CN115373325A - 一种高速无线数据采集周期控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速无线数据采集周期控制方法，首先数据采集模块高速率连续采集传感器数据，并提取对应特征；基于特征判断传感器数据是否为有效数据；当传感器数据有效时，上传对应数据至云端服务器，当一定时间内传感器数据均无效时，数据采集模块进入休眠状态，进行低速率间隔采样，同时计算对应的传感器特征数据并重复判断，直至出现有效数据，回归高速率连续采集状态；本发明不仅设计了动态休眠机制，还可以实时激活，避免了大量采集无效数据的问题；此外还设计了配套的采集周期控制系统，通过将A/D转换芯片、FPGA芯片及ARM CPU集成在同一块电路板上，实现高速无线数据采集，硬件成本大大降低。

Description

一种高速无线数据采集周期控制方法及系统
技术领域
本发明属于传感器数据采集技术领域，特别涉及一种高速无线数据采集周期控制方法及系统。
背景技术
随着汽车、航空航天等制造工业的发展，对焊接质量的检测要求也越来越高。基于对各种焊接缺陷的实时检测，大多需要结合物联网技术，通过在边缘侧设置各种传感器，采集各种与焊接质量检测有关的关键数据。目前物联网中的前端数据采集点大多包含了数据采集、数据传递的功能。目前的传感器部署及组网过程中，传感器采集的数据一般采用有线方式进行传输，进而导致传感器部署过于单一，无法大规模部署。传统的云计算需要边缘侧采集海量的传感器数据并传输到云端服务器，由云端进行进一步的计算。采用无线传输模式时对数据传输带宽要求很高，并且存在数据时延的问题。
现有的传感器高速数据采集一般采用有线数据采集卡和电脑结合的方式，数据采集卡负责采集高速数据，将数据传送到电脑上，再由电脑来分析数据。这种硬件价格昂贵，数据量非常大，数据只能存在本地，无法汇总，也无法在云端对数据进行后续分析。
此外，焊接关键数据采集中存在有效数据量少，无效数据量大的情况，需要针对数据采集方法进行改进，自适应调整采样周期，在边缘侧剔除无效数据，达到优化数据采集的效果。
综上，需要一种既能解决无线数据采集对数据传输带宽要求较高的问题，还可以自适应调整数据采集周期，规避采集大量无效数据对服务器存储造成的负担。
现有技术中存在多种基于边缘计算的数据采集系统及方法。专利CN113783962A（公开日2021.12.10）公开了一种基于边缘计算的数据采集系统及方法，通过边缘计算设备判断目标数据是否符合第一类型或第二类型，符合第一类型，则将目标数据发送至云平台，若符合第二类型，则将目标数据存储至本地存储器。通过边缘计算设备的过滤，减轻大量数据传输和存储给云平台带来的压力。这种方法仅通过比较的方式选取部分数据上传至云平台，进而降低云平台存储压力，无法针对焊接过程中有效数据较少、无效数据较多的实际情况进行调整，采集的数据同样存在大量无效数据。
专利CN114666366A（公开日2022.06.24）公开了一种基于边缘计算的物联网数据采集系统、方法、介质及设备，通过结合边缘计算和物联网数据采集技术，物联网中心平台向物联网边缘计算设备下发边缘计算规则，物联网边缘计算设备根据规则对具体设备的相关数据进行边缘计算后，再将所得结果上报到物联网中心平台，将原本需要中心平台对大量原始数据进行的复杂计算的一部分转移到由物联网边缘计算设备进行，而物联网中心平台对计算结果进行下一步的处理；改变原有的单向被动接收数据的现状为根据需要获取满足要求的数据；物联网中心平台根据需要以合适的频率获取想要的数据。该专利没有给出具体的“边缘计算规则”，即针对焊接具体场景，没有明确提出相应的采样优化方法，仅通过边缘计算的方式降低云端存储压力。
发明内容
