CN108965385A - 一种基于wsn的无线数据采集系统及采集方法 - Google Patents

一种基于wsn的无线数据采集系统及采集方法 Download PDF

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刘著国
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Abstract

本发明公开了一种基于WSN的无线数据采集系统及采集方法，属于建筑施工数据采集技术领域，包括无线数据采集终端、无线传感网络和云服务器，无线数据采集终端安装在施工现场，通过自定义的无线通信协议进行定义无线通信的信令和帧格式，并通过无线传感网络进行无线收发，连接云服务器；无线数据采集终端包括嵌入式软件和嵌入式硬件；嵌入式软件包括仪表数据采集模块、无线数据收发模块和无线通信协议模块；无线通信协议模块规定了仪表数据采集模块与仪表设备、无线数据收发模块与云服务器数据集中控制终端的通信方式。本发明应用于采集数据量小但仪表设备分布分散的场景，能保证云端数据采集的通信可靠性，提高采集效率。

Description

一种基于WSN的无线数据采集系统及采集方法
技术领域
本发明涉及建筑施工数据采集技术领域，具体地说是一种基于WSN的无线数据采集系统及采集方法。
背景技术
随着人们生活水平的提高，各种仪表和设备已经在经济生活的各个领域中有了极大的广泛应用，如电表、水表等。各种仪表和设备的数据信息采集对于仪表、设备的检测和管理是必不可少的，对各种仪表数据的远程采集和上传，远程采集和管理仪表数据，可以节约人力资源、提高工作效率，同时，对仪表数据的分析和应用，也需要依赖于仪表数据的采集和上传。
对于仪表、设备的数据采集往往是专用的数据采集设备对仪表、设备的数据进行集中采集，对于采集数据量小、且仪表设备分布分散的情况，比如工地水电数据监测、野外作业仪表数据集中与上传等，传统的仪表、设备数据采集方式造成了资源的浪费，这对仪表、设备的数据采集、远程管理等都带来了诸多不便。
发明内容
本发明的技术任务是针对以上不足之处，提供一种基于WSN的无线数据采集系统及采集方法，实现对仪表设备数据的采集，并通过无线传感网络上传到服务器，可广泛应用于采集数据量小但仪表设备分布分散的应用场景。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于WSN的无线数据采集系统，包括无线数据采集终端、无线传感网络和云服务器，无线数据采集终端安装在施工现场，通过自定义的无线通信协议进行定义无线通信的信令和帧格式，建立透传链路，通过无线传感网络WSN进行无线收发，连接云服务器；
无线数据采集终端包括嵌入式软件和嵌入式硬件，嵌入式软件与嵌入式硬件配合实现对仪表设备的采集；嵌入式软件包括仪表数据采集模块、无线数据收发模块和无线通信协议模块；仪表数据采集模块向仪表设备发送采集指令，并采集仪表设备返回的数据；无线数据收发模块通过WSN与云服务器主控集中控制节点进行通信；无线通信协议模块规定了仪表数据采集模块与仪表设备、无线数据收发模块与云服务器数据集中控制终端的通信方式，包括通信信令、通信格式和通信可靠性策略。
嵌入式软件定义多种通信信令，包括配置信令、控制信令、操作信令等内容，解决了通信过程中的设备识别、设备状态监测、设备数据上传等功能；定义了设备的通信格式，能够在设备采集端、设备集中端远程云服务器端之间进行数据通信；定义了设备之间的通信方式，在系统启动时，由数据集中端以广播的方式发布邀请注册信令，让各个采集设备连接到数据集中端。系统启动后，数据采集端与数据集中端之间采取点对点的通信方式，降低了各种设备无线通信的干扰；定义了数据集中端与数据采集端之间通信的可靠性保证策略，在设备之间采取一问一答，即时应答的通信策略，确保通信的可靠性；定义了在系统启动时新增加设备的方式，使得设备可以动态增加到系统中。
优选的，无线数据采集终端采用STM32F103VE芯片。
进一步的，所述仪表数据采集模块通过232/485通信接口与仪表设备进行通信。
进一步的，仪表数据采集模块通过访问嵌入式硬件配置中的串口2、串口3实现232/485的通信接口。
仪表数据采集模块工作实现方式如下：
1）、初始化串口2和/或串口3配置，包括波特率、数据位长、停止位、校验位和校验方式；
2）、设置串口数据接收的中断，并定义中断的级别和中断处理函数；
3）、设置定时器，检查是否接收完整的一帧数据，然后将数据按照无线通信协议进行打包。
仪表数据采集模块保证了采集数据通信的可靠性，避免不同通信节点间同时通信时造成干扰。
进一步的，无线数据收发模块通过访问嵌入式硬件配置中的串口1进行无线收发。
无线数据收发模块工作实现方式如下：
1）、初始化串口1，包括包括波特率、数据位长、停止位、校验位和校验方式；
