CN201732467U - 基于无线传感器网络的多点、多类型数据采集系统 - Google Patents

基于无线传感器网络的多点、多类型数据采集系统 Download PDF

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Abstract

本实用新型的基于无线传感器网络的多点、多类型数据采集系统，适用于大型工业控制系统监测、仪器故障诊断及能源信息管理领域。该系统至少包含一台监测主机、一个基站，以及多种类型无线传感器网络智能节点。智能节点监测电流、电压和功率因数，并通过无线、多跳方式经基站将信息传送至监测主机；监测主机进行系统控制、数据融合和智能信息处理。本实用新型基于无线传感器网络的多点、多类型数据采集系统改进了当前大多数监测系统的监测信息较为单一、部署安装较为复杂、鲁棒性差的不足，与现有的系统相比，在信息采集的多样性，获取信息的准确性、可靠性、实时性，系统的鲁棒性、廉价性等方面，都有很大的改进。

Description

基于无线传感器网络的多点、多类型数据采集系统 
技术领域
本实用新型涉及大型工业控制系统监测、仪器故障诊断及能源信息管理技术领域，尤其涉及一种基于无线传感器网络的多点、多类型数据采集系统。 
背景技术
大型工业控制系统监测、仪器故障诊断及能源信息管理的基础是稳定可靠的数据采集系统。目前数据采集系统多基于OSI/RM(Open SystemInterconnection/Reference Model)模型、TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)协议和CAN(Control Area Network)总线，在控制面向多元化，系统面向分散化的发展趋势下，逐渐地暴露出OSI/RM在多种类型监测点实时数据采集的薄弱，TCP/IP在复杂控制指令作用时数据采集传输鲁棒性与安全性的不足，以及CAN与Internet互连的缺陷。无线传感器网络技术为解决这类问题提供了一条新的途径。无线传感器网络采用以数据为中心、高密度分布、多跳网络传输技术，使大规模监测信息实时采集与传输变得自主稳定。其高性能、低成本、无需现场布线、仪器装置改动小、操作便捷等优势，特别适用于大型工业区的数据采集系统。 
无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)是一种数据采集、传输和处理技术，以自组织无线联网协同方式应用于监测和控制领域。该技术最初由UC Berkeley的William J.Kaiser教授提出，为自动感知监测区域信息而设计的微型无线节点网络。 
随着微电子技术、传感器技术和网络通信技术的飞速发展和日益成熟，使得制造大量体积小、功耗低，同时具有感知能力、计算能力和通信能力等多种功能于一身的智能微型传感器成为可能。这些新一代智能传感器节点(简称智能节点)可以感知周围的环境，并对数据进行一定的处理，同时可以通过无线通信模块进行相互通信。无线传感器网络就是由大量智能节点协同组织起来所构成的网络。 
实用新型内容
为了克服现有大多数监测系统的监测信息较为单一、部署安装较为复杂、鲁棒性差的缺陷，本实用新型提供一种基于无线传感器网络的多点、多类型数据采集系统，该系统是以无线传感器网络为核心的动态、实时、全方位、多变量的复杂数据采集系统。
本实用新型解决技术问题所采用的技术方案是： 
基于无线传感器网络的多点、多类型数据采集系统，包括至少一台监测主机、至少一个基站和多个智能节点，智能节点监测电流、电压和功率因数，并通过无线、多跳方式经基站将信息传送至监测主机；监测主机进行系统控制、数据融合和智能信息处理。其中，智能节点数量和类型的选取可依据具体应用定制。 
上述监测主机为工业控制计算机，运行windows操作系统和C程序编写的监测应用软件。监测主机具有电量计算、仪器故障诊断及能源信息管理等功能。 
上述基站由8位嵌入式微处理器单元、无线射频单元、USB接口单元和电源单元组成，USB接口单元与微处理器单元连接，微处理器单元与无线射频单元连接，电源单元与微处理器单元连接。基站通过USB接口单元和监测主机相连，基站支持ZigBee协议无线通信，实现与无线传感器智能节点双向通信，并完成数据包转发。 
上述智能节点包括监测电流、电压、功率因数三种类型，具体数量和类型的选取可依据应用定制。智能节点由8位嵌入式微处理器单元、无线射频单元、传感器标准485接口单元和电源单元组成，微处理器单元分别与无线射频单元、传感器单元、电源单元连接。智能节点可以获取监测信息，并进行简单的智能处理。智能节点间以及智能节点和基站间可以进行双向通信。通信协议支持sMAC、IEEE 802.15.4和ZigBee三种。 
