CN107463137A - 一种多源异构数据一体化同步采集设备及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多源异构数据一体化同步采集设备及其方法，其中该设备包括微控制器，所述微控制器通过以太网口驱动模块分别与多源异构数据采集模块相连，所述以太网口驱动模块用于将多源异构数据采集模块所采集的数据传送至微控制器，所述微控制器用于将接收到的数据进行解析处理成统一结构形式的数据后，再将处理后的数据打包压缩发送至GPRS数据远程传输模块，实现数据远传。

Description

一种多源异构数据一体化同步采集设备及其方法

技术领域

本发明属于安全监测与专用设备研发领域，尤其涉及一种多源异构数据一体化同步采集设备及其方法。

背景技术

随着我国在基础设施建设方面的迅速增加，大坝、隧道、桥梁等大型基础工程建设迅猛增长，高长坝体、深长隧道及大垮桥梁的大幅增多，使得溃坝、塌方、突水等安全事故发生的风险急剧增大，大型工程安全监测形式严峻。

目前主要采用电阻应变片、钢弦式传感器、光纤光栅、分布式光纤等测量方法，实现应变(动态/静态)、应力、位移、裂缝、温度、压力、渗压等多种关键参数的实时监测。由于使用了多种数据采集仪，不同的采集仪通讯协议不同，传输速率也不同，使得现场数据表达方式复杂，数据来源丰富，获取手段多样，各类数据有明显的异构性，特别是在通讯方面存在多语义性，各监测系统互相独立，不能实现多种数据的同步采集与关联分析。因此，亟待研制适用于大型工程的多源异构数据一体化同步采集设备。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种多源异构数据一体化同步采集设备。该设备结构紧凑、拆装方便、制作容易、安全可靠、实用性强，不仅测量精度高，安全系数高，而且成本低，携带方便，可实现实时连续测量，极具有使用价值。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明的多源异构数据一体化同步采集设备，包括：

微控制器，所述微控制器通过以太网口驱动模块分别与多源异构数据采集模块相连，所述以太网口驱动模块用于将多源异构数据采集模块所采集的数据传送至微控制器，所述微控制器用于将接收到的数据进行解析处理成统一结构形式的数据后，再将处理后的数据打包压缩发送至GPRS数据远程传输模块，实现数据远传；

其中，所述微控制器被配置为：

针对接收到的每种结构形式数据来创建一个线程进行处理；

建立与多源异构数据采集模块的通讯连接，并多源异构数据采集模块发送表示不同采集命令的不同地址；

利用与多源异构数据采集模块的数据接口函数对相应数据进行解析并存储至缓存区；

调取缓存区内的数据按照特定数据协议将处理后的数据拼接在一起，加上起始位、校验位和结束位作为一帧数据存储在发送区内，由发送区向GPRS数据远程传输模块发送数据。

例如：本发明的微控制器采用STM32F107VCT6工业级MCU芯片作为仪器终端的核心控制器，STM32F107是意法半导体推出全新STM32互连型(Connectivity)系列微控制器中的一款性能较强产品，此芯片集成了各种高性能工业标准接口，且STM32不同型号产品在引脚和软件上具有完美的兼容性，可以轻松适应更多的应用。新STM32的标准外设包括10个定时器、两个12位1-Msample/s AD(模数转换器)(快速交替模式下2M sample/s)、两个12位DA(数模转换器)、两个I2C接口、五个USART接口和三个SPI端口和高质量数字音频接口IIS，另外STM32F107拥有全速USB(OTG)接口，两路CAN2.0B接口，以及以太网10/100MAC模块。此芯片可以满足工业、医疗、楼宇自动化、家庭音响和家电市场多种产品需求。

GPRS数据远程传输模块采用SIMCom公司的SIM800C芯片。SIM800C是一款四频GSM/GPRS模块,为城堡孔封装。其性能稳定，外观小巧，性价比高，能满足客户的多种需求。所述SIM800C芯片的串口与控制器STM32F107的串口连接，通过串口通讯，实现AT指令的发送与SIM800C返回信息的接收。

进一步的，所述多源异构数据采集模块包括光纤光栅数据采集仪、分布式光纤数据采集仪、钢弦式传感数据采集仪和电阻应变传感数据采集仪，所述多源异构数据采集模块用于实现多源异构数据的采集。