2）、设置串口数据接收的中断，并定义终端的级别和中断处理函数；
3）、设置定时器，检查是否接收完整的一帧数据，然后将数据按照无线通信协议进行解包。
无线数据收发模块保证了接收数据通信的可靠性，避免不同通信节点间同时与数据集中控制端通信时造成干扰。
进一步的，无线通信协议模块定义无线通信的帧格式和通信信令，并建立有限状态机程序，处理不同的通信信令。
嵌入式软件定义通信信令、通信格式和通信可靠性策略，其中，
通信信令指协议中定义的设备间通信的各种指令，包括心跳指令、控制指令和操作指令等；
通信格式定义了设备间通信的帧的格式；
通信可靠性策略包括：
1）、在系统启动时，由云服务器集中控制设备以广播方式发送邀请注册指令，各采集设备向集中设备发送设备注册邀请的回复，并发送各自的ID 给集中控制设备，并等待集中控制设备发送的注册反馈，如果在一段时间内收不到反馈，则每隔一段时间重新发送注册指令。
2）、由集中控制设备每隔10秒向采集设备发送心跳指令，采集设备向集中控制设备发送心跳确认指令，确认设备的状态。
3）、在集中控制设备和采集设备间进行通信时，每一条指令都要求即刻反馈响应的确认指令，确认每一次通信的可靠性。
嵌入式软件通过自定义的无线通信信令，定义了设备间的数据通信的应用方式；通过自定义的无线通信帧格式，实现了设备间数据传输格式的标准化；通过自定义的可靠性检测策略，提高了设备间数据通信可靠性。
一种基于WSN的无线数据采集方法，使用上述的一种基于WSN的无线数据采集系统进行远程仪表设备数据的采集，其采集方法步骤如下：
1）、仪表设备上电后，将仪表设备与无线数据采集终端通过232/485接口连接；
2）、通过组织通信信令与仪表设备进行通信；
3）、配置仪表设备的串口通信参数；
AABB0000000000000000000000140704000000000C
AABB0000000000000000000000150704000000000C
4）、配置仪表设备的名称和目的地节点ID；
AABB0000000000000000000000120AAABB74657374313131310202
5）、配置WSN 的通信参数；
AABB0000000000000000000000141255AA160401010102020201080201010A0062
6）、仪表设备上电后进入通信状态。
其中，无线数据采集终端的通过组织通信信令与设备进行通信，帧结构如下：
typedef struct
{
u8 dest[2];
u8 tag[2];
u8 devid[8];
u8 dataid;
u8 command;
u8 datalen;
u8 data[128];
u8 crc;
}stru_send_command。
无线数据采集终端自定义无线通信协议，通过自定义的无线通信信令和帧格式，实现了点对点的可靠性数据传输；
无线数据采集终端自定义判断帧格式的方法，通过自定义的判断帧格式的方法，判断一个数据帧的完整性，进行自定义的数据通信协议的打包和解包。
无线数据采集终端实现了通过自定义的无线通信协议进行定义无线通信的信令和帧格式，通过无线数据收发模块进行无线收发数据，具有通信可靠性高、无线通信距离远的特点，可应用于物联网通信的各个领域。
本发明的一种基于WSN的无线数据采集系统及采集方法和现有技术相比，具有以下有益效果：
能够接收云服务器数据集中控制端发送的数据采集指令，并转发给仪表设备，完成采集仪表设备数据的功能；
能够通过自定义的无线数据通信协议，来保证无线数据采集终端与云服务器数据集中控制端通信链路的可靠性；
通过采用点对点通信的方式，保证了无线通信的可靠性，避免不同通信节点间同时与数据集中控制端通信时造成干扰；
通过无线数据收发模块和无线通信协议模块，数据集中控制端服务器能够通过WSN实时掌控不同无线数据采集终端的状态，保证通信的可靠性；
无线数据采集终端在数据集中控制端与仪表设备间建立透传链路，保证了无线数据采集终端能够应用在不同的场合，确保无线数据采集终端应用领域的广泛性。
附图说明
图1是本发明的基于WSN的无线数据采集系统的结构原理图；
图2是无线数据采集终端的结构架构图；
图3是无线数据采集终端的工作架构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
一种基于WSN的无线数据采集系统，包括无线数据采集终端、无线传感网络和云服务器，无线数据采集终端安装在施工现场，通过自定义的无线通信协议进行定义无线通信的信令和帧格式，建立透传链路，通过无线传感网络WSN进行无线收发，连接云服务器。
无线数据采集终端包括嵌入式软件和嵌入式硬件，嵌入式软件与嵌入式硬件配合实现对仪表设备的采集。嵌入式软件包括仪表数据采集模块、无线数据收发模块和无线通信协议模块。仪表数据采集模块向仪表设备发送采集指令，并采集仪表设备返回的数据。无线数据收发模块通过WSN与云服务器主控集中控制节点进行通信。无线通信协议模块规定了仪表数据采集模块与仪表设备、无线数据收发模块与云服务器数据集中控制终端的通信方式，包括通信信令、通信格式和通信可靠性策略。
