数据采集传输（共12篇）
数据采集传输 篇1
0 引言
随着工业数字化和工控行业的发展, 工业领域的信息交换量越来越大, 布线越来越繁琐。尤其是在一些采集点流动的情况下, 利用电缆、双绞线等有线数据传输十分不方便。这就对无线数据收集的传输范围、灵活程度、数据采集网络的可扩展性有了更高的要求。
1 现有无线数据传输的分析
迄今, 我国工业领域的数据无线有3种途径:RS-232、RS-485、WLAN。通过RS-232串口传输数据, 因为它既不利于布线组网, 又不利于无线远距离的数据传输, 传输距离只有200 m左右, 只适合小规模、小范围传输数据。大范围无线传输主要是RS-485。但是它的缺点主要有2个: (1) 虽然RS-485的无线传输距离达800 m左右, 但是仍不利用组建系统的无线传输网络。 (2) RS-485本身不支持组建环形和星形网络, 一般采用终端匹配的总线型结构, 对总线有较高的要求, 而无线传输总线的不确定很高, 这就使得工业数据传输网络的可靠性大大降低。WLAN传输是有线以太网LAN的扩展, 具有标准化的协议、灵活便捷、成本低、传输距离远 (可以达到1 200 m) 、抗干扰能力强、易组网、易扩展、带宽高、技术成熟等优势。所以本系统采用WLAN用于组建和扩充数据传输网络。
2 数据采集点的介绍
2.1 数据采集点功能
本数据采集点具有3点功能: (1) 收集原始模拟量并进行ad转换, 以及进行原始的备份, 如图1所示; (2) 使测量者和系统了解自身所在的位置, 便于数据的完善; (3) 对收集原始数据, 进行简单的预处理, 减少网络中数据的传输。
系统的流动数据采集点由一块数据采集模块和一台上网本组成。数据采集模块用来收集各个模拟信号和GPS信息, 使用的是MEGA8作为中央处理器, 以I2C总线连接多个AD5161采集。通过232串口的发送口与上网本相连, 用于传输数据给分机, 232的接收口与GPS的TX端相连, 用于接受GPS的串口信号。分机在接受到GPS数据和各个模拟信号转换的数字量后, 由VC编写的客户端上位机负责将信号根据协议解析并打包利用WLAN网络传输给主机。如图2所示。
2.2 采集点的协议
(1) 采集点的数据接收协议:
下位机和分机的通信采用RS-232 (ANSI/EIA-232标准) 串行连接标准。
应用层协议GPS仍使用全球通用的NMEA0183标准协议。为使协议格式保持大体一致, 数字量的传输协议如下:
<1>通道号格式:** (0也被传输)
<2>数字量格式:***** (0也被传输)
hh为校验位, 是$之后*之前的数据的异或值;
(2) 对主机的通信协议:
分机客户端通过WLAN与主机服务器取得联系。传输层与网络层协议采用TCP/IP/UDP协议。
在应用层上的协议如下:
<1>经度格式:hhmmss (时分秒)
<2>纬度格式:ddmm.mmmm (度分)
<3>海拔高度格式: (-9999.9～99999.9)
<4>地面速率格式: (000.0～999.9节, 前面的0也将被传输)
<5>地面航向格式: (000.0～359.9度, 以真北为参考基准, 前面的0也将被传输)
<6>定位状态格式:A=有效定位, V=无效定位
<7>设备号格式:*** (0也被传输)
<1>通道号格式:** (0也被传输)
<2>数字量格式:***** (0也被传输)
<3>设备号格式:*** (0也被传输)
协议中hh为校验位, 是$之后*之前的数据的异或值;
3 组网设计
3.1 物理连接
一般在网络建设中, 施工周期最长、对周边环境影响最大的, 就是网络布线施工工程。在施工过程中, 往往需要破墙掘地、穿线架管。而无线局域网最大的优势就是免去或减少了网络布线的工作量, 一般只要安装一个或多个接入点AP (Access Point) 设备, 就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。为了扩大数据采集范围, 增加数据的流动性, 本系统组网, 采用大功率工业级无线AP作为网络接入设备。
3.2 无线网络拓扑结构
无线局域网技术的最新发展, 使得网状网得以实现。网状网的特点主要是无线AP之间无需通过有线网络连接, 而仅通过纯无线链路即可以建立一个大规模的类似“渔网”的网状无线网络, 从而大大扩展了无线局域网的应用范围。无线网状网能够适应快速部署无线网络, 能够支持网络结构的动态变化, 能够满足城域大范围无线网络建设的需要。本采集系统应用WDS无线桥接技术实现网状无线网络的布置。这种建网方式比较灵活方便, 易于扩展, 而且可以大范围覆盖信号, 使数据传输有多个链路可选, 增强了系统的可靠性和实时性, 并且可以实现无缝漫游。如图3所示。
3.3 通信标准的选取
目前WLAN的通信标准主要是802.11系列。
由IEEE 802.11协议族规范, 主要包括802.11a、802.11b、802.11g以及新的802.11n等, 工作频段为2 400 MHz与5 800 MHz两个开放的ISM频段, 使用的技术主要有直序列扩频技术 (802.11b) 、正交频分复用技术 (802.11g) 以及智能天线与频道。
聚合技术 (802.11n) 传输吞吐率可达5 Mbps (802.11b) 、20 Mbps (802.11g) 、250 Mbps (802.11n) , 可以承载语音、数据、视频业务的传输。
本系统通信采用802.11b标准。802.11b采用2.4 GHz直接序列扩频, 最大数据传输速率为11 Mb/s, 无须直线传播。动态速率转换当射频情况变差时, 可将数据传输速率降低为5.5 Mb/s、2 Mb/s和1 Mb/s。802.11b使用与以太网类似的连接协议和数据包确认, 来提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用。工业以太网采用的是802.3标准。802.3是总线网协议, 802.11是无线网络协议, 它们只是对网络架构的定义, 用不同的访问方法与访问介质。但是传输数据的帧, 也就是传输层与网络层协议基本一致。所以本采集系统也可以很方便地与工业以太网进行无缝连接。
4 服务器的设置
4.1 物理设备
服务器使用性能较好的PC机即可满足一般的需求。如果网络覆盖过大, 或者数据处理过多, 可以考虑使用IBM、太阳等公司生产的大型专用服务器。
4.2 软件配置
服务器的程序使用VC编写, 用于COM编程和多线程技术, 实现对数据库的操作并可以充分利用CPU资源。本系统的数据库为了节约成本, 采用了网络上流行的免费数据库软件My SQL。与其他的大型数据库例如Oracle、DB2、SQL Server等相比, My SQL有其不足之处, 如规模小、功能有限 (My SQL Cluster的功能和效率都相对比较差) 等, 但是这丝毫没有减少它受欢迎的程度。对于一般的个人使用者和中小型企业来说, My SQL提供的功能已经绰绰有余, 而且由于My SQL是开放源码的免费软件, 因此可以大大降低总体拥有成本。
服务器软件通过UDP监听终端发来的数据请求, 这样可以比TCP通信的延时更小, 但是因为无法保证数据包的到达顺序, 所以需要在协议中写入设备号。服务器接受数据, 并对其解析后存入数据库, 在服务器软件的界面上可以清晰地看到每个终端的位置。如图4所示。
5 系统的改进
如果本系统的移动数据站采集量不大, 备份要求不高, 可以考虑用以ARM为核心芯片的LINUS嵌入式系统代替站载电脑进行数据收集以降低成本, 通过对USB接口的无线网卡进行编程, 驱动连接网络传输数据。如果去掉系统的GPS模块, 本系统同样可以用于一些不方便布线固定采集站进行数据汇总。