本实用新型的有益效果在于：基于无线传感器网络的数据采集系统是对多点、多类型信息监测数据采集系统两个方面的扩展，一是系统框架结构的扩展，突破数据采集系统现有OSI/RM模型、TCP/IP协议、CAN总线等有线连接系统模式，构建无线网络化、实时智能信息采集平台，降低传输路径复杂度，提高体系结构可扩展性和易维护性；二是信息多元化的扩展，将多点、多种类型数据交互技术嵌入数据采集系统，使其具有信息共享与互操作功能，有利于数据分析和挖掘，提供全面的决策支持。该采集系统适用于大型工业控制系统监 测、仪器故障诊断及能源信息管理目的。 
附图说明
图1是本实用新型基于无线传感器网络的多点、多类型数据采集系统示意图。 
图2是本实用新型基于无线传感器网络的多点、多类型数据采集系统结构框图。 
图3是本实用新型的基站结构框图。 
图4是本实用新型的智能节点结构框图。 
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。 
如图1所示，基于无线传感器网络的多点、多类型数据采集系统由监测主机、基站和智能节点组成，可依据具体应用定制智能节点的数量和类型，但系统至少包含一台监测主机和一个基站。 
监测主机通过USB接口单元与基站通信，接收基站转发的多个传感器的信息，并进行电量计算、仪器故障诊断及能源信息管理等处理。 
基站通过USB接口单元和监测主机相连，实现电流、电压和功率因数等信息的传输；基站支持ZigBee协议无线通信方式接收来自智能节点的采集信息，将数据包转发给监测主机，或将监测主机的指令通过基站发送给智能节点。 
智能节点实时采集大型工业控制系统中仪器仪表、电气装置的电流、电压和功率因数等数据信息，以无线通信方式，支持SMAC、IEEE 802.15.4和ZigBee协议，实现智能节点间以及智能节点和基站间的双向通信。 
如图2所示，监测主机为基于无线传感器网络的多点、多类型数据采集系统的信息处理模块，选用工业控制计算机，CPU为celon1.6GHz，512M内存，40G硬盘，10个RS485通讯接口，主从USB接口和两个串口；运行windows操作系统。 
基站为数据采集系统的信息传输模块，由8位嵌入式微处理器单元、无线射频单元、USB接口单元和电源单元组成。 
智能节点为数据采集系统的信息采集模块，具体数量和类型的选取可依据应用定制。每个智能节点都是由8位嵌入式微处理器单元、无线射频单元、传感器标准485接口单元和电源单元组成。 
如图3所示，基站由8位嵌入式微处理器单元、无线射频单元、USB接口单元和电源单元组成。微处理器单元为Freescale MC9S08GT60控制器，配有复位及其外围电路，以SPI、GPIO接口方式分别与无线射频单元、USB接口单元相连。无线射频单元由MC13193射频芯片、F型PCB天线和外围电路构成。USB接口单元选用CH375USB接口芯片，实现从USB接口输出。电源单元由电池、稳压电路、滤波电路和电源优化管理电路组成，采用7.2V，1200mAH锂电池供电，RC典型电路滤波，LM78L05和LP2950两次稳压，TPS76350电源管理，实现5.7V和3.3V输出，工作电流120mA。 
如图4所示，智能节点由8位嵌入式微处理器单元、无线射频单元、传感器标准485接口单元和电源单元组成。其中，微处理器单元、无线射频单元和电源单元与基站对应构成单元相同。传感器标准485接口单元采用MAX485芯片完成电平转换。 
综上所述，本实用新型基于无线传感器网络的多点、多类型数据采集系统，由多种无线传感器网络智能节点、基站和监测主机等组成，充分利用无线传感器网络的自组织性、鲁棒性等优点，对大型工业、企业能源信息管理的数据进行采集，融合与智能数据处理，构建以无线传感器网络为核心的动态、实时、全方位、多变量的复杂数据采集系统。基于无线传感器网络的多点、多类型数据采集系统改进了现有大多数监测系统的监测信息较为单一、部署安装较为复杂、鲁棒性差的不足，与现有的系统相比，在信息采集的多样性，获取信息的准确性、可靠性、实时性，系统的鲁棒性、廉价性等方面，都有很大的改进。 

Claims (4)

1.基于无线传感器网络的多点、多类型数据采集系统，其特征在于，该系统包括至少一台监测主机、至少一个基站和多个智能节点，智能节点监测电流、电压和功率因数，并通过无线、多跳方式经基站将信息传送至监测主机；监测主机进行系统控制、数据融合和智能信息处理。
2.如权利要求1所述的基于无线传感器网络的多点、多类型数据采集系统，其特征在于，所述监测主机为工业控制计算机。
3.如权利要求1所述的基于无线传感器网络的多点、多类型数据采集系统，其特征在于，所述基站由微处理器单元、无线射频单元、USB接口单元和电源单元组成，基站通过USB接口单元与监测主机相连，USB接口单元与微处理器单元连接，微处理器单元与无线射频单元连接，电源单元与微处理器单元连接。
4.如权利要求1所述的基于无线传感器网络的多点、多类型数据采集系统，其特征在于，所述智能节点由微处理器单元、无线射频单元、传感器单元和电源单元组成，微处理器单元分别与无线射频单元、传感器单元、电源单元连接。
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