嵌入式软件定义通信信令、通信格式和通信可靠性策略，其中，
通信信令指协议中定义的设备间通信的各种指令，包括心跳指令、控制指令和操作指令等；
通信格式定义了设备间通信的帧的格式；
通信可靠性策略包括：
1）、在系统启动时，由云服务器集中控制设备以广播方式发送邀请注册指令，各采集设备向集中设备发送设备注册邀请的回复，并发送各自的ID 给集中控制设备，并等待集中控制设备发送的注册反馈，如果在一段时间内收不到反馈，则每隔一段时间重新发送注册指令。
2）、由集中控制设备每隔10秒向采集设备发送心跳指令，采集设备向集中控制设备发送心跳确认指令，确认设备的状态。
3）、在集中控制设备和采集设备间进行通信时，每一条指令都要求即刻反馈响应的确认指令，确认每一次通信的可靠性。
嵌入式软件通过自定义的无线通信信令，定义了设备间的数据通信的应用方式；通过自定义的无线通信帧格式，实现了设备间数据传输格式的标准化；通过自定义的可靠性检测策略，提高了设备间数据通信可靠性。
通信指令的列表如下：
comm_command_heartbeat,采集设备与集中设备间的心跳通信
comm_command_heartbeat_ack,采集设备收到的心跳通信回复
comm_command_please_register,请注册，我是主机。。。
comm_command_please_register_ack,从机对主机注册要求的回复
comm_command_ifhasdata_to_transmit,是否有数据要上传
comm_command_ifhasdata_to_transmit_ack,是否有数据要上传的回复
comm_command_register, 采集设备发送的设备注册指令
comm_command_register_ack, 采集设备收到的设备注册指令回复
comm_command_unregister, 采集设备发送的设备注销指令
comm_command_unregister_ack, 采集设备收到的设备注销指令回复
comm_command_gather, 采集设备收到的采集指令
comm_command_gather_ack, 采集设备发送的采集指令回复
comm_command_dev_data, 采集设备发送的采集到的设备数据
comm_command_dev_data_ack, 采集设备收到的采集到的设备数据回复
comm_command_restart, 采集设备收到的重启指令
comm_command_restart_ack, 采集设备发送的重启指令回复
comm_command_wsnconfig, 采集设备收到的WSN设备配置指令
comm_command_wsnconfig_ack, 采集设备发送的WSN设备配置指令回复
comm_command_dev_info_config, 采集设备收到的设备配置指令：采集设备发送的WSN设备配置指令回复
comm_command_usart1_config,采集设备收到的usart1设备配置指令
comm_command_usart2_config, 采集设备收到的usart2设备配置指令
comm_command_usart3_config,采集设备收到的usart3设备配置指令
comm_command_config_ack, 采集设备发送的设备配置指令回复
comm_command_dev_info_query, 采集设备收到的设备配置查询指令
comm_command_dev_info_query_ack, 采集设备收到的设备配置查询指令。
通过组织通信信令与设备进行通信，帧结构如下：
truct
{
u8 dest[2]; 指定接收的设备的ID
u8 tag[2]; 指令的识别码
u8 devid[8]; 发送设备的ID
u8 dataid; 发送的数据ID
u8 command; 通信指令
u8 datalen; 数据长度
u8 data[128]; 待发送的数据
u8 crc; CRC校验码
}stru_send_command;
设备注册过程
1、集中控制设备广播comm_command_please_register指令，各采集设备回复comm_command_please_register_ack指令。
2、采集设备向控制设备以点对点的形式发送comm_command_register指令，集中控制设备回复comm_command_register_ack指令。
设备间心跳过程
集中控制设备向采集设备发送comm_command_heartbeat指令，采集设备向集中控制设备回复comm_command_heartbeat_ack指令.