发明目的：针对上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种高速无线数据采集周期控制方法及系统，结合设计的数据采集模块和无线传输模块，通过边缘计算的方法提取数据特征，此外提供了一种自适应调整采样周期的方法，包括区分有效数据和无效数据的具体判断逻辑。将数据采集过程分为高速率采集和低速率休眠状态，当采集有效数据时采用高采样率模式采集并计算、上传，无效数据则不进行上传。
技术方案：一种高速无线数据采集周期控制方法，包括以下步骤：
步骤S1、设定高速采集采样率
Figure 299021DEST_PATH_IMAGE001
，数据采集模块高速率连续采集传感器数据；
步骤S2、基于获取的传感器数据提取特征，基于得到的特征判断采集的传感器数据是否为有效数据；
步骤S3、当获取的传感器数据为有效数据时，将有效数据通过高速无线传输的方式上传至服务器端；当一定时间内获取的传感器数据均为无效数据时，则不上传传感器数据，且数据采集模块进入休眠状态；
步骤S4、在所述休眠状态下，数据采集模块进行低速间隔采样，并提取相应特征；基于特征重复执行步骤S2所述判断过程；当传感器数据为有效数据时，数据采集模块唤醒，恢复采样率为
Figure 395153DEST_PATH_IMAGE001
，进入高速率连续采集阶段，并将上传数据至服务器端。
进一步地，采集的传感器数据包括电流、电压、送丝速度和保护气体流速。
进一步地，步骤S2中通过采集的电流数据执行判断流程，当判断为有效数据时，同步上传对应时序的电流、电压、送丝速度和保护气体流速数据；提取的特征包括电流25%分位数、电流最大一阶差分值、电流最大一阶差分值对应的电流点；具体判断方法包括：
步骤S2.1、判断电流25%分位数是否大于预设阈值th1；当电流25%分位数大于th1时，代表采集数据为有效数据；否则执行步骤S2.2；
步骤S2.2、判断电流最大一阶差分值；当电流最大一阶差分值大于th2时，执行步骤S2.3，否则执行步骤S2.4；
步骤S2.3、当电流最大一阶差分值对应的电流点至最后一个电流点中的电流最小值大于预设阈值th3时，判断为有效数据，否则执行步骤S2.5；
步骤S2.4、判断电流值大于预设阈值th3部分的所有电流点是否位于本次采集周期的前75%，如果位于前75%以内，则判断为有效数据，否则判断为无效数据；
步骤S2.5、电流最大一阶差分值对应的电流点至最后一个电流点中，提取电流值小于预设阈值th3的电流点序列，判断序列中最大连续电流点个数除以采样频率的结果是否小于预设阈值th4，当结果小于th4时，判断为有效数据，否则判断为无效数据。
进一步地，当数据采集模块进入休眠状态时，间隔
Figure 169074DEST_PATH_IMAGE002
时间低速采样，采样率为
Figure 34262DEST_PATH_IMAGE003
，其中
Figure 173119DEST_PATH_IMAGE004
；所述低速采样的采样周期为
Figure 818864DEST_PATH_IMAGE005
；提取
Figure 68580DEST_PATH_IMAGE006
周期内采集到的传感器数据对应特征，并进行如步骤S2所述的判断；当采集到的传感器数据为无效数据时，不上传对应数据。
一种高速无线数据采集系统，包括数据采集模块和无线传输模块；所述数据采集模块部署于边缘侧，包括用于采集数据的FPGA芯片和用于处理数据的ARM CPU芯片；所述数据采集模块实时采集多路并行的传感器数据，并通过ARM CPU芯片进行边缘计算，根据上述方法获取特征，并将有效数据通过无线传输的方式上传至服务器端。
进一步地，所述FPGA芯片通过A/D转换芯片采集多路并行的传感器模拟数据，并通过并口传输至ARM CPU芯片进行特征计算。
进一步地，所述无线传输模块通过4g或WIFI通信方法将特征数据传输至服务器端。
本发明采用的技术方案与现有技术方案相比，具有以下有益效果：