进一步的，所述微控制器还分别与双电源断电无间隔切换电路、工作环境温湿度检测模块和触摸屏设置参数及显示模块相连；所述双电源断电无间隔切换电路与双电源供电模块相连。

进一步的，所述微控制器还与同步时间模块相连，所述同步时间模块采用北斗卫星时间同步装置对整个系统进行统一授时。

其中，时间同步模块即为一个高性能的卫星授时接收机，获取北斗卫星信号作为参考标准，保证全网的时间同步采集精度，时间精度为0.5μs。

进一步的，所述以太网口驱动模块采用标准的RJ45接口，通过RMII方式连接到微控制器。

例如：在以太网口驱动模块口中，采用标准的RJ45接口的HR11105A，通过DP8384C芯片的RMII方式连接到STM32F107。DP83848C是美国国家半导体公司生产的一款鲁棒性好、功能全、功耗低的10/100Mbps单路物理层(PHY)器件。它支持MII(介质无关接口)和RMII(精简的介质无关接口)，使设计更简单灵活；同时，支持10BASE～T和100BASE-TX以太网外设，对其他标准以太网解决方案有良好的兼容性和通用性。DP83848C的收发线路各是一对差分线，经过变比为1：1的以太网变压器后与网线相连。以太网变压器的主要作用是阻抗匹配、信号整形、网络隔离，以及滤除网络和设备双方面的噪音。

进一步的，所述温湿度检测模块采用高温型电容式温湿度模块。

例如：所述温湿度检测模块采用探头AM2305高温型电容式温湿度模块。AM2305湿敏电容数字温湿度模块是一款含有己校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在单片机中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。标准单总线接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。本设备使用的AM2305产品为3引线(单总线接口)连接方便。

进一步的，所述双电源供电模块使用交流和直流双供电。

其中，交流为220AC，直流为12VDC。

进一步的，所述双电源供电模块的输出端还连接有电压检测模块，所述电压检测模块与微处理器相连。

进一步的，所述双电源断电无间隔切换电路采用多个P沟道MOS管配合使用来实现断电无间隔切换。

例如：双电源断电无间隔切换电路采用多个IRF5210-P沟道MOS管实现断电无间隔切换。蓄电池通过线缆连接至壳体的航空插头上，当无市电220V接入时，无缝切换电路选择由12V蓄电池为数据采集主机供电；当有市电220V接入时，无缝切换电路自动选择12V开关电源对数据采集主机进行供电，同时适配器为蓄电池进行涓流充电。

本发明还提供了一种多源异构数据一体化同步采集设备的工作方法。

本发明的多源异构数据一体化同步采集设备的工作方法，包括：

多源异构数据采集模块采集的多源异构数据经以太网口驱动模块传送至微控制器；

微控制器将接收到的数据进行解析处理成统一结构形式的数据后，再将处理后的数据打包压缩发送至GPRS数据远程传输模块，实现数据远传。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用嵌入式技术，硬件上通过微控制器，与微控制器相连的以太网口、以太网口交换机驱动、双电源断电无间隔切换模块、工作环境温湿度检测模块、触摸屏设置参数及显示模块、GPRS数据远程传输模块搭建一个监测系统。软件上增加数据压缩技术实现海量大数据的无线远程发送以及CRC校验位，确保监测数据准确,实现连续实时监测。

(2)本发明的一种多源异构数据一体化同步采集设备，实现了光纤光栅、分布式光纤、电阻应变片、钢弦式等数据采集仪的同步采集与关联分析，为大型工程安全监测提供可靠的数据支撑。其中，多源异构数据一体化同步采集最核心的是数据集成，通过数据集成，可以将工作现场里各种关联的、分布的、多源异构的数据源集成在一起，为用户提供透明、便捷的访问方式，获得各所需的有信息。数据集成并不是简简单单的把数据合并在一起就可以了，从理论和技术的角度出发，数据集成就是要屏蔽信息系统的异构性和数据表示方式的差异性，将不同系统中的数据通过各种技术手段进行无缝连接，并实现统一的访问。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明一种多源异构数据一体化同步采集设备的结构示意图；

图2为本发明一种多源异构数据一体化同步采集设备的双电源断电无间隔切换电路图；

图3为本发明一种多源异构数据一体化同步采集设备的12V直流电源转5V直流电源电路图；

图4为本发明一种多源异构数据一体化同步采集设备的12V直流电源转4V直流电源电路图；

图5为本发明一种多源异构数据一体化同步采集设备的5V直流电源转3.3V直流电源电路图；

图6为本发明一种多源异构数据一体化同步采集设备的GPRS模块电路图；

图7为本发明一种多源异构数据一体化同步采集设备的以太网接口驱动模块电路图；

图8为本发明一种多源异构数据一体化同步采集设备的RJ45接口模块电路图；

图9为采集与解析数据的过程示意图；

图10为打包压缩与发送数据的过程示意图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

图1为本发明一种多源异构数据一体化同步采集设备的结构示意图。

如图1所示，本发明的一种多源异构数据一体化同步采集设备，包括：

微控制器，所述微控制器通过以太网口驱动模块分别与多源异构数据采集模块相连，其中，多源异构数据采集模块包括光纤光栅数据采集仪、分布式光纤数据采集仪、钢弦式传感数据采集仪和电阻应变传感数据采集仪；