6 结语
本文介绍了一种通过WLAN进行移动数据采集传输的系统。运用该系统可以较方便地对一些不方便布线的移动点数据采集进行收集整理。如果把GPS模块去掉, 这套系统也同样适用于一般的不方便布线的场合, 对其进行整体监控。将WLAN用于数据传输有良好的技术和商业前景, 对降低成本、提高效率有积极促进作用。
参考文献
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数据采集传输 篇2
摘要：介绍了利用ColdFire uClinux实现数据采集和传输。这项技术被用在大型集装箱检测系统中，取得了很好的效果。
关键词：ColdFire uClinux 数据采集
在ColdFire上嵌入uClinux操作系统是一项比较成熟的技术，般应用在手持设备、家庭网关、工业控制中。但在数据采集应用中使用这项技术却不是很常见，原因是uClinux不是实时操作系统，而数据采集应用对数据采集的实时性要求很高。本文介绍如何利用在ColdFire上嵌入uClinux操作系统的方法来实现数据的采集和传输。
1 硬件平台
任何嵌入式应用系统都离不开具体的硬件平台，这里先介绍一下系统采用的硬件平台。图1所示即为硬件结构的示意图。其中，SPM是数据处理模块，它控制前端的A/D变换，根据设定的采集周期将A/D变换后的数据保存在其内部的RAM中;同时发出一个中断信号。ColdFire 5307 xBoard是基于Motorola公司高性能嵌入式32位处理器ColdFire 5307自行开发的.嵌入式应用开发板。其硬件配置包括：
ColdFire5307 90MHz 32位处理器;16M SDRAM;2M Flash ROM;10Mbps以太网接口;两个UART串口;两个64针的地址和数据总线接口。
ISC(图像控制工作站)和IDS(图像数据工作站)是两个工作站，用来对系统实现控制，对图像数据实现处理。XBoard和工作站处在同一个以太网上，该以太网上还配有其它的设备。uClinux所要实现的功能是实时地将SPM上采集的数据通过以太网传到IDS上，同时接收来自ICS的命令以对SPM进行控制。
2 SPM和xBoard之间的连接
uClinux需要读取SPM中的RAM，所以最好是把SPM中的RAM作为uClinux的内存地址的一部分。SPM和xBoard上MCF5307之间的硬件连接如图2所示。
SPM中RAM的地址线、数据线和控制线直接连到CPU的总线上。除了硬件上的连接之外，还需要设置MCF5307的寄存器，为SPM上的RAM分配内存空间。XBoard在加电时首先运行debug程序，所以在debug中进行寄存器的设置是比较合适的。在debug源代码中的sysinit.c文件里的mcf5307_cs_init函数中加上下面的语句：
MCF5307_WR_CS_CSAR5(imm,0xa000); SPM的地址从0xa0000000开始
MCF5307_WR_CS_CSCR5(imm,0x3d40); 采用8位的读方式
MCF5307_WR_CS_CSMR5(imm,0x01FF0001); 空间大小为1M
将SPM控制的引脚和MCF5307的并口引脚相连，这产对SPM的控制就只需设置并口的相应位了。
数据采集传输 篇3
【关键词】通信;计费数据;采集;传输;安全性
计费系统需要采集计费的数据，并把这些计费数据传输到需要的地方。由此可见，计费系统是以计费数据的采集和传输为基础的，计费数据采集和传输的数量和质量决定了计费系统的优劣性。随着网络和通信的不断发展，对计费数据采集和传输的安全可靠、及时有效的要求，以及对计费数据采集和传输的界面友好性的要求越来越高。
一、计费数据采集和传输概述
计费数据采集与传输经历着从传统到现代的变迁。由于过去的计费数据采集与传输，总是针对一个接着一个的系统，这样建设的重复性问题严重，数据被浪费，同时在计费数据的采集和传输之间达不成统一的效果，也没有一定的国家层级的规范。传统的数据采集和传输严重依赖操作系统，独立性不强，经常性地一个计费系统只对应一种操作系统版本。此外，计费的前台与计费数据的采集和传输相互交织，对计费数据的采集与传输起到了阻碍作用。
计费数据采集，是一种综合性的业务处理。它准确采集交换机中的数据之后进行处理，之后传送到计费中心，由计费中心集中处理后台数据并面向具体的业务。这主要有两方面的好处，一是实现了对交换机计费数据的集中管理和控制，二是为开展综合业务提供了可以操作的平台。计费数据传输通过数据源采集到计费的数据，然后将计费数据传输到目的地，实现了计费数据在数据源和数据目的地间的交换。它主要用于全网计费中心与采集机之间、不同网的计费中心之间、全网计费中心与区域中心之间的数据传输。其不但要支持多种类的数据源，还要有连续性，以及需要增强多网融合性，对交换机的兼容性。
二、数据采集中的交换机支持
通信与网络经历了人工交换、自动电话机交换、机电制电话交换机交换、程控交换机交换、软交换技术交换的发展历程。与此同时，各种各样的交换机被制造出来，从第一台交换机stowger到4ESS的汇接交换机，再到本地交换机，再到3G交换机，交换机更新换代异常迅速。同时，交换机的功能也越来越多，越来越强大，可以用多种方式进行计费数据的采集与传输。近些年制造的新型交换机，已经可以对单次通话的大量计费记录进行实时的维护，并且拥有不同层级的服务价格。它既能为用户提供十分详细的数据，又能自动生成格式话单，且能创建账单。譬如，程控交换机可以联机采集用户的话单，可将计费统计信息提供到各种用户交换机。同时，交换机支持多种多样的计费数据采集方式，例如CAMA、PAMA、月租等等。此外，基于内容和流量的计费数据采集方式的交换机也出现了。
软交换技术是通信和网络中的新兴软件系统，它具有分布式和可伸缩的特点，它与一定的硬件/系统模式相分离，可以对同步的通信协议进行独立地处理，也就是说，它可以把这一架构在一个合适的位置推到莫尔曲线轨道上去。对于这种软交换系统，人们常把它看做是一个能够编程的控制网络。软交换技术对计费数据的采集给予了更强力的支持，可以通过向同步通信控制网络的进化，实现对网络管理、账单和其他系统的各种后台系统的支持。
三、计费数据采集和传输的安全性
在通信和网络已经比较发达的今天，对于数据采集和传输的安全性，依然是人们十分注重的方面。那么，计费数据采集和传输又是采取哪些措施保证系统安全的呢，我们认为有六大措施，它们分别是：
（一）网络防御系统
在我国，对计费数据的采集和传输一般会做统一的划定，以形成一个非常大的局域网。在局域网和广域网的连接之间，我国采用局域网防火墙将二者相隔离，实现采集机高效安全地采集计费数据并将其传送到需要的地方。在与国际网络连接时，为了保证安全性，常常采用加密手段和专用通道实现。尤其是中国的网络防火长城，对国内网和国际网之间的隔离，起到了很大效果。
（二）底层和专用协议
我国的交换机在计费数据的采集中一般采用TCP/IP协议采集数据。这种协议中的MQSeries传输由于具有非常高的安全性能，在计费数据的采集和传输中得以应用，保证了计费数据采集和传输的安全性。而国外一般采用X.25协议进行计费数据的采集和传输。
（三）监控功能
计费数据在采集和传输的过程中，有很多的提示、日志和警告对发生的问题进行反应。这时，系统就会自动调整计费数据的采集和传输，也可以人工调节，使其进图采集与传输的正确轨道。一般在计费数据采集和传输中存在的主要是前台采集监控、周运行日志、即時执行日志、电话告警等等问题。遇到这些问题系统和人工都可以加以处理，以达到系统安全性的要求。
（四）Unix系统
由于Unix系统具有很高的安全性，其权限可以支持用户的等级识别，所以选择计费数据采集和传输的系统时，采用Unix系统成为保障安全性的不二选择。
