CN106452649A - 一种多点同步精确定时数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多点同步精确定时数据采集系统，属于数据同步采集技术领域。一种基于LabVIEW的多点同步精确定时数据采集系统，以NI公司的LabVIEW作为开发软件结合计算机和ZigBee网络来搭建虚拟的数据采集仪，利用ZigBee网络的无线传输功能来实现多点数据的透明传输，ZigBee网络通过串口与计算机进行通信，最后在计算机中应用LabVIEW开发的应用程序来对采集的数据进行分析、处理、显示和存储。实现了对水产养殖中多点数据的采集传输，同时保证传感器的正常工作。

Description

一种多点同步精确定时数据采集系统

技术领域

本发明涉及数据同步采集技术领域，特别是一种多点同步精确定时数据采集系统。

背景技术

随着计算机技术、超大规模集成电路技术和通信技术的飞跃发展，传统的单机仪器已远远不能适应大数量、高质量的信息采集要求，新的测试理论、新的测试方法不断应用与实际，新的测试领域随着各类学科的交叉而不断发展和演变。产生了以计算机为核心控制的测控系统，系统内的各单元通过各种总线进行互联，继而进行信息的传输。尤其是在石油、电力、水利、供水、煤气等分布式作业同时有远程精确定时测控要求的行业中，不同测量现场距离很大，有线测量系统布线复杂，成本也比较高的测试环境中。网络化的测控系统无非也具有重要的现实意义。

现有的水产养殖中很对是在江河中完成，即在江河中建立养殖区，实现水产养殖。目前，一些当地特产鱼类通常是在当地河流中繁殖，但随着人们需求的日益增长，野生的数量远远无法满足人们的日常需求，这就需要实现人工养殖。但野生鱼转人工养殖后，人工养殖场往往无法养成，究其原因是人工养殖无法满足鱼的生长环境；因此，这里需要一种能够多点采集养殖水域水质及环境参数的系统，以用于数据采集。由于需要在水中和水面采集数据，数据传输、传感器维护，及安装固定都什么麻烦及复杂。大多时候不能替代人工数据采集，这导致了劳动效率低，数据实时性差，无法全天候检测采集。

发明内容

本发明的发明目的是，针对上述问题，提供一种多点同步精确定时数据采集系统，利用ZigBee网络结合传感器即可实现对多个检测点的数据采集，再集合计算机强大的处理功能和LabVIEW在数据采集方面的优势，建立一个可以满足水产数据采集的系统，其大大减少开发成本、缩短了开发周期，同时具有可维护性强、灵活性好以及用户可自定义等优势。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种多点同步精确定时数据采集系统，包括多个数据采集单元、ZigBee协调器和PC机，

所述数据采集单元包括固定组件、电源组件和数据采集组件，所述固定组件包括固定插杆、下部密封件和上部密封件，所述固定插杆一端呈尖刺状，另一端用于敲击固定插杆使固定插杆尖刺一端插入地面；所述下部密封件为防水密封玻璃层且绕固定插杆中上部圆周固定，下部密封件与固定插杆之间形成密封层，所述上部密封件为密封防水壳体，可拆卸安装在固定插杆上部并与下部密封件密封插接；所述电源组件为太阳能发电组件，可拆卸安装在固定插杆上端并位于上部密封件上方；所述数据采集组件包括采集壳体、显示屏、按键面板、CC2530模块和底板，所述CC2530模块对应插设在底板的接口上，底板上设置连接CC2530模块的辅助电路并通过辅助电路连接第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、光照传感器、液位传感器、溶解氧传感器、PH值传感器及浊度传感器，底板还通过设置在底板上的电源电路、电源插口连接电源组件；所述底板固定在采集壳体内，采集壳体前端面依次安装连接底部的显示屏和按键面板，所述采集壳体安装在上部密封件内；所述第一温度传感器和第二温度传感器安装在下部密封件与固定插杆之间的密封层内，并沿下部密封件长度方向间隔安装，所述光照传感器、第三温度传感器安装在上部密封件外侧；所述液位传感器、溶解氧传感器、PH值传感器及浊度传感器均安装在下部密封件与固定插杆之间的密封层内，且其检测端均通过下部密封件上对应通孔伸出下部密封件并与下部密封件外轮廓平齐；液位传感器、溶解氧传感器、PH值传感器及浊度传感器的检测端均与下部密封件密封连接；