所述微控制器还分别与双电源断电无间隔切换电路、工作环境温湿度检测模块、触摸屏设置参数及显示模块、同步时间模块和GPRS数据远程传输模块相连。

采集仪返回到微控制器的信号有电信号数据和光信号数据，且电信号与电信号之间，光信号与光信号之间的数据协议类型也不形同，要使得所有的数据处理成统一的结构形式，必须分别对采集仪所返回的数据依次进行处理再打包。采集与解析数据的过程，如图9所示。打包压缩与发送数据的过程，如图10所示。

系统采用多线程技术，为每一个实时更新的数据创建一个线程进行处理，微控制器与采集仪建立好TCP连接后，微控制器向采集仪发送不同的地址表示不同的采集命令，采集仪接收到“命令”后开始工作，将原始采集数据返回到微控制器，微控制器再利用各个采集仪的数据接口函数对原始数据进行解析处理，存储到缓冲区，缓冲区数据内结构见表1。

表1缓冲区数据结构

采集仪编号	数据类型	数据长度	数据
				8位	8位	8位	N*8位

微控制器将所有的采集仪返回数据都解析处理后，再按照特定的数据协议将所有的数据按编号拼接在一起，加上起始位、校验位、结束为作为一帧数据存储在发送区内，发送区内数据结构见表2。

表2发送区数据结构

起始位

采集仪编号

数据类型

数据长度

数据

检验位

结束位

8位

8位

8位

8位

N*8位

4*8位

8位

各标志字段含义：

(1)起始位：标识协议数据单元的开始；

(2)采集仪编号：标识系统中的各个采集仪；

(3)数据类型：标识采集仪所返回数据的数据类型；

(4)命令类型：数据长度：表示协议数据单元的长度。每种采集仪解析后的数据的长度是不固定的，且同一采集仪在不同时刻解析后的数据也不固定，具体长度由该字段来确定；

(5)数据：要传输的数据，为了编程的方便，设定统一的数据长度不够长度的填充为0来补齐。

(6)校验位：校验码进行判断接收到的消息在传输的过程中是否出现错误。校验采用CRC-16校验方法。

(7)结束位；标识协议数据单元的结束。

作为优选，微处理器采用意法半导体公司的互联网型STM32F107VCT6工业级MCU芯片作为仪器终端的核心控制器。其中，控制器最小系统电路包括双晶振电路、复位电路、以及3.3V供电电路。

作为优选，所述双电源断电无间隔切换电路采用多个IRF5210-P沟道MOS管配合使用实现断电无间隔切换。如图2所示，输出电路有两种供电选择，分别是220转12V供电和12V蓄电池供电选择，切换电路使用了三个P沟道的场效应管，Q2、Q3采用背靠背的接法。当外界输入没有12V-220时，此时Q2导通，Q3也完全导通(增强型MOSFET的对称性)，Q1是不导通。也就是说，蓄电池的电流，不会流向开关电源220-12V的输出端。当外部接有220-12V的输入电压时，Q2、Q3都不会导通，Q1由于寄生二极管的作用完全导通，此时由220-12V直接供电。此电路目的是实现两个供电电源的无缝切换，当两个供电电源都接上时，供电选择220-12V供电，当由于外界原因220-12供电停止时，供电方式自动切换到蓄电池供电模式。

作为优选，如图3所示，12V直流电源转5V直流电源选用LM2576芯片，LM2576是降压型开关稳压器，具有非常小的电压调整率和电流调整率，具有3A的负载驱动能力，因此可为本设备所有负载提供足够大的电流。其典型电路输出5V直流电源，此电路除了在输入输出端分别接电解电容滤波外，在输出端串联一个工型电感，并且通过1N5820肖特基二极管接地保护。

作为优选，如图4所示，5V直流电源转4V直流电源选用MIC29302芯片，MIC29302为大电流低电压稳压器，该电路选择合适的外接电阻，使得输出4V电压并且输出电流大于2A，本模块电路仅为SIM800C芯片供电，满足其电流要求。

作为优选，如图5所示，5V直流电源转3.3V直流电源选用AMS1117线性稳压器芯片(LDO)，AMS1117-3.3是三端固定稳压器，该电路输出3.3V直流电压主要为MCU部分提供电源。