（五）实时处理
对计费数据采集和传输进行实时处理，可以弥补计费数据丢失导致的安全漏洞，使计费数据的接收终端尽快接收到及时有效的计费数据。既能够保证数据传输的效率，又能够保证数据传输的数量，同时，还起到了对数据的安全保障效果。
（六）其他措施
可以多方面考虑保障计费数据采集和传输的安全性，包括在计费数据采集出现问题，不能传输到接收终端时，循环采集和传输计费数据，直至实现采集和传输的有效;在采集和传输完计费数据后，只有将数据进行了备份之后才能将数据予以删除，以确保安全;在计费数据的格式出现错误时，对其错误进行检查和排除，采用多种办法发出警告，并重新对数据进行采集和传输;在退出采集程序时，对于正在处理中的采集过程为保证数据的完整，对其不予中断，直至过程完毕后，采集程序才能退出;采集的目的是为了传输，只有在完成传输，实现数据到达中断后，方能删除数据，确保数据不丢失;在网络信号状态不好、传输距离较长的情况下，将数据的发送、传输和接收的时间进行分离，保证传输的安全。
四、结语
网络与通信进行计费，是通过计费数据的采集和传输实现的。采用集中、融合的数据采集和传输方式，大大减少了交换机的使用量，避免了网络和系统升级的麻烦，对系统的兼容起到了很好的解决作用，同时也对软件升级问题进行了解决。计费系统能够对越来越多的操作系统进行兼容，实现了数据管理上的统一性。在以后的计费数据采集和传输领域，计费数据的采集和传输将更加集中、实时，具有融合性、开放性，将会有更友好的人机交互界面。计费数据采集和传输将更多展现出学科化和公开化的特点。
参考文献
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数据采集传输 篇4
随着沿海经济的高速发展和海洋资源开发利用力度的不断加大, 海洋环境受污染程度日益加剧, 海水水质质量不断恶化, 严重危害到海洋生物生存。我国是水产养殖大国, 海水水质质量直接影响沿海渔民的养殖经济收入。因此, 对于海洋水环境的治理和保护迫在眉睫, 而这一举措的前提是需要获取足够多的海洋水质数据。本设计就是基于这样的时代背景下, 研究海洋水质参数数据采集传输技术, 构建数据采集系统。数据采集系统的工作方式是通过将被测对象参数做A/D转换后送入计算机, 由计算机来实现对信号数据处理。基于Lab VIEW的数据采集系统由硬件部分和软件部分组成。硬件部分依托NI 9219 数据采集卡实现对前端水质传感器的信号采集工作。数据采集软件部分采用NI图形化编程软件Lab VIEW进行相关采集程序的设计。Lab VIEW是一种图形化开发环境, 能够实现信号采集、数据分析、数据处理和信号显示等功能, Lab VIEW软件包含了各种用于数据采集, 信号处理、数据分析的功能模块, 它能够实现数据采集、分析与显示功能集中在同一个开放式的开发环境中。[1]
海水水质检测通常涉及参数主要有:盐度、p H、溶解氧、电导率、水温、无机磷、无机氮 (硝酸盐、亚硝酸盐和氨) 、油类以及一些重金属元素等。本设计考虑海水水质检测的常规参数结合自身实际需求最终选择了对海水水温、PH值、溶解氧、电导率和氨氮量五项水质信息进行数据采集。
2 海水水质采集系统的硬件组成
2.1 NI9219 数据采集卡
本设计选择NI9219 数据采集卡, 它是一款4 通道, 24 位通用模拟输入模块, NI 9219 能够测量传感器中的多种信号, 如应变计、RTD、热电偶、测压元件和其他需要供电的传感器。由于通道接受单独选择, 4 条通道可以分别进行不同类型的测量。测量范围随测量类型而异, 包括±60 V最大电压范围和±25 m A最大电流范围。NI 9219 共有4 个6 端子弹簧端子连接器, 每个连接器可提供一个模拟输入通道。NI 9219 各通道间相互隔离。4 个24 位模数转换器 (ADC) 可同时对4 个模拟输入通道进行采样。NI 9219 可为需要激励输入的模式提供激励电路, 并在每种模式下重新配置ADC和激励电路, 以适应不同传感器类型。实物及通道说明如图1 所示。
2.2 传感器选型
从2000-2014 年中国海洋环境质量公报[3]中我们可以看出:我国每年都要对海水水质质量进行评价, 每年在全海域开展了春季、夏季和秋季三个航次的海水质量监测, 主要的监测参数包括海水中无机氮、活性磷酸盐、石油类和化学需氧量等;同时还在我国管辖海域开展了海洋表层水温和水体盐度监测, 并在部分海域开展了海流监测。海水水质参数的检测在沿海水产养殖中同样至关重要, 海水水质质量健康, 才有利于水生动物正常生长, 降低了水生动物的发病率, 达到可观的养殖效益[4]。通过了解了海洋环境监测的主要海水水质参数和水产养殖的关键参数, 最终本设计方案结合项目需求和现实可行性确定了对海水的水温、含氧量、ph值、氨氮量和电导率五项水质参数进行检测。
2.2.1 温度传感器。温度传感器选用四线制的PT 100 铂热电阻温度传感器。铂热电阻的阻值会随着温度的变化而改变, 其输出信号与温度变量之间有一给定的连续函数关系。该温度传感器精度高, 结构紧凑, 功耗低。在模拟量采集的过程中还可以抗外界的电磁干扰, 保证了传感器的可靠性。主要技术参数如下:
测量对象:液体、气体和蒸汽
测量量程:-5℃~60℃
精度等级:±0.5%FS
供电电压:12~36V DC, 标准值24VDC;
输出信号:4~20m A DC (四线制)
2.2.2 含氧量传感器。含氧量的检测选用德国WTW公司生产的FDO 700 IQ含氧量传感器, 利用荧光法测量, 根据水体水质中红光持续时间的长短测试含氧量的浓度。它具有测量精度高、寿命长等优点。使用时对水流速度无要求, 使用过程中无需进行校正。主要技术参数如下:
测量方法:荧光法
测量量程:0~20.00mg/L
分辨率:0.01mg/L
测量精度:±0.05mg/L
输入电源:由IQ Sensor Net供电24V DC
输出信号:4~20m A DC
功耗:0.7W
校正:不需要
2.2.3 PH值传感器。海水水质中的p H值检测选用德国WTW公司生产的PH/ORP Senso Lyt 700 IQ传感器。该传感器内置不锈钢探头, 具有玻璃感测电极, 适用于恶劣的环境下工作, 耐腐蚀。主要技术参数如下:
测试范围:0~14.00p H
输入电源:由IQ Sensor Net供电24V DC
输出信号:4~20m A DC
耐温/ 耐压:0~60℃/bar
电气连接:2 芯屏蔽电缆, IQ专用电缆
功耗:0.2W
2.2.4 氨氮量传感器。海水水质中的氨氮量的检测选用德国WTW公司生产的氨氮测量仪。采用离子电极法测量, 具有自动补偿的功能, 消除了水质中其它干扰离子的影响。该传感器响应速度快, 运行可靠, 维护成本低。主要技术参数如下:
离子电极:1 支参考电极, 2 支测试电极
补偿配置:干扰离子补偿电极
测量范围:0.1~100.0mg/L
测量精度:0.01mg/L
操作温度:0~40℃
输入电源:由IQ Sensor Net供电24V DC
输出信号:4~20m A DC
功耗:0.2W
2.2.5 电导率传感器。海水水质中的电导率检测选用了德国WTW公司生产的Tetra Con 700/IQ
四极式测试技术通过测试两个极板之间电解液的电导 (电阻的倒数) , 之后与电极常数相乘, 得到结果就是溶液的电导率。计算机的任务是把由电导率传感器输出的电流信号进行处理, 之后乘以电极常数, 最后换算成电导率。四极式电导率传感器有两个优点, 第一解决了高电导率测试时的极化难题;第二, 解决了电极污染造成读数不准的问题。
综上所述最终设计的海水水质数据采集系统硬件组成如2 图所示。
3 海水水质数据采集系统的软件设计
3.1 数据采集系统软件设计方案
