh模块进行通信并接收汇聚 单元Mesh模块发送的温度数据和其他信息;串口转以太网模块通过串口与处理器通信,接 收汇聚单元单片机发送的数据或报警值并通过以太网口和网线传送到上位机。无线汇聚单 元重新上电后:处于接收状态,接收数据,并按照无线簇头单元接收到的ACK中的同步时间 进行同步。如果同步过期,则重新同步无线簇头单元。
[0028]无线汇聚单元发布管理命令负责整个网络的正常运行,无线簇头单元负责簇内单 元的正常运行。网络中使用串口/RF两种通信方式,RF采用时分/频分协议,串口采用类PPP/ HDLC协议。
[0029]如图5、6所示无线汇聚单元和无线簇头单元之间采用2.4G的近距离、低复杂度、低 功耗、低速率、低成本的双向无线通讯的Mesh模块进行数据通信。
[0030] 1、无线汇聚单元和无线簇头单元之间采用Mesh模块,可以实现自动组网,实现同 步。无线汇聚单元和无线簇头单元之间采用星型网络,通讯距离从标准的75m到几百米、几 公里,并且支持无限扩展。其最大数据速率是250Kbps。
[0031] 2、无线簇头单元在成功和无线汇聚单元同步后,用无线簇头单元的433M频段,进 入无线簇头单元-无线数据采集单元簇内通信时间,所有的无线簇头单元几乎同时向各自 的无线数据采集单元发送同步命令,实现无线簇头单元-无线数据采集单元之间的时分同 步。
[0032] 3、无线汇聚单元在准备发送命令到无线簇头单元之前,首先确认无线簇头单元工 作在无线汇聚单元-无线簇头单元通信时间,计算无线汇聚单元-无线簇头单元的竞争时 隙,监听信道,发送数据;如果工作在无线簇头单元-无线数据采集单元通信时间,则停止发 送,等待无线汇聚单元-无线簇头单元通信时间。
[0033] 4、无线汇聚单元为每个簇维持一个计数,当3次不能从簇头收到数据时将该簇单 元数据置为零,表明这个簇头己死。
[0034] 5、无线汇聚单元收到无线簇头单元的数据后按照RTC时间将其保存到外部FLASH 中。
[0035] 6、高温快速无线报警单元和无线汇聚单元保持同步,并且掌握其它饞头的通信时 间,但其工作在专用通道channel x,无线数据采集单元可以直接将数据传送到该单元,该 单元将利用簇内通信时间和无线簇头单元与无线汇聚单元的竞争时间将数据发送到无线 汇聚单元。
[0036]如图6、7所示无线簇头单元和无线数据采集单元之间采用时分协议。
[0037] 1、无线簇头单元在和无线汇聚单元同步之后,进行簇内同步,同时根据同步帧中 下一次同步时间确定自己的同步唤醒时间。
[0038] 2、无线数据采集单元根据自己的单元号计算工作时间,然后休眠。
[0039] 3、无线数据采集单元工作时间到,采集数据,发送到无线簇头单元,等待ACK,如果 数据成功被无线簇头单元接受,休眠,否则重发,重发机会3次,然后休眠。
[0040] 4、无线数据采集单元如果发现采集的数据高于或低于某个规定值(可设定),则启 动高温快速报警,调整自己的采集周期,单元切换到专用通道channel x,将该数据直接发 送到无线报警单元。
[0041] 5、无线簇头单元在收到无线数据采集单元的数据后回复确认ACK(内含一个同步 标志,为了使无线数据采集单元调整自己的同步时间,而不必进行新的同步算法),在簇内 通信竞争时隙向休眠的无线数据采集结点发送命令,也可以在无线汇聚单元-无线簇头单 元时间向无线数据采集结点发送命令。
[0042] 6、无线簇头单元周期性的发布同步命令,以避免无线数据采集单元由于时钟漂移 所带来的同步误差。