所述协调器为ZigBee协调器，协调器通过USRA接口或光纤连接PC机，当协调器接收到上位机发送来的用于定时采集的时间数据时，协调器以此时间数据为间隔将数据采集单元传送来的数据传送给PC机。

这里，PC机可以通过LabVIEW快速建立一套完整用于数据采集、分析、显示和存储数据的系统，为了达到同步采集、同步收发的目的，数据收发过程中应采用的是信道帧和时隙的方式。即当ZigBee协调器接收到PC机发送来的用于定时采集的时间数据时，ZigBee协调器以此时间数据为间隔将采集节点传送来的数据传送给PC机。数据传输过程的延迟极短因而可以忽略，因而可认为各采集节点的传感器几乎是同时的进行数据采集，将采集到的温度、湿度和光照强度等信息传送到CC2530模块进行数据处理，处理结束后按预先编定好的时隙经天线发送出去。以此种方式即可满足定时和同步的情况下，ZigBee协调器也可以分别在各时隙中接收到个采集节点发送过来的信号而不会造成混扰。ZigBee协调器在网络中的主要作用是负责控制整个网络的通信以及完成网络同步和维护设备之间的链接管理。在数据采集时，各个数据采集单元设备分布于需检测的位置，对各点进行信息的采集和发送，ZigBee协调器将接收到的数据通过USRT接口传送给PC机，由于采用的是无线传感技术，各个采集设备是分开放置于现场中需要检测的位置，不需要额外大量的布线，大大减小了施工压力和也降低了数据采集的成本。

同时，数据采集单元采用密封可拆卸结构，其固定组件可以用于固定在水中，可以满足任意安装的需求，电源组件为太阳能发电设备，其这样数据采集单元可以独立供电，无需拉线，避免触电；数据采集组件采用基于ZigBee协议的无线通信技术，其可以通过ZigBee协调器形成一个无线网络，而每个数据采集组件在安装好后自动加入这个无线网络，并通过其完成同步数据采集及数据传递。

优选的，所述下部密封件的上端部和下端部分别设置有密封气孔，所述密封气孔均连通下部密封件与固定插杆之间的密封层。由于下部密封件需要长期在水中工作，而传感器是十分精密的仪器，而潮湿的环境会导致其工作不正常；这里可以通过定期维护，即对一端密封气孔通入40-50摄氏度的干燥气体，而另一个密封气孔导出；这样可以定期干燥，保证密封层干燥，从而保证在其内的传感器可以正常工作。

优选的，所述所述固定插杆呈尖刺状的一端还设置有与尖刺朝向相同的辅助尖刺，辅助尖刺沿固定插杆圆周均布设置。这里在安装时可以进一步固定。

优选的，所述ZigBee协调器包括CC2530核心模块和CC2530底板。这里CC2530核心模块对应插入CC2530底板的插口既可以实现ZigBee协议应用。

优选的，所述上部密封件和下部密封件密封插接处的中间设置对应的数据插口，所述数据插口一端分别连接第一温度传感器、第二温度传感器、液位传感器、溶解氧传感器、PH值传感器及浊度传感器，另一端对应连接底板。这里通过数据插口设置可以保证传感器完全密封在下部密封件形成的密封层内，防止水分进入影响传感器正常工作。

优选的，所述下部密封件的直径大小与固定插杆下部的直径大小相同。这样可以避免固定插杆插接在地面时，地面可能对下部密封件形成破坏。

优选的，所述下部密封件与固定插杆之间的密封层内设有设置防潮层，所述防潮层贴合固定固定插杆，所述防潮层为吸水硅胶。吸水硅胶可以进一步吸收密封层内的水汽，同时可以存储水分，这样防止水滴形成，从而对传感器形成影响。同时在对密封层干燥后，防潮层也可以重复利用，这样大大保证了装置的可重复利用。