作为优选，如图6所示，所述GPRS数据远程传输模块采用SIMCom公司的SIM800C芯片，SIM800C的两个串口引脚经过电阻上拉下拉连接单片机的USART，单片机可通过串口和SIM800C实现通讯，控制SIM800C工作。

在以太网口驱动模块中，选用DP8384C作为PHY芯片，其通过RMII方式连接到STM32F107，DP83848C是美国国家半导体公司生产的一款鲁棒性好、功能全、功耗低的10/100Mbps单路物理层(PHY)器件。它支持MII(介质无关接口)和RMII(精简的介质无关接口)，使设计更简单灵活；同时，支持10BASE～T和100BASE-TX以太网外设，对其他标准以太网解决方案有良好的兼容性和通用性。DP83848C的收发线路各是一对差分线，经过变比为1：1的以太网变压器后与网线相连。以太网变压器的主要作用是阻抗匹配、信号整形、网络隔离，以及滤除网络和设备双方面的噪音。PHY芯片时钟由主控PA1引脚提供，其电路图如图7所示。

如图8所示，以太网口驱动模块中采用标准的RJ45接口的HR911105A，其内部集成网络变压器，为以太网通信电路提供电平转换和高频隔离。它的主要功能是转换电平并抑制高频干扰接入以太网，防止烧坏元器件，实现带电插拔功能。该器件的选择在节省PCB板的空间的同时，也能提高高频信号传输的可靠性。

本发明的创新点在于：可将多套不同的采集仪所采集的多源异构数据进行解析，测量精度高，可实现同步实时采集和远程显示及存储。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种多源异构数据一体化同步采集设备，其特征在于，包括：

微控制器，所述微控制器通过以太网口驱动模块分别与多源异构数据采集模块相连，所述以太网口驱动模块用于将多源异构数据采集模块所采集的数据传送至微控制器，所述微控制器用于将接收到的数据进行解析处理成统一结构形式的数据后，再将处理后的数据打包压缩发送至GPRS数据远程传输模块，实现数据远传；

其中，所述微控制器被配置为：

针对接收到的每种结构形式数据来创建一个线程进行处理；

建立与多源异构数据采集模块的通讯连接，并多源异构数据采集模块发送表示不同采集命令的不同地址；

利用与多源异构数据采集模块的数据接口函数对相应数据进行解析并存储至缓存区；

调取缓存区内的数据按照特定数据协议将处理后的数据拼接在一起，加上起始位、校验位和结束位作为一帧数据存储在发送区内，由发送区向GPRS数据远程传输模块发送数据。

2.如权利要求1所述的一种多源异构数据一体化同步采集设备，其特征在于，所述多源异构数据采集模块包括光纤光栅数据采集仪、分布式光纤数据采集仪、钢弦式传感数据采集仪和电阻应变传感数据采集仪，所述多源异构数据采集模块用于实现多源异构数据的采集。

3.如权利要求1所述的一种多源异构数据一体化同步采集设备，其特征在于，所述微控制器还分别与双电源断电无间隔切换电路、工作环境温湿度检测模块和触摸屏设置参数及显示模块相连；所述双电源断电无间隔切换电路与双电源供电模块相连。

4.如权利要求1所述的一种多源异构数据一体化同步采集设备，其特征在于，所述微控制器还与同步时间模块相连，所述同步时间模块采用北斗卫星时间同步装置对整个系统进行统一授时。

5.如权利要求1所述的一种多源异构数据一体化同步采集设备，其特征在于，所述以太网口驱动模块采用标准的RJ45接口，通过RMII方式连接到微控制器。

6.如权利要求1所述的一种多源异构数据一体化同步采集设备，其特征在于，所述温湿度检测模块采用高温型电容式温湿度模块。

7.如权利要求3所述的一种多源异构数据一体化同步采集设备，其特征在于，所述双电源供电模块使用交流和直流双供电。

8.如权利要求3所述的一种多源异构数据一体化同步采集设备，其特征在于，所述双电源供电模块的输出端还连接有电压检测模块，所述电压检测模块与微处理器相连。

9.如权利要求3所述的一种多源异构数据一体化同步采集设备，其特征在于，所述双电源断电无间隔切换电路采用多个P沟道MOS管配合使用来实现断电无间隔切换。

10.一种基于如权利要求1-9中任一所述的多源异构数据一体化同步采集设备的工作方法，其特征在于，包括：

多源异构数据采集模块采集的多源异构数据经以太网口驱动模块传送至微控制器；

微控制器将接收到的数据进行解析处理成统一结构形式的数据后，再将处理后的数据打包压缩发送至GPRS数据远程传输模块，实现数据远传。