（1）本发明提供的基于智能边缘计算的高速无线数据采集周期控制方法，在边缘侧提取电流数据的若干特征，并设计了配套的有效数据判断逻辑，在判断为有效数据后只上传对应有效数据，相比于传输海量的传感器数据，对云端服务器的存储要求更低，对传输带宽的要求也更低。
（2）本发明通过选取合适的电流特征，设计相应判断方法，判断采集的传感器数据是否为有效数据。当采集数据有效时，保持高采样速率，并上传对应数据至云端服务器；当采集的传感器数据无效时进入计时状态，累计超过一定时间则判断为无效阶段，此时进入休眠状态，降低采样速率，并进行间隔采样。采用了自适应调整采样周期和采样速率的方式，使数据采集系统合理休眠，并且可以实时激活，既延长了硬件使用寿命，又避免了采集无效数据，为后续在云端服务器进行数据分析提供了便利。
（3）本发明提供的有效数据判断方法，涵盖了不同焊接过程中可能出现的电流特点，既可以有效克服干扰信号造成的错误判断，又可以有效提升有效数据和无效数据的判断准确性，为数据采集模块的状态切换及有效数据上传提供高准确度的判断依据。
（4）本发明提供的高速无线数据采集系统与传统数据采集卡+工控机的硬件架构不同，将A/D转换芯片、FPGA芯片及ARM CPU集成在同一块电路板上即可实现高速无线数据采集，硬件成本大大降低，并且满足大规模传感器部署、组网需求。
附图说明
图1是本发明提供的高速无线数据采集周期控制方法原理图；
图2是本发明提供的高速无线数据采集周期控制系统框图；
图3是本发明实施例中提供的电流信号波形示意图；
图4是本发明提供的有效数据判断逻辑示意图；
图5是本发明实施例中提供的第一状态电流信号示意图；
图6是本发明实施例中提供的第二状态电流信号示意图；
图7是本发明实施例中提供的第三状态电流信号示意图；
图8是本发明实施例中提供的第四状态电流信号示意图；
图9是本发明实施例中提供的第五状态电流信号示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
本发明提供了一种高速无线数据采集周期控制方法，结合采集的多路传感器数据，通过边缘特征提取，给出自适应控制采样周期的方法。主要包括高速率连续数据采集、边缘提取特征、状态切换判断、有效数据上传、采集无效数据时进入休眠状态、检测到有效数据时恢复高速率数据采集等主要步骤。此外，本发明还设计了相应的数据采集硬件结构，用于将特征数据无线传输至云端服务器。下面提供一份具体实施例：
本发明提供的基于智能边缘计算的高速无线数据采集周期控制系统如图2所示，包括数据采集模块和无线传输模块。其中数据采集模块部署于边缘侧，采用FPGA+ARM CPU架构硬件，其中FPGA芯片用于采集传感器数据，ARM CPU芯片负责实时处理数据。本实施例中，数据采集模块实时采集6路并行的传感器数据，通过A/D转换芯片传输至FPGA芯片。在高速率采集过程中，设定采样率
Figure 53854DEST_PATH_IMAGE001
=20KHz，FPGA芯片不间断连续采集。20KHz的高速采样率可以有效捕捉更多信号细节，便于后续分析数据。ARM CPU每隔1秒从FPGA读取一次传感器原始数据，每秒可产生240Kbytes的数据量。由于与通常数据采集卡+工控机的硬件架构不一样，一块电路板就可以实现高速连续数据采集，因此本发明的硬件成本相比之下显著降低。
基于上述硬件结构，本实施例提供了核心的自适应采样周期调整方法。具体地，传感器系统采集数据类型包括但不限于电流数据、电压数据、焊接送丝速度、保护气体流速。基于获取的传感器数据提取特征，基于得到的特征数据判断采集的传感器数据是否为有效数据，在本发明中则选择采用电流数据进行有效数据判断。
由于传感器原始数据量非常大，大批量传输数据存在速率不够，流量消耗过高的问题。因此需要区分有效数据和无效数据，避免采集无效数据，缩短冗余数据。