在完成采集系统的硬件设计之后, 对数据的处理分析用NI公司的Lab VIEW软件实现, Lab VIEW是实验室虚拟仪器集成环境 (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) 的简称, 又称为G语言, 是一种新的编程语言。该软件是美国NI公司在1986 年研发的虚拟仪器开发平台, 也是现今应用最为广泛、发展速度最快以及功能最为完善的一款集成图形开发软件。Lab VIEW以图形的形式提供了多种信号分析和处理函数, 可以更加高效的构建虚拟的测量仪器, 实现对数据的分析处理。上位机采用Lab VIEW代替硬件实现数据处理, 那么以后系统升级都不再需要对硬件进行修改, 只需要改善上位机软件即可。本设计数据采集系统软件设计框图如下图3 所示, 接下来本文主要在传感器信号采集程序设计上做详细介绍。
3.2 数据采集模块程序设计
数据采集模块实现采集卡对前端传感器信号的采集工作, 完成了数据从硬件系统到计算机存储模块的转移。本文海水水质数据采集系统利用DAQ助手实现对NI9219 数据采集卡输出的信号进行采集。
3.2.1 数据采集前硬件检查。启动NI MAX, 在measurement&Auto Nation explore界面检查设备和接口是否连接正常, 在软件选板检查NI采集卡、NI-DAQ等驱动程序是否安装成功。如图4所示。
3.2.2 数据采集程序设计。数据采集程序实现对前端数据采集卡输出的模拟信号进行采集。本设计在数据采集程序设计过程中是要是使用DAQ助手实现对采集卡输入的信号进行采集。下面以对溶解氧信号采集为例, 主要设计步骤:
在Lab VIEW软件中, 新建程序框图, 打开函数面板下的测量I/O选板中的DAQmx- 数据采集子选板中的DAQ助手, 将其拖到程序框图中, 系统将自动弹出DAQ助手初始化窗口。在此窗口中我们将要选择采集数据信号的测量类型, 包括一个或多个通道定时、触发等属性的集合。要在DAQ数据采集任务中完成多个测量类型, 必须首先创建具有一个测量类型的任务。任务创建完毕后, 单击添加通道按钮可向任务添加一个新的测量类型。在此窗口中我们选择采集信号的类型, 包括模拟输入、数字输入、计数器输入和TEDS。本次设计溶解氧测量仪输出的是电流, 所以我们选择模拟输入, 电流信号。如图5 所示。
DAQ数据采集测量类型创建完成后, 就要选择前端采集卡的物理通道, 如之前已配置了与任务具有相同测量类型的全局虚拟通道, 单击虚拟栏可向任务添加或复制全局虚拟通道。复制全局通道至任务后, 全局通道将变为一个局部虚拟通道。将全局虚拟通道添加至任务后, 任务将使用实际的全局虚拟通道, 任何对全局虚拟通道的改动都将反映在任务中。如图6 所示。
完成了数据采集测量类型的选择和测量任务通道的分配之后, 就要对采集数据信号进行配置, 包括采集数据信号的输入设置和定时设置。输入设置包括信号输入范围, 电流与被测量的自定义换算以及换算后的单位。溶解氧测量仪输出信号是4-20m A, 所以在信号输入范围的最大值填写20m A, 最小值4m A;在自定义换算新建溶解氧, 填写换算后单位mg/L。如图7 所示。
以此方法步骤分别配置好Ph传感器信号、电导率传感器信号和温度信号。
3.3 数据采集系统程序框图
配置好DAQ助手之后, 利用Lab VIEW图形化编程技术, 完成海水水质数据采集系统的程序框图设计, 程序框图见图8 所示。
结束语
本次设计海洋水质参数数据采集系统, 实现了对海水水温、ph值、含氧量、氨氮量和电导率数据的采集。在硬件部分, 通过NI9219数据采集卡精确高效的完成了对水质传感器信号的采集和向上位机传输传感器信号的工作, 采集的信号质量高, 响应速度快, 基本无响应延迟。在软件部分, 通过Lab VIEW完成对信号采集程序的设计。实验结果证明基于Lab VIEW海水水质数据采集系统具有使用方便, 数据采集工作效率高, 采集到的水质数据精确等优点。
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水星路由数据包传输分析 篇5
一、输入的问题
1、原始套接口可以接收到任何TCP或UDP报文。
2、要想接收到原始套接口，首先要接收的数据包必须有一个完整的、正确的IP头，否则不能通过ip_rcv中的包头检查和检验和验证。
3、在原始套接口接收的数据包过程中，内核会对接收的IP包进行校验和验证，但不会对IP包以后的任何字段进行检测和验证。如，我们创建原始套接口时，所指定的protocol参数为IPPROTO_TCP，内核也不会进行TCP校验和验证，而是直接把IP头中协议字段为TCP的所有数据包都复制一份，提交给该原始套接口。
4、用原始套接口接收到的TCP包都是进行了IP重组以后，TCP排序以前的报文。
5、如果在创建原始套接口时，所指定的protocol参数不为零，(socket的第三个参数)，则接收到的数据报的协议字段应该与之匹配。否则该数据报不传递给该套接口。
6、如果此原始套接口上绑定了一个本地IP地址，那么接收到的数据报的目的IP地址应该与该绑定的IP地址相匹配，否则该数据包将不传递到该套接口。
7、如果此原始套接口通过connect指定了一个对方IP地址，那么接收到的数据包的源IP地址应与该以连接地址相匹配，否则该数据包不传递给该套接口。
8、如果一个原始套接口以protocol参数为0的方式创建，并且未调用connect或bind，那么对于内核传递给原始套接口的每一个原始数据报，该套接口都会收到一份拷贝。
9、原始套接口接收不到任何的ARP或RARP协议类型的套接口，因为net_rx_action会把ARP或RARP协议类型的数据包传递给ARP的接收函数类处理，不会传递给IP层的接收函数ip_rcv()。
10、原始套接口并不是可以接收到任何的ICMP类型的数据包，因为有些ICMP类型的数据包在传递给原始套接口之前已经被系统所响应，并不再向上层传递。
11、如果对方的数据包分片了，由于原始套接口的接收是在IP上层，所以会接收到重组以后的原始IP包，
二、输出的问题
1、普通输出通常通过sendto或sendmsg并指定目的IP地址来完成，如果套接口已经连接，也可以调用write、writev或send。
2、如果IP_HDRINCL选项未设置，则内核写的数据起始地址是IP头部之后的第一个字节。因为这种情况下，内核将构造IP头部，并将它安在来自进程数据之前。内核将IPv4头部的协议字段设置成用户在调用socket函数时所给的第三个参数。
3、如果IP_HDRINCL选项已设置，则内核写的数据其实地址是IP头部的第一个字节。用户所提供的数据必须包括IP头部。此时进程构造除了以下两项以外的整个IP头部：IPv4标示字段可以设为0，要求内核设置该值。而且仅当该字段为0时，内核才为其设置，IPv4头部校验和由内核来计算和存储。
4、如果创建原始套接口时指定了协议类型，即第三个参数protocol，那也并不是说只能发该类型的数据包。如，即使将protocol指定为IPPROTO_TCP，也可以发送用户自己组装的UDP报文，不过此时如果IP_HDRINCL选项未设置，那么内核将会在IP头的协议字段指明后面的报文为TCP报文(不过此时却为UDP报文)。等数据包发送到对方TCP层，一般说来会因为找不到合适的TCP套接口接收该数据包而被丢弃。不过该包可以在目标主机的原始套接口上接收到。
5、正如前面所述，任何时候，IP头的校验和都是由内核来设置的。
6、内核任何时候那会都不会对IP包以后的字段进行校验和验证。如，即使我们指定第三个参数protocol为IPPROTO_TCP，在数据发送时内核也不会对进行TCP校验和计算和验证。