优选的，所述PC机通过LabVIEW对ZigBee协调器发送的数据采集信号，并对ZigBee协调器发送的数据采集信号分析、显示和存储。ZigBee是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率、低成本的无线网络技术。LabVIEW(Laboratory Virtual InstrumentEngineering Workbench)是一种使用用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言[9]。与传统文本编程语言的编程方式不同，LabVIEW采用数据流的编程方式，程序的执行顺序是由程序中节点之间的数据流向来决定的。它以图标方式来表示函数且可以很容易的了解其函数的意义，数据流向采用的是连线表示，因而可以很形象的看到程序执行的顺序，也便于编程者发现程序中存在的错误。因而使用LabVIEW来编写程序，编程者可以像是在搭积木一样，可以根据自己的需要“搭建”出相应的程序界面，而则将放置在程序框图中表示函数的图标与图标之间用线连线即可完成程序的执行内容。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：

1.本发明采用ZigBee、LabVIEW对数据采集、通信、数据处理，提供了一种成本低廉、工作高效的便捷途径，使用其来进行设计、测试并实现仪器系统可以大大调高工作效率。

2.本发明数据采集单元采用密封可拆卸结构，其固定组件可以用于固定在水中，可以满足任意安装的需求，电源组件为太阳能发电设备，其这样数据采集单元可以独立供电，无需拉线，避免触电；数据采集组件采用基于ZigBee协议的无线通信技术，其可以通过ZigBee协调器形成一个无线网络，而每个数据采集组件在安装好后自动加入这个无线网络，并通过其完成同步数据采集及数据传递。

3.本发明采用LabVIEW结合无线通信技术来设计的数据采集系统，能够实现对信号的实时采集和显示的虚拟化，用户界面友好、开发周期短、成本也比较低，可靠性高，用户可以自定义其结构和功能，构建灵活，容易转变。更重要的是，该系统的设计能更好的适应测量测试场合较为复杂和分布较为广阔的需求。

附图说明

图1是本发明功能结构示意图。

图2是本发明数据采集单元结构示意图。

附图中，1-PC机、2-ZigBee协调器、3-数据采集单元、4-固定组件、5-电源组件、6-数据采集组件、7-固定插杆、8-下部密封件、9-上部密封件、10-密封层、11-第一温度传感器、12-第二温度传感器、13-第三温度传感器、14-光照传感器、15-光照传感器、16-溶解氧传感器、17-PH值传感器、18-溶解氧传感器。

具体实施方式

以下结合附图对发明的具体实施进一步说明。

如图1所示，一种多点同步精确定时数据采集系统，包括多个数据采集单元3、ZigBee协调器2和PC机1。

数据采集单元3包括固定组件4、电源组件5和数据采集组件5。固定组件4包括固定插杆7、下部密封件8和上部密封件9，固定插杆7一端呈尖刺状，另一端用于敲击固定插杆7使固定插杆7尖刺一端插入地面。下部密封件8为防水密封玻璃层且绕固定插杆7中上部圆周固定，下部密封件8与固定插杆7之间形成密封层10。上部密封件9为密封防水壳体，可拆卸安装在固定插杆7上部并与下部密封件8密封插接。电源组件5为太阳能发电组件，可拆卸安装在固定插杆7上端并位于上部密封件9上方。数据采集组件5包括采集壳体、显示屏、按键面板、CC2530模块和底板，CC2530模块对应插设在底板的接口上，底板上设置连接CC2530模块的辅助电路并通过辅助电路连接第一温度传感器11、第二温度传感器12、第三温度传感器13、光照传感器14、光照传感器15、溶解氧传感器16、PH值传感器17及溶解氧传感器18；底板还通过设置在底板上的电源电路、电源插口连接电源组件5。底板固定在采集壳体内，采集壳体前端面依次安装连接底部的显示屏和按键面板，采集壳体安装在上部密封件9内。第一温度传感器11和第二温度传感器12安装在下部密封件8与固定插杆7之间的密封层10内，并沿下部密封件8长度方向间隔安装，光照传感器14、第三温度传感器13安装在上部密封件9外侧。第一温度传感器11对应测量水底温度，第二温度传感器12对应测量水面温度。光照传感器15、溶解氧传感器16、PH值传感器17及溶解氧传感器18均安装在下部密封件8与固定插杆7之间的密封层10内，且其检测端均通过下部密封件8上对应通孔伸出下部密封件8并与下部密封件8外轮廓平齐。光照传感器15、溶解氧传感器16、PH值传感器17及溶解氧传感器18的检测端均与下部密封件8密封连接。