ARM CPU提取电流各项特征后，进一步判断传感器数据是否为有效数据。由于实际焊接过程中被监测设备（如焊机等）有很长时间是不再运行过程中的，因此会产生大量无效数据。针对焊接场景的特殊之处，本实施例提供了对应的自适应调整方法，具体如图1所示。
在高速率采集状态下，当获取的传感器数据判断为有效数据时，ARM CPU将有效数据通过4G或WIFI模式上传到服务器。当获取的传感器数据为无效数据时，开始进入无效计时，当无效计时时长大于预设阈值时，数据采集模块进入休眠状态，并且不上传对应数据。
如图3所示，由于传感器实际采集数据过程中存在各种干扰信号，本实施例针对各种可能存在的电流采集状态，设计了相应的有效数据判断逻辑，可以有效克服信号干扰可能造成的错误判断，具体如图4所示。
通过传感器系统采集的实时电流数据，提取相应特征，进行有效数据判断。其中提取的特征包括电流25%分位数、电流最大一阶差分值、电流最大一阶差分值对应的电流点。具体判断逻辑如下：
首先提取本段电流数据的电流25%分位数进行判断，当电流25%分位数大于预设阈值th1时，代表正常起弧和点焊两种状态，电流波形代表如图5-图6所示。其中th1代表电流阈值。
当电流25%分位数小于等于预设阈值th1时，进一步根据电流最大一阶差分值判断。当电流最大一阶差分值大于预设阈值th2时，代表进入起弧状态，th2为电流阈值。此时进一步判断：
当电流最大一阶差分值对应的电流点至最后一个电流点中的电流最小值大于预设阈值th3时，判断为有效数据。Th3为电流阈值。上述情况代表起弧后始终进行焊接，代表电流状态如图7所示。
起弧后同样存在起弧失败，重复起弧状态，如图8所示，此时则需要进一步进行如下判断：
电流最大一阶差分值对应的电流点至最后一个电流点中，提取电流值小于预设阈值th3的电流点序列，判断序列中最大连续电流点个数除以采样频率的结果是否小于预设阈值th4，当结果小于th4时，判断为有效数据，此时对应状态为起弧失败，连续起弧。如果结果大于等于th4，则判断为无效数据。此处th4为时间阈值。
最后，当电流最大一阶差分值小于等于预设阈值th2时，此时对应电流情况为收弧状态，如图9所示。需要进行如下判断：
判断电流值大于预设阈值th3的所有电流点是否均位于本次采集的电流点序列前75%，如果全部位于前75%以内，则判断为有效数据，否则判断为无效数据。
当数据采集模块进入休眠状态时，不再连续采集数据，而是间隔时间低速采样，
Figure 927394DEST_PATH_IMAGE002
=5s。采样率为
Figure 998118DEST_PATH_IMAGE003
=1KHz。低速采样的采样周期为
Figure 113842DEST_PATH_IMAGE005
，本实施例中
Figure 953622DEST_PATH_IMAGE005
=1s。计算
Figure 434282DEST_PATH_IMAGE005
周期内采集到的电流数据对应的特征，并同样进行上述判断，是否为有效数据。当采集到的传感器数据为无效数据时，不上传对应数据。直至出现有效数据，此时上传对应电流、电压、焊接送丝速度、保护气体流速等传感器数据，并且从低速率采集状态（
Figure 789040DEST_PATH_IMAGE003
=1KHz）回归高速率数据采集状态（
Figure 646137DEST_PATH_IMAGE001
=20KHz）。
本发明提供的数据采集周期控制方法可以有效节省流量，降低了硬件工作时间，延长硬件使用寿命，此外还可以有效减轻数据存储压力。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种高速无线数据采集周期控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、设定高速采集采样率