7、如果IP_HDRINCL选项已设置，按照常规，我们应该组建自己的IP头，但是即使我们没有组建IP头，用sendto或sendmsg并指定目的IP地址来发送数据是照样可以完成的。但是这样的数据包在目标机上用原始套接口是接收不到的，因为在ip_rcv()中要对IP头进行验证，并且要分析校验和，所以该包会被丢弃，不过在链路层应该能够接收到该数据包。
8、如果设置了IP_HDRINCL选项，并且数据包超长，那么数据会被丢弃，并会返回出错码EMSGSIZE。如果未设置IP_HDRINCL选项，并且数据包超长，那么数据包会被分片。
数据采集传输 篇6
关键词：大数据时代；地理信息服务；数据传输；标准化
引 言
人类社会进入大数据时代，数据成为了继土地、劳动力与资本之后的新的要素。用数据决策、用数据评价成为越来越普遍的要求。当前，大数据引发着各行业、各领域商业模式、生产模式与管理模式的变革和创新，将对经济社会发展与人们的生产生活方式产生深远的影响。大数据时代，测绘心理信息服务需求不断增长，为测绘地理信息事业加快发展提供了强劲动力，同时也给测绘地理信息工作统一监督管理与服务保障带来严峻挑战。
1 地理信息服务简介
地理信息系统（GIS），是对信息进行采集、存储、管理与分析的有效工具，从20世纪60年代诞生以来，其概念和理论基础已基本成熟，但是随着计算机技术、数据库技术和网络技术的不断发展，将GIS的功能在网络中实现，并且解决网络上跨平台的、异构的、海量的信息共享，传统GIS的概念逐渐发生了改变，产生了地理信息服务的概念。
地理信息服务旨在构建一个服务平台，使得大数据时代的各种软件资源与硬件资源能够有效的共享，方便用户获取数据和信息，并进行二次加工，从而得到自己所需的信息产品，产生效益。
2 影响数据组织传输的因素
数据在地理信息服务中，是贯穿整个服务的主线，从数据格式、数据管理、网络传输、资源配置到用户利用，各个方面都需要考虑数据的处理。
2.1 数据格式
大数据时代地理信息服务中的数据通常可以分为空间数据与非空间数据。其中空间数据提供使用者基础地理空间信息，是面向大众的，所提供的数据也必须是公开的。因为地图数据是受国家保护的一类特殊产品，因此面对需求，只能做到最大程度的共享，根据不同的用户层次控制好数据的尺度。非空间数据，是存在于各个应用部门内部的，供业务应用所需的数据，有的与空间数据相关，有的则不相关，大多都是保密的，由各个应用部门自己管理。
空间数据可以分为栅格数据与矢量数据两种，其中不同类型又具有多种数据格式，空间数据的这种异构性就造成了“信息孤岛”，这就在底层为实现地理信息服务设置了障碍，因此必须首先解决如何在网络环境中实现不同类型、不同格式之间的空间数据有效的共享与交互。
矢量数据的特点是结构紧凑，精度高、图形显示的质量好、便于空间分析，但是其结构复杂，不同格式间的矢量数据实现共享困难。栅格数据的特点是数据结构简单，像素阵列的形式与输出设备的显示机制相一致，输出方便快捷，易于计算机表达，在网络传输方面研究主要涉及栅格数据的压缩和网络的渐进传输，技术上相对比较成熟，只是在空间分析方面的功能支持显得不够。
非空间数据主要是提供给各个应用部门的内部使用的，主要是一些属性数据，包括用户信息数据、资源信息数据、审计信息数据、业务专用数据等。这些数据大多存放于通用类型的商用关系型数据库中，例如：Oracle、SQLServer、Access等，主要包括是文本、视频、音频和图片等数据，它们的网络传输可利用Web Services技术，功能上比较简单。
2.2 数据管理
大数据时代地理信息服务中数据管理可以分为空间数据管理与非空间数据管理，对于非空间数据而言，强大的数据库管理系统功能足以满足数据管理所需，以下内容主要讨论空间数据的管理问题，主要分为两种方式：文件方式和数据库方式。
目前，主流的空间数据管理的方式是数据库方式，主要又分为两种实现途径：①统一数据格式，与文件方式相类似，在数据库之上设置一个数据转换程序，将不同格式的数据转换到统一的数据格式上，在数据格式较少时，这种方法简单实用，但是一旦数据格式较多时，就造成了数据转换程序开发困难，并且在格式转换过程中还容易丢失信息，转换过程运行效率低。目前这种方式除了应用在极个别的地理信息服务场合外，很难推广应用。②空间数据引擎，利用服务器对外的统一的接口——空间数据引擎，将不同类型、不同格式的空间数据统一到一种标准格式上，要求这种标准格式应适应网络传输，与自身格式无关，当用户收到数据后，可以根据自己的请求将标准数据进行还原处理成自己所需的格式数据，是解决地理信息服务中空间数据有效共享的最佳方式，目前最常用的XML就是这种方式的典型代表。
2.3 网络传输
网络传输在地理信息服务中是最为主要的环节，大数据时代其实现的方式主要有：数据库、FTP、XML和底层设计开发等。其中数据库方式最为方便，一般各种大型的数据库开发商都会配套推出数据库的服务器端和客户端软件，通过在客户端的资源配置，建立起计算机之间的网络联系，实现空间数据的有效传输，但是这种方式对硬件设施的配置要求较高，并且组网也有特殊的要求。另外由于软件都是国外的，数据的安全也收到威胁。FTP方式是早期地理信息服务数据传输实现的方式之一，构建系统方便，通过网络共享与文件下载，实现空间数据的远距离调用，但是由于其服务器端功能较单一，对大数据量、多源、多比例尺空间数据的调用程序较难实现，且客户端与服务器端联系紧密，扩展性不强。
2.4 资源配置
在地理信息服務中，只要网络带宽一定，有效的配置网络资源是影响空间数据传输的主要因素。
因为网络环境较为复杂多样，所以地理信息服务在整体上要加入冗余机制，在服务框架下添加数据服务器、数据代理服务器、资源管理服务器与数据应用服务器的副本，满足服务平台在某几台服务器不能正常工作的情况下备份服务器的正常工作，确保系统的健壮性。另外在服务平台中，资源管理器的作用很重要，可以说资源管理器就是整个服务平台的神经中枢。
2.5 数据利用
在地理信息服务中进行数据传输，最终是要将可用的数据提供给用户，所以对数据的还原利用是服务的最后一步，也是影响服务质量的关键因素。随着地理信息服务的不断深入与发展，终端用户的设备已经从最初的普通台式机、笔记本发展到当前的PDA、智能手机等小型的终端设备。
3 三个标准化
综上所述，我们认为在地理信息服务中，对于数据的有效组织传输，可以归纳为三个标准化问题。
3.1 数据标准化
数据标准化是指在地理信息服务中，数据服务器端存放的数据可以是多源异构的，其对外的数据接口必须符合统一的格式标准。面向大众的通用地理信息服务平台，可以利用XML来传输数据，这样平台方便开发、容易扩展；在实现某个部门专用的服务功能时，可以使用从底层设计开发二进制传输格式，确保传输数据的独立性和安全性。数据的标准化解决了空间数据应用的根本问题。
3.2 通讯标准化
通讯标准化是指在地理信息服务中服务请求者与服务提供者之间的信息交流、传输实现有效、统一。地理信息服务中的网络通讯按照技术手段可分为有线通讯和无线通讯。按照通讯的目的不同，地理信息服务中的通讯还可分为请求通讯与服务通讯。通过请求通讯与服务通讯，确保了终端用户和服务器之间的有效连接，在设计通讯指令时，需要注意做到简单明了、易于处理和扩展。
4 结 语
综上所述，本文讨论的三个标准化问题概括起来实质也就是接口问题，可以认为是“共享接口”的具体化。在进行地理信息服务的设计开发时，我们应该重点把握好各个层次接口的标准化，才能够做到服务数据在网络上的快速有效传输。
参考文献
[1]吴利平，郭鑫胤，曲荣.地理信息共享和标准化问题的探讨[J].科技资讯.2009（20）.23～24.
[2]魏翔，陈俊侃.浅谈GIS的应用与发展[J].北京测绘.2011（02）.10～11.