部密封件的上端部和下端部分别设置有密封气孔，密封气孔均连通下部密封件8与固定插杆7之间的密封层10。由于下部密封件8需要长期在水中工作，而传感器是十分精密的仪器，而潮湿的环境会导致其工作不正常；这里可以通过定期维护，即对一端密封气孔通入40-50摄氏度的干燥气体，而另一个密封气孔导出；这样可以定期干燥，保证密封层10干燥，从而保证在其内的传感器可以正常工作。

固定插杆7呈尖刺状的一端还设置有与尖刺朝向相同的辅助尖刺，辅助尖刺沿固定插杆7圆周均布设置。这里在安装时可以进一步固定。

上部密封件9和下部密封件8密封插接处的中间设置对应的数据插口，数据插口一端分别连接第一温度传感器11、第二温度传感器12、光照传感器15、溶解氧传感器16、PH值传感器17及溶解氧传感器18，另一端对应连接底板。这里通过数据插口设置可以保证传感器完全密封在下部密封件8形成的密封层10内，防止水分进入影响传感器正常工作。

下部密封件8的直径大小与固定插杆7下部的直径大小相同。这样可以避免固定插杆7插接在地面时，地面可能对下部密封件8形成破坏。

下部密封件8与固定插杆7之间的密封层10内设有设置防潮层，防潮层贴合固定固定插杆7，防潮层为吸水硅胶。吸水硅胶可以进一步吸收密封层10内的水汽，同时可以存储水分，这样防止水滴形成，从而对传感器形成影响。同时在对密封层10干燥后，防潮层也可以重复利用，这样大大保证了装置的可重复利用。

协调器为ZigBee协调器2，协调器通过USRA接口或光纤连接PC机1，当协调器接收到上位机发送来的用于定时采集的时间数据时，协调器以此时间数据为间隔将数据采集单元3传送来的数据传送给PC机1。ZigBee协调器2包括CC2530核心模块和CC2530底板。这里CC2530核心模块对应插入CC2530底板的插口既可以实现ZigBee协议应用。

PC机1通过LabVIEW对ZigBee协调器2发送的数据采集信号，并对ZigBee协调器2发送的数据采集信号分析、显示和存储。ZigBee是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据传输率、低成本的无线网络技术。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench)是一种使用用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。与传统文本编程语言的编程方式不同，LabVIEW采用数据流的编程方式，程序的执行顺序是由程序中节点之间的数据流向来决定的。它以图标方式来表示函数且可以很容易的了解其函数的意义，数据流向采用的是连线表示，因而可以很形象的看到程序执行的顺序，也便于编程者发现程序中存在的错误。因而使用LabVIEW来编写程序，编程者可以像是在搭积木一样，可以根据自己的需要“搭建”出相应的程序界面，而则将放置在程序框图中表示函数的图标与图标之间用线连线即可完成程序的执行内容。

这里，PC机1可以通过LabVIEW快速建立一套完整用于数据采集、分析、显示和存储数据的系统，为了达到同步采集、同步收发的目的，数据收发过程中应采用的是信道帧和时隙的方式。即当ZigBee协调器2接收到PC机1发送来的用于定时采集的时间数据时，ZigBee协调器2以此时间数据为间隔将采集节点传送来的数据传送给PC机1。数据传输过程的延迟极短因而可以忽略，因而可认为各采集节点的传感器几乎是同时的进行数据采集，将采集到的温度、湿度和光照强度等信息传送到CC2530模块进行数据处理，处理结束后按预先编定好的时隙经天线发送出去。以此种方式即可满足定时和同步的情况下，ZigBee协调器2也可以分别在各时隙中接收到个采集节点发送过来的信号而不会造成混扰。ZigBee协调器2在网络中的主要作用是负责控制整个网络的通信以及完成网络同步和维护设备之间的链接管理。在数据采集时，各个数据采集单元3设备分布于需检测的位置，对各点进行信息的采集和发送，ZigBee协调器2将接收到的数据通过USRT接口传送给PC机1，由于采用的是无线传感技术，各个采集设备是分开放置于现场中需要检测的位置，不需要额外大量的布线，大大减小了施工压力和也降低了数据采集的成本。