设备数据采集过程
1、集中控制设备向采集设备发送comm_command_gather指令，采集设备向集中控制设备回复comm_command_gather_ack指令。
2、集中控制设备向采集设备发送comm_command_ifhasdata_to_transmit指令，采集设备向集中控制设备回复comm_command_ifhasdata_to_transmit_ack指令。
3、采集设备向集中控制设备发送comm_command_dev_data指令，将采集到的数据发送给集中控制设备，集中控制设备给采集设备回复comm_command_dev_data_ack指令。
采集设备在线重启过程
集中控制设备向采集设备发送comm_command_restart指令，采集设备向集中控制设备回复comm_command_restart _ack指令，集中控制设备进入重启过程。
无线数据采集终端采用STM32F103VE芯片，仪表数据采集模块通过232/485通信接口与仪表设备进行通信。
仪表数据采集模块通过访问嵌入式硬件配置中的串口2、串口3实现232/485的通信接口。
仪表数据采集模块工作实现方式如下：
1）、初始化串口2和/或串口3配置，包括波特率、数据位长、停止位、校验位和校验方式；
2）、设置串口数据接收的中断，并定义中断的级别和中断处理函数；
3）、设置定时器，检查是否接收完整的一帧数据，然后将数据按照无线通信协议进行打包。
仪表数据采集模块保证了采集数据通信的可靠性，避免不同通信节点间同时通信时造成干扰。
无线数据收发模块通过访问嵌入式硬件配置中的串口1进行无线收发。
无线数据收发模块工作实现方式如下：
1）、初始化串口1，包括波特率、数据位长、停止位、校验位和校验方式；
2）、设置串口数据接收的中断，并定义终端的级别和中断处理函数；
3）、设置定时器，检查是否接收完整的一帧数据，然后将数据按照无线通信协议进行解包。
无线数据收发模块保证了接收数据通信的可靠性，避免不同通信节点间同时与数据集中控制端通信时造成干扰。
本实施例还公开了一种基于WSN的无线数据采集方法，该方法使用上述的一种基于WSN的无线数据采集系统进行远程仪表设备数据的采集，其采集方法步骤如下：
1）、仪表设备上电后，将仪表设备与无线数据采集终端通过232/485接口连接；
2）、通过组织通信信令与仪表设备进行通信，帧结构如下：
typedef struct
{
u8 dest[2];
u8 tag[2];
u8 devid[8];
u8 dataid;
u8 command;
u8 datalen;
u8 data[128];
u8 crc;
}stru_send_command；
3）、配置仪表设备的串口通信参数；
AABB0000000000000000000000140704000000000C
AABB0000000000000000000000150704000000000C
4）、配置仪表设备的名称和目的地节点ID；
AABB0000000000000000000000120AAABB74657374313131310202
5）、配置WSN 的通信参数；
AABB0000000000000000000000141255AA160401010102020201080201010A0062
6）、仪表设备上电后进入通信状态。
无线数据采集终端自定义无线通信协议，通过自定义的无线通信信令和帧格式，实现了点对点的可靠性数据传输；
无线数据采集终端自定义判断帧格式的方法，通过自定义的判断帧格式的方法，判断一个数据帧的完整性，进行自定义的数据通信协议的打包和解包。
无线数据采集终端实现了通过自定义的无线通信协议进行定义无线通信的信令和帧格式，通过无线数据收发模块进行无线收发数据，具有通信可靠性高、无线通信距离远的特点，可应用于物联网通信的各个领域。
通过上面具体实施方式，所述技术领域的技术人员可容易的实现本发明。但是应当理解，本发明并不限于上述的具体实施方式。在公开的实施方式的基础上，所述技术领域的技术人员可任意组合不同的技术特征，从而实现不同的技术方案。
除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims (10)