试油数据采集及无线传输系统研究 篇7
试油数据采集及无线传输系统主要包括采集和传输两大部分。采集系统由采集模块、电源模块、信号电缆、压力和温度变送器;传输系统由无线通讯模块、室外天线等组成,采用当今覆盖面最大的GPRS进行无线网络数据传输。施工现场均采用可以测量压力、温度及其他物理量的防爆型变送器,将采集到的数据信号经电缆传送到采集模块处理后,输入计算机,直接显示出各项资料的数据和图表,最后利用网络无线传输系统,实现分站与总站之间的各种资料时时互传。
1 数据采集系统原理
该系统采用的防爆压力和温度传感器,将采集到的井内压力、温度等物理量经过V/A转换进行温漂补偿后把电流信号通过电缆传到采集模块,采集模块将电流信号再次转换成电压信号,再进行数据处理,最后把模拟信号转换成数字信号输入计算机后,就可以显示出各项资料数据和图表。
2 硬件的选择
我们施工通常是在野外环境下进行,北方冬季室外温度较低,而地层返液的温度又较高。普通的采集仪器通常是在温度变化较小的范围内工作,温差大时各项指标就无法满足我们采集系统的精度要求,因此,我们本着必须满足稳定、精确、耐用的原则进行硬件选择。
2.1 该系统分别对井口油套压、油嘴管汇上流压力及温度、油嘴
管汇下流压力及温度、分离器入口温度、分离器罐体压力和罐体温度、气产量、水流量、油流量、压裂施工数据实现实时监测、成果输出、自动报警等功能。
2.2 自动采集接口控制箱的制造、各种防爆传感器的选型等研究工作。
2.3 完成了DTS1000B试油试采综合录入仪的加工。
该仪器由五部分组成:主流程采集系统;辅助流程采集系统;视频采集系统;无线网络传输系统;电源系统。
3 现场数据自动采集网络平台开发
主流程数据采集数据库:
现场主流程采集的数据,通过无线网络传输到基地总站服务器后,自动存入主流程数据采集数据库。
辅助流程数据采集数据库:
现场辅助流程采集的数据,通过无线网络传输到基地总站服务器后,自动存入辅助流程数据采集数据库。
现场视频数据库:
现场视频图象数据,通过无线网络传输到基地总站服务器后,自动存入现场视频数据库。
数据库连接:
本软件后台使用SQL SERVER数据库系统,SQL SERVER支持使用TCP/IP方式连接及命名管道连接,本软件允许使用设置连接方式及用户名密码等参数。
用户管理:
可以在程序中管理用户数据,可以添加、删除、修改用户名称、密码、权限等数据。
在线用户查看及特殊功能:
可以查看目前在线的用户列表,选一个在线用户后,可以强制踢出该用户,可以检查与该用户之间的网络连接是否正常,可以向该用户发送文字。
日志功能:
可以将软件运行过程中发生的错误等信息保存下来,以便于跟踪调试。
参数定制:
可设置软件运行时监听的端口,可以设置接收文件的暂存目录,可以设置连接到SQL SERVER数据库服务器的连接信息及连接方式。
实时数据查看:
用户输入查看的条件,时间、用户等,将在网页中看到最新的实时数据,网页打开后会自动检查服务器上最新的实时数据,可以在网页中以数据表格或曲线图方式显示数据。
视频数据查看:
DTS1000B系统上具有视频监控设备,需要查看视频时,前线机柜打开视频设备,并通过CDMA连接至公网,前线传输软件将自动把设备采集到的数据传输到服务器。用户在网页使用此功能后,当收到最新的视频数据时,网页中的程序会自动从服务器上读取数据并在网页中播放。视频播放支持全屏、暂停、继续、快放、慢放、视频片段另存为等基本功能。
文件传输:
通过邮件系统,用户可以网页中向其它用户发送文件,也可以读取其它用户发来的文件。
该项目的研制成功,从根本上解决了试油日报的手写历史,增强资料录取的准确性、提高资料质量,是科学化、现代化、电子化管理动态基础资料的一个尝试。该成果将提高分公司对外技术服务能力,可以在国内外开展技术服务。
同时也降低了工人的劳动强度,缩短了试油施工周期,提高了工作效率,为将来全面实现试油资料从井下到地面到总站的电子化,信息化管理打下坚实基础。
摘要：试油数据采集、无线传输系统是利用现代高科技采集方式和传输手段及时将施工现场采集的各项压力、温度等资料及时传送到后方指挥部门进行决策分析,并制定相应的技术对策来指导现场施工的系统。
数据采集传输 篇8
工业、工程现场有许多不宜用有线方法进行测控的对象,如高速移动、旋转的物体或测控点非常分散等,在易腐蚀、易燃易爆环境中,使用无线通信方式进行测控可以避免不必要人员与设备损失。因此,研究工业、工程控制环境下的无线数据通信技术是必要的,其核心问题是如何使用无线通信技术把传感器采集到的数据传送到所需位置,实现远距离的监控。
2 系统硬件组成
系统的无线通信模块在单片机的控制下分为发送和接收两部分,系统硬件组成框图见图1。
2.1 传感器
系统选用DS18B20数字式温度传感器,该传感器有3个管脚(数据、地、电源),能方便地组建传感器网络。测温范围为-55 ℃～+125 ℃。每只DS18B20有一个唯一的64位编码,编码具有CRC校验功能,通过自带的5个操作命令,可以区分出每个器件。一条操作控制命令指示DS18B20完成一次温度测量,测量结果放在暂存器里,用一条读暂存器内容的存储器操作命令将暂存器中的温度数据以16 bit带符号位扩展的二进制补码形式读出,数据通过单线接口以串行方式传输给单片机。
2.2 单片机
系统选择AT89S52单片机,它是低功耗、高性能的8位单片机,片上8 K字节Flash程序存储器允许在系统可编程,亦适于常规编程器,具有256字节RAM,4个可编程的并行I/O口(P0～P3),看门狗定时器,2个数据指针,3个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路,支持两种软件可选择节电模式:1)空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作;2)掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
2.3 射频芯片
射频芯片选择NRF401。该芯片采用抗干扰能力较强的FSK调制/解调方式,工作频率为433 MHz,最高工作速率可以达到20 Kbit/s,发射功率可以调整;最大发射功率是+10 dBm(根据天线方式和工作环境,最大传送距离达几百米);所需外围电路元件少,功耗低;具有待机模式,可以更省电和高效;工作电压范围为2.7 V～5 V。NRF401的重要时序(TX:发送模式,RX:接收模式):1)当RX→TX模式时,数据输入脚(DIN)必须保持至少1 ms才能发送数据。当TX→RX模式时,数据输出脚(DOUT)要至少3 ms以后有数据输出。2)从待机模式到接收模式,当PWR_UP设成1时,经过tSR(最大3 ms)时间后,DOUT脚输出数据有效。从接收模式到待机模式(tST)最长的时间是3 ms。从待机模式到发射模式Standby→TX的切换,所需稳定的时间是TST(最大2 ms)。3)从加电到发射模式(Power Up→TX),为了避免开机时产生干扰和辐射,在上电过程中TXEN的输入脚必须保持为低;TXEN置1必须保持1 ms以后才可以往DIN发送数据。4)加电到接收(Power Up→RX):电源电压2.7 V以下芯片将不会接收数据,DOUT也不会有有效的数据输出,直到电源电压达到2.7 V以上并至少保持5 ms。 天线对无线传输设备的性能有着很大的影响,ANT1和ANT2是NRF401的无线输入输出端。天线设计为差分天线以便于使用低成本的PCB天线:TXEN=1时选择发射模式;TXEN=0时选择接收模式。频道的选择:CS=0时选择1频道(f1=433.92 MHz),CS=1时选择2频道(f2=434.33 MHz)。
2.4 系统功能设计
AT89S52的P1.1口作数据发送、接收口。设计时给DS18B20的VDD引脚接入一个外部电源,这样I/O线上不需要加强上拉,总线控制器不用在温度转换期间总保持高电平,可以挂接10片以上DS18B20。无论是单点还是多点温度检测,在系统安装及工作之前,应将主机逐个与DS18B20挂接,读出其序列号。其工作过程为:主机Tx发一个脉冲,待“0”电平大于480 μs后,复位DS18B20,待DS18B20所发响应脉冲由主机Rx接收后,主机Tx再发读ROM命令代码33H(低位在前),然后发一个脉冲(15 μs)并接着读取DS18B20序列号的一位。用同样方法读取序列号的56位。系统的DS18B20操作分3步完成:1)系统通过反复操作,搜索DS18B20序列号;2)启动所有在线DS18B20做温度A/D变换;3)逐个读出在线DS18B20变换后的温度数据。程序的主流程图见图2。
3 软件设计
本系统的软件设计分为两大部分:无线发射控制软件和无线接收控制软件。无线发射控制软件包括数据采集、数据编码、单片机串行传输、软件监控4个软件设计部分。其中数据采集的软件是控制转换现场信号为数字信号并进行数据的初步处理。数据编码软件是为了降低数据传输误码率(采用CRC校验)。单片机串行传输软件是实现单片机串口对NRF401芯片传输数据。软件监控软件是系统正常运行的软件保证。单片机串行接收软件是控制单片机串口接收无线、接收模块收到的数据,然后将该数据传输到单片机内部处理。
单片机串行接收软件控制单片机串口接收无线、接收模块收到的数据,然后将该数据传输到单片机内部处理。程序开始时先将指令寄存器R1清零,配置NRF401芯片为接收状态,然后再等待数据的接收,在接收时先接收数据块长度字节,然后再一帧一帧的接收,数据接收后进行数据校验,如果数据校验错误,就进行错误处理,否则程序返回(见图3)。
4 结语
系统已经在某工业、工程现场的环境监测中进行了实际应用。应用证明该系统具有比较高的测量精度,测试定点准确,测量结果及时有效,由于测试点分散,采用无线系统节省了不少投资,也为企业提供了很好的辅助决策依据。系统需进一步改进的地方:1)通过通用串行总线RS-232接口与PC机相连,实现人机互动。2)扩展为基于RF无线局域网的现场数据采集系统。
参考文献
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[3]李朝青.无线发送/接收IC芯片及其数据通信技术选编[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003:8-23.