Figure 461439DEST_PATH_IMAGE001
，数据采集模块高速率连续采集传感器数据；
步骤S2、基于获取的传感器数据提取特征，基于得到的特征判断采集的传感器数据是否为有效数据；
步骤S3、当获取的传感器数据为有效数据时，将有效数据通过高速无线传输的方式上传至服务器端；当一定时间内获取的传感器数据均为无效数据时，则不上传传感器数据，且数据采集模块进入休眠状态；
步骤S4、在所述休眠状态下，数据采集模块进行低速间隔采样，并提取相应特征；基于特征重复执行步骤S2所述判断过程；当传感器数据为有效数据时，数据采集模块唤醒，恢复采样率为
Figure 386233DEST_PATH_IMAGE001
，进入高速率连续采集阶段，并将上传数据至服务器端。
2.根据权利要求1所述的一种高速无线数据采集周期控制方法，其特征在于，采集的传感器数据包括电流、电压、送丝速度和保护气体流速。
3.根据权利要求2所述的一种高速无线数据采集周期控制方法，其特征在于，步骤S2中通过采集的电流数据执行判断流程，当判断为有效数据时，同步上传对应时序的电流、电压、送丝速度和保护气体流速数据；提取的特征包括电流25%分位数、电流最大一阶差分值、电流最大一阶差分值对应的电流点；具体判断方法包括：
步骤S2.1、判断电流25%分位数是否大于预设阈值th1；当电流25%分位数大于th1时，代表采集数据为有效数据；否则执行步骤S2.2；
步骤S2.2、判断电流最大一阶差分值；当电流最大一阶差分值大于th2时，执行步骤S2.3，否则执行步骤S2.4；
步骤S2.3、当电流最大一阶差分值对应的电流点至最后一个电流点中的电流最小值大于预设阈值th3时，判断为有效数据，否则执行步骤S2.5；
步骤S2.4、判断电流值大于预设阈值th3部分的所有电流点是否位于本次采集周期的前75%，如果位于前75%以内，则判断为有效数据，否则判断为无效数据；
步骤S2.5、电流最大一阶差分值对应的电流点至最后一个电流点中，提取电流值小于预设阈值th3的电流点序列，判断序列中最大连续电流点个数除以采样频率的结果是否小于预设阈值th4，当结果小于th4时，判断为有效数据，否则判断为无效数据。
4.根据权利要求1所述的一种高速无线数据采集周期控制方法，其特征在于，当数据采集模块进入休眠状态时，间隔
Figure 276829DEST_PATH_IMAGE002
时间低速采样，采样率为
Figure 73883DEST_PATH_IMAGE003
，其中
Figure 745036DEST_PATH_IMAGE004
；所述低速采样的采样周期为
Figure 918529DEST_PATH_IMAGE005
；提取
Figure 991527DEST_PATH_IMAGE006
周期内采集到的传感器数据对应特征，并进行如步骤S2所述的判断；当采集到的传感器数据为无效数据时，不上传对应数据。
5.一种高速无线数据采集系统，其特征在于，包括数据采集模块和无线传输模块；所述数据采集模块部署于边缘侧，包括用于采集数据的FPGA芯片和用于处理数据的ARM CPU芯片；所述数据采集模块实时采集多路并行的传感器数据，并通过ARM CPU芯片进行边缘计算，根据权利要求1-4中任一项所述方法提取特征数据，并将有效数据通过无线传输的方式上传至服务器端。
6.根据权利要求5所述的一种高速无线数据采集系统，其特征在于，所述FPGA芯片通过A/D转换芯片采集多路并行的传感器模拟数据，并通过并口传输至ARM CPU芯片进行特征提取。
7.根据权利要求5所述的一种高速无线数据采集系统，其特征在于，所述无线传输模块通过4g或WIFI通信方法将特征数据传输至服务器端。
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