1.一种基于WSN的无线数据采集系统，其特征在于包括无线数据采集终端、无线传感网络和云服务器，无线数据采集终端安装在施工现场，通过自定义的无线通信协议进行定义无线通信的信令和帧格式，并通过无线传感网络进行无线收发，连接云服务器；
无线数据采集终端包括嵌入式软件和嵌入式硬件，嵌入式软件与嵌入式硬件配合实现对仪表设备的数据采集；嵌入式软件包括仪表数据采集模块、无线数据收发模块和无线通信协议模块；仪表数据采集模块向仪表设备发送采集指令，并采集仪表设备返回的数据；无线数据收发模块通过WSN与云服务器主控集中控制节点进行通信；无线通信协议模块规定了仪表数据采集模块与仪表设备、无线数据收发模块与云服务器数据集中控制终端的通信方式，包括通信信令、通信格式和通信可靠性策略。
2.根据权利要求1所述的一种基于WSN的无线数据采集系统，其特征在于无线数据采集终端采用STM32F103VE芯片。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于WSN的无线数据采集系统，其特征在于所述仪表数据采集模块通过232/485通信接口与仪表设备进行通信。
4.根据权利要求3所述的一种基于WSN的无线数据采集系统，其特征在于仪表数据采集模块通过访问嵌入式硬件配置中的串口2、串口3实现232/485的通信接口。
5.根据权利要求4所述的一种基于WSN的无线数据采集系统，其特征在于仪表数据采集模块工作实现方式如下：
1）、初始化串口2和/或串口3配置，包括波特率、数据位长、停止位、校验位和校验方式；
2）、设置串口数据接收的中断，并定义中断的级别和中断处理函数；
3）、设置定时器，检查是否接收完整的一帧数据，然后将数据按照无线通信协议进行打包。
6.根据权利要求4所述的一种基于WSN的无线数据采集系统，其特征在于无线数据收发模块通过访问嵌入式硬件配置中的串口1进行无线收发。
7.根据权利要求6所述的一种基于WSN的无线数据采集系统，其特征在于无线数据收发模块工作实现方式如下：
1）、初始化串口1，包括包括波特率、数据位长、停止位、校验位和校验方式；
2）、设置串口数据接收的中断，并定义中断的级别和中断处理函数；
3）、设置定时器，检查是否接收完整的一帧数据，然后将数据按照无线通信协议进行解包。
8.根据权利要求6所述的一种基于WSN的无线数据采集系统，其特征在于嵌入式软件定义了通信信令、通信格式和通信可靠性策略，其中，
通信信令指协议中定义的设备间通信的各种指令；通信格式定义了设备间通信的帧的格式；
通信可靠性策略包括：
1）、在系统启动时，由集中控制设备以广播方式发送邀请注册指令，各采集设备向集中设备发送设备注册邀请的回复，并发送各自的ID 给集中控制设备，并等待集中控制设备发送的注册反馈，如果在一段时间内收不到反馈，则每隔一段时间重新发送注册指令；
2）、由集中控制设备每隔10秒向采集设备发送心跳指令，采集设备向集中控制设备发送心跳确认指令，确认设备的状态；
3）、在集中控制设备和采集设备间进行通信时，每一条指令都要求即刻反馈响应的确认指令，确认每一次通信的可靠性。
9.一种基于WSN的无线数据采集方法，其特征在于使用权利要求1-8任意一项所述的一种基于WSN的无线数据采集系统进行远程仪表设备数据的采集，其采集方法步骤如下：
1）、仪表设备上电后，将仪表设备与无线数据采集终端通过232/485接口连接；
2）、通过组织通信信令与仪表设备进行通信；
3）、配置仪表设备的串口通信参数；
4）、配置仪表设备的名称和目的地节点ID；
5）、配置WSN 的通信参数；
6）、仪表设备上电后进入通信状态。
10.根据权利要求9所述的一种基于WSN的无线数据采集方法，其特征在于无线数据采集终端的通过组织通信信令与设备进行通信，帧结构如下：
typedef struct
{
u8 dest[2];
u8 tag[2];
u8 devid[8];
u8 dataid;
u8 command;
u8 datalen;
u8 data[128];
u8 crc;
}stru_send_command。
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