同时，数据采集单元3采用密封可拆卸结构，其固定组件4可以用于固定在水中，可以满足任意安装的需求，电源组件5为太阳能发电设备，其这样数据采集单元3可以独立供电，无需拉线，避免触电；数据采集组件5采用基于ZigBee协议的无线通信技术，其可以通过ZigBee协调器2形成一个无线网络，而每个数据采集组件5在安装好后自动加入这个无线网络，并通过其完成同步数据采集及数据传递。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (8)

1.一种多点同步精确定时数据采集系统，其特征在于：包括多个数据采集单元、ZigBee协调器和PC机，

所述数据采集单元包括固定组件、电源组件和数据采集组件，所述固定组件包括固定插杆、下部密封件和上部密封件，所述固定插杆一端呈尖刺状，另一端用于敲击固定插杆使固定插杆尖刺一端插入地面；所述下部密封件为防水密封玻璃层且绕固定插杆中上部圆周固定，下部密封件与固定插杆之间形成密封层，所述上部密封件为密封防水壳体，可拆卸安装在固定插杆上部并与下部密封件密封插接；所述电源组件为太阳能发电组件，可拆卸安装在固定插杆上端并位于上部密封件上方；所述数据采集组件包括采集壳体、显示屏、按键面板、CC2530模块和底板，所述CC2530模块对应插设在底板的接口上，底板上设置连接CC2530模块的辅助电路并通过辅助电路连接第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、光照传感器、液位传感器、溶解氧传感器、PH值传感器及浊度传感器，底板还通过设置在底板上的电源电路、电源插口连接电源组件；所述底板固定在采集壳体内，采集壳体前端面依次安装连接底部的显示屏和按键面板，所述采集壳体安装在上部密封件内；所述第一温度传感器和第二温度传感器安装在下部密封件与固定插杆之间的密封层内，并沿下部密封件长度方向间隔安装，所述光照传感器、第三温度传感器安装在上部密封件外侧；所述液位传感器、溶解氧传感器、PH值传感器及浊度传感器均安装在下部密封件与固定插杆之间的密封层内，且其检测端均通过下部密封件上对应通孔伸出下部密封件并与下部密封件外轮廓平齐；液位传感器、溶解氧传感器、PH值传感器及浊度传感器的检测端均与下部密封件密封连接；

所述协调器为ZigBee协调器，协调器通过USRA接口或光纤连接PC机，当协调器接收到上位机发送来的用于定时采集的时间数据时，协调器以此时间数据为间隔将数据采集单元传送来的数据传送给PC机。

2.根据权利要求1所述的一种多点同步精确定时数据采集系统,其特征在于：所述下部密封件的上端部和下端部分别设置有密封气孔，所述密封气孔均连通下部密封件与固定插杆之间的密封层。

3.根据权利要求1所述的一种多点同步精确定时数据采集系统,其特征在于：所述所述固定插杆呈尖刺状的一端还设置有与尖刺朝向相同的辅助尖刺，辅助尖刺沿固定插杆圆周均布设置。

4.根据权利要求1所述的一种多点同步精确定时数据采集系统,其特征在于：所述ZigBee协调器包括CC2530核心模块和CC2530底板。

5.根据权利要求1所述的一种多点同步精确定时数据采集系统,其特征在于：所述上部密封件和下部密封件密封插接处的中间设置对应的数据插口，所述数据插口一端分别连接第一温度传感器、第二温度传感器、液位传感器、溶解氧传感器、PH值传感器及浊度传感器，另一端对应连接底板。

6.根据权利要求1所述的一种多点同步精确定时数据采集系统,其特征在于：所述下部密封件的直径大小与固定插杆下部的直径大小相同。

7.根据权利要求1所述的一种多点同步精确定时数据采集系统,其特征在于：所述下部密封件与固定插杆之间的密封层内设有设置防潮层，所述防潮层贴合固定固定插杆，所述防潮层为吸水硅胶。

8.根据权利要求1所述的一种多点同步精确定时数据采集系统,其特征在于：所述PC机通过LabVIEW对ZigBee协调器发送的数据采集信号，并对ZigBee协调器发送的数据采集信号分析、显示和存储。