[0043] 7、无线数据采集单元在同步时间到之后进入接收状态,如果T时间之后没有收到 同步命令,则重新按当前时隙工作。
[0044] 8、无线汇聚单元与上位机之间通过串口连接,上位机向无线汇聚单元提出数据请 求,无线汇聚单元向上位机返回数据,如果数据为0,表明发送该数据的单元故障。
[0045] 9、无线汇聚单元与上位机之间采用CRC校验,如果传输到上位机的数据发生错误, 则上位机发送重传命令。
[0046] 10、上位机获得单元号,数据,电压并作相应的处理。
[0047] 11、上位机可以获得无线汇聚单元中存储的历史数据。
[0048]所述冗余簇头单元和无线簇头单元使用同样的时隙,无线簇头单元向冗余簇头单 元发送备份同步命令,当冗余簇头单元两次不能收到备份同步时自己切换为主站工作。
[0049] 所述冗余汇聚单元和无线汇聚单元使用同样的时隙,无线汇聚单元向冗余汇聚单 元发送备份同步命令,当冗余簇头单元两次不能收到备份同步时自己切换为主站工作。

Claims (3)

1.一种应用超低功耗工业无线数据采集系统的数据采集方法,其特征在于,所述采集 系统包括无线数据采集单元、簇头单元组件及汇聚单元组件,所述无线数据采集单元采集 工业数据,并通过无线射频将工业数据发送到簇头单元组件,所述簇头单元组件将接收到 的数据通过另一频段的无线射频发送到操作室内的汇聚单元组件上,所述汇聚单元组件将 接收到的数据通过网络传给上位机; 所述簇头单元组件包括无线簇头单元、无线报警单元、冗余簇头单元,所述汇聚单元组 件包括无线汇聚单元、冗余汇聚单元,所述冗余簇头单元接收数据进行备份,所述无线报警 单元接收报警值;所述无线数据采集单元在高温情况下,切换信道,向无线报警单元发送报 警值,无线报警单元再把报警值通过汇聚单元组件传送给上位机,所述上位机根据收到的 数据判断被测对象温度是否正常,电池电压是否降到临界点,并向用户作出报警;冗余簇头 单元和无线簇头单元使用同样的时隙,无线簇头单元向冗余簇头单元发送备份同步命令, 当冗余簇头单元两次不能收到备份同步时自己切换为主站工作;冗余汇聚单元和无线汇聚 单元使用同样的时隙,无线汇聚单元向冗余汇聚单元发送备份同步命令,当冗余汇聚单元 两次不能收到备份同步时自己切换为主站工作;所述数据采集单片机通过I/O口对传感器 外设进行供电,当数据采集单片机休眠时,可以通过I/O 口的通断控制对传感器外设的供电 从而降低功耗。
2.根据权利要求1所述的采集方法,其特征在于,所述无线簇头单元和无线数据采集单 元之间采用时分协议;无线簇头单元在和无线汇聚单元同步之后,进行簇内同步,同时根据 同步帧中下一次同步时间确定自己的同步唤醒时间;无线数据采集单元根据自己的单元号 计算工作时间,之后休眠;无线数据采集单元工作时间到,采集数据,发送到无线簇头单元, 等待ACK,如果数据成功被无线簇头单元接受,休眠,否则重发,之后休眠;无线簇头单元在 收到无线数据采集单元的数据后回复确认ACK,在簇内通信竞争时隙向休眠的无线数据采 集单元发送命令,也可以在无线汇聚单元与无线簇头单元的通信时间内向无线数据采集单 元发送命令。
3.根据权利要求2所述的采集方法,其特征在于,所述无线汇聚单元和无线簇头单元之 间采用Mesh模块进行数据通信;无线簇头单元在成功和无线汇聚单元同步后,用无线簇头 单元的另一频段,进入无线簇头单元与无线数据采集单元的簇内通信时间,所有的无线簇 头单元向各自的无线数据采集单元发送同步命令,实现无线簇头单元与无线数据采集单元 之间的时分同步。
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