一种气象数据采集传输系统的设计 篇9
随着传感器向着智能化、网络化方向的发展,无线网络技术在自动气象数据采集中得到了应用。利用Zig Bee技术近距离、组网能力强、成本低及可靠性高的特点,使得气象站中传感器网络部署的有效时间得到延长,增强了网络的实用性,测量节点具有更长的生命周期。Zig Bee技术自有的无线电标准,以接力的方式在多个测量节点之间相互协调实现通信,通信效率非常高,满足了交通气象参数采集传输的需要[1]。同时随着移动通信发展的宽带化、数据化、多应用化,手机作用的领域已经扩展到人们生活的很多方面。因此,将手机移动监测和Zig Bee无线传输网络结合起来,并利用手机所具有的GPRS通信能力研制气象数据采集传输系统具有一定的意义。
1 系统设计与实现原理
本设计利用手机、Zig Bee无线传输网络、气象数据采集检测等设备开发出一个能实现气象数据采集、存储并实时上传数据到上位服务器端的数据采集系统。其中手机负责接收来自Zig Bee网络的数据,并对数据做出相应的判断和处理;Zig Bee无线传输网络负责手机和数据采集检测部分的通信;气象数据采集检测部分负责所在区域内气象参数的检测、分析及处理。整个系统工作原理如图1所示。
系统的手机开发平台采用MTK架构套件,它集成了32位嵌入式ARM7处理器,支持GPRS、GSM消息传输,并具有128个引脚外部扩展接口,可以连接各种功能外设,还支持用J2ME Java来控制硬件。通过在此手机平台嵌入无线Zig Bee射频模块,实现系统主控制器和各网络子节点的数据采集传输。
数据采集系统的硬件结构图如图2所示。
无线网络化传感器RFD(精简功能器件)模块采集数据信息,并通过Zig Bee通信协议传输到FFD(全功能器件)模块;FFD模块将数据信息做简单处理、编码打包后通过串口将数据上传到手机平台;手机数据处理功能程序对气象数据进行进一步的补充描述,在手机上实现气象参数的显示、存储,并可通过手机的GPRS功能模块以文本形式将数据实时上传到服务器端。服务器端接收到现场数据进行进一步的处理后,提供决策支持,采取预防措施。
所采集的气象数据包括温度、湿度、风速、降水、能见度、大气压力等。
2 系统硬件设计
系统的硬件主要由基于CC2430的数据采集模块和手机平台两部分组成。手机平台要实现的硬件设计主要有:手机与CC2430的串口通信电路及GPIO电源控制设计;数据采集检测部分主要由CC2430芯片、传感器及外围部件构成。
2.1 数据采集模块设计
数据采集模块使用CC2430配合气象传感器实现数据的采集、传输,硬件连接图如图3所示。
CC2430节点模块主要由CC2430芯片和传感器构成。Zig Bee是一种基于LR-WPAN的双向无线通信技术标准。可以工作在2.4 GHz的ISM频段,数据速率可达到250 kb/s。CC2430系统芯片就是以Zig Bee技术为基础的2.4 GHz射频系统单芯片。以51单片机为核心,集成了收发通道,具有模数转换器、21个可用数字IO接口,可以与多种参数传感器进行直接连接。CC2430工作电流损耗为27 m A,适合本系统的工作低功耗要求。CC2430将气象传感器采集的数据经模数转换及数据处理后,将结果通过Zig Bee无线传感器网络发送出去,以供手机接收使用。
CC2430气象数据采集传输模块如图4所示。
2.2 串口通信接口设计
需要实现手机与CC2430模块的数据通信。将CC2430制作为符合标准的扩展板,手机通过串口2与CC2430扩展板连接。应用的基本框架如图5所示。在开发手机的UART的发送(UTXD)和接收脚(URXD),分别与CC2430的RXD、TXD引脚连接,构成两者之间的数据传输。
3 平台界面软件设计与实现
MTK手机平台可使用C语言、JAVA语言进行开发,其中使用JAVA语言开发的软件具有通用性强、方便移植、开发周期短等优点。本文平台界面设计采用Sun J2ME Wireless Toolkit(WTK)开发工具配合Eclipse ME开发组件来设计。将实现一个基于J2ME/MIDP的客户前端,利用GPRS建立数据传输网络的气象数据采集系统。
3.1 界面程序设计分析
本设计的客户端程序整体上参照MVC模式设计,将界面、数据、控制分为不同的模块,实现的主要功能有参数设置、串口监视、GPRS数据上传和参数监测界面四大部分,它们分别基于J2ME不同包类库和支持JNI操作的包派生而成。
(1)参数设置功能部分:用来实现手机平台功能的设置管理,如设置GPRS参数、设置系统时间、背光显示、Zig Bee芯片可用信道等,可将用户设置的信息使用MIDP中的RMS系统来保存在本地数据库中。这一功能部分基于LIST部件类扩展设计,其中的参数类型为EX-CLUSIVE,即每次只能选择列表中的单个项目。
(2)串口监视部分:当界面切换到气象数据采集界面时,通过任务接口定时读写串口,查看CC2430是否有数据上传,并将数据存入数据队列中,供显示界面调用。实现这部分功能需要实现程序线程Thread,Thread有两种方法来创建线程,一个是定义继承Thread类的子类,另一个是实现Runnable接口。本部分中主要使用实现Runnable接口这种方法。
(3)GPRS数据上传部分:将CC2430上传来的数据以文本格式或其他形式发送到上一层的决策控制中心。SUNW公司对MMS和SMS提供了JSR205和JSR102支持。其中定义的框架包含无线消息的可用API,实现了无线通信的高级抽象,将传输层完全隐藏,方便了设计。
(4)参数监测界面:用来显示传感器采集到的气象参数数据,显示可以配以文本、图片等信息,需要显示的气象参数有温度、湿度、风速、能见度、降水量、雪深、大气压等。界面采用Canvas类编程设计。此界面还可根据要求添加报警等预警功能,如降水量达到某一预定值,则给予声音、文字等预警显示。
3.2 设计与实现
J2ME的MIDP(Mobile Information Device Profile)包含的系统架构和Java类为小型、资源受限的移动信息设备(MID)创建了一个开放的应用程序环境。MIDP应用程序中的基本执行单元叫做“MIDlet”,它必须继承自javax.microedition.midlet.MIDlet类并实现类中包含的三个抽象方法:start App(),pause App(),destroy App()。在J2ME手机软件开发中,程序必须至少包含一个MIDlet类,通常初始化用户界面的程序应该放在start App()中执行[2]。
3.2.1 网络连接部分设计
J2ME的连接及网络API位于包javax.microedition.io中,这些API接口包含Http Connection,Socket Conection,Input Connection,Output Connection,Server Socket Connection等,它们是在通用连接框架上的扩展实现。Connection类是最基本的通用连接类型,只定义了close()一个方法用于关闭连接,而创建连接的操作使用Connector类的open()方法实现。
本设计示例中使用的HTTP协议进行网络通信,Http Conn线程要完成如下工作。
首先,在界面程序的初始化时,将Http Conn线程实例化,并设置线程处于休眠等待状态。考虑到连接上层需要花费一定的等待时间,可用窗体Form和标尺Guage设置一个等待连接界面,之后使用notify()唤醒线程,同时读取预先设置好的URL地址,连接上层服务器。如果连接超时或没有收到上层返回的Http Connection.HTTP_OK响应,则向用户报告“连接超时”错误。若连接成功,则启动定时器读取数据,装载之后准备将数据上传。上传工作完毕后,线程再次进入休眠状态,直到下一次再用notify()唤醒Http Conn线程[3]。GPRS网络连接的流程如图6所示。
3.2.2 参数监测显示部分设计
这部分实现将采集的气象信息数据显示,处于此界面时,程序定时从数据队列中读取需要显示的部分,可使用Timer与Timer Task类来设计完成这部分功能。Timer类是一个定时器,可以设定成按指定的时间周期或时间来产生信号,Timer Task类代表一个可以被定时器进行时间控制的任务[4]。这样将这两个类产生关联,在产生信号的同时,连带执行Timer Task所定义的工作。本文设计示例中编写的Meter Disp Task类同时继承了Canvas、Timer Task类,并在run()方法中实现从数据队列读取数据并调用数据显示功能。通过Timer的schedule()方法设定数据刷新的时间周期,并将它与Meter Disp Task关联,一旦设定的时间到,则Meter Disp Task中的run()方法就被执行,界面可以刷新显示气象数据信息。Canvas类为低级用户界面,需要实现paint()方法。
数据采集系统的一些参数预设信息需要保留,因此可采用J2ME中提供的记录管理系统RMS(Record Management System)来处理数据参数的持久化问题。RMS为一个小型的数据库管理系统,使用类似表格的简单形式组织信息,并存储起来形成持久化存储,以供应用程序在以后重新启动后继续调用[5]。记录存储系统类在javax microedition.rms包中,Record Store类中包含相关应用的方法。界面应用程序在WTK下的仿真器中运行。经启动画面后进入主界面,可以选择相应功能菜单进入。
本系统采用J2ME手机平台和CC2430无线通信模块,针对气象要素数据采集的需求,实现了数据采集通信系统的软硬件的设计。通过手机和Zig Bee技术,可以灵活方便地实现对区域内气象参数的采集和传输。在数据采集过程中采用了无线传感器网络技术以及GPRS远程无线移动传输技术,避免了传统气象数据采集布线复杂问题。同时设计中选用的CC2430芯片具有性能高、功耗低的特点,简化了外围接口电路的设计。在测试中,数据可以稳定可靠的传输,能满足应用场合的使用要求。本系统不仅可以应用于气象数据观测中,通过增加使用不同的传感器,也能应用于环境、智能家居等领域。
参考文献
[1]于宏毅,李鸥.无线传感器网络理论、技术与实现[M].北京:国防工业出版社,2008:2-3.
[2]卢军,岳希,周辉.J2ME程序设计[M].北京:中国水利水电出版社,2009:75-90.
[3]吴考琴.JAVA手机在污染源数据采集中的应用研究.微计算机信息[J].2009,26(5):93-95.
[4]牟伶俐,刘钢.基于JAVA手机的野外农田数据采集与传输系统设计[J].农业工程学报,2006,22(11):165-169.
数据采集传输 篇10
关键词：同步采样,同步以太网,区域数据测量,区域保护
0 引言
现有的广域测量系统是以同步相量测量技术为基础,主要面向大跨度电网,虽然具有异地高精度和同步相量测量能力,但总体来说动态数据记录密度不高(100 f/s左右)[1],数据更新时间慢[2,3],为20~50 ms。而目前的传送网更关注带宽利用率,使广域传送的数据量、实时性和确定性很难提高。相比而言,区域电网中相关联的变电站或电气场之间物理距离不远,有可能为区域保护构建单独的继电保护专网,而基于专网的区域同步数据采集和低延时传输将极大地提高系统动态性能,并为区域电网保护提供更多策略选择[4,5,6]。
1 问题的提出
与常规智能站不同,区域电网数据采集系统主要面临以下几个问题:
(1)系统内智能电子设备(Intelligent Electronic Device,IED)在空间上分属不同的变电站,如何实现站间稳定同步[7];
(2)同步源的周期扰动和各IED节点参考时钟的漂移,导致系统级的同步抖动较大;
(3)来自不同的变电站数据源到达区域应用主机的路径延时各不相同,如何快速获得统一时间断面的采样值数据;
(4)系统的采样密度密度问题,合适的采样密度能够为区域电网的保护、测量、动态数据记录提供一体化数据平台;
(5)如何保证多业务共网时采样数据固定路径低时延传送问题等。
此处以阳煤集团所属28个变电站为例,给出一种有源级联式采集系统,由顶层提供全网定时参考和路径延迟测量,并逐级完成系统同步及同步脉冲恢复。各变电站的IED在同步脉冲触发下完成数据采集,硬件保证采样值每个间隔都能同步回传。系统中级联转发设备采用电路交换、延迟补偿、硬件优先级划分等手段保证多业务共网时采样值数据固定时延传送,本文就系统结构、关键设备和技术、运行维护等方面进行了探讨。
2 系统设计
采集系统结构如图1所示,由系统层的区域应用业务主机和时间服务器、区域数据交换和通信管理装置(SWITCH),位于变电站的站域数据合并和转发装置(Merging Unit,MU)与过程层的IED组成。系统中应用业务主机主要负责如区域保护、安全稳控、故障数据记录等系统级功能。SWITCH负责收集来各级MU的采样值数据并向应用主机提供整合后的过程量;MU负责本变电站IED数据收集和级联变电站数据转发;IED则负责过程量采集和传输以及执行来自区域主机或站域主机的控制命令。时间服务器经SWITCH的IRIG-B接口接入,为各级设备提供绝对时间和同步参考。
2.1区域数据交换装置
区域数据交换装置(SWITCH)以FPGA为核心,负责各级MU的采样值数据整合和主机控制命令分解及链路管理功能,如图2所示。
图2中来自级联端口的采样值数据经硬件解码和缓冲后进入采样值缓冲池,在同步信号ASYN的触发下由硬件根据上行转发表生成采样值报文经应用接口提交到业务主机。主机下行命令由控制报文交换模块根据下行转发表进行目标寻径,然后经下行复用器进入级联端口发送;而下行分组复用器由硬件保证优先转发控制报文,仅在空闲时转发来自通用业务报文。MCU软件负责转发表的维护、同步恢复和各级联MU的运行维护。在本地秒脉冲的触发下,MCU周期性向下行各端口广播注册许可报文,通过接收下级MU的注册请求报文完成SWITCH到各级MU的链路延迟测量。
2.2站域数据合并装置和转发优化
站域数据合并装置和转发(MU)以FPGA为核心,通过改进现有直通转发策略,取消目标地址解析,改用电路交换和FIFO缓冲的技术,可进一步低数据转发延迟,结构如图3所示。
图3中下行数据分成两路:一路经过多通道的FIFO缓冲后直接送往其下行接口;另一路进入MAC控制器成帧后送MCU和下行解复用器进行解包,随后解复用器按一定规则将控制报文选送至目标IED所连接端口。对本地收集至各IED的过程量,由上行复用器进行数据压缩和打包,一路送本地MCU(MCU根据配置决定该报文是否转发至本地应用业务接口),另一路送上行MAC控制器的实时优先级接口(LV1)。来自下级级联端口和本地应用接口的非实时业务数据经MCU缓冲后被送到上行MAC控制器的LV0队列,由上行MAC控制器择机发送。
在图3所示MU中上行的多路选择器在本地时隙控制器的控制下,按预先设定的时隙顺序选择发送本级直采数据或下级MU的数据。时隙控制器则由同步恢复模块控制,在本级MU没有和SWITCH同步前,时隙控制器不会选择转发下级MU数据以及本级直采数据包。
2.3系统参考时钟优化
就图1来说,若各分散设备采用本地晶体作为定时参考,其频偏和漂移会导致系统失步和同步抖动风险增加,为此进行改进。
首先顶层SWITCH采用高稳定度的OCXO作为工作时钟、定时参考及网络物理层发送参考时钟;其次处于中间级联位置的MU则利用以太网物理层从上行级联端口(图3中RX0端口)恢复出的接收时钟作为本地网络物理层发送时钟和本地定时参考;最后,过程层IED则从MU下行数据链路中恢复出接收时钟,同时使用该时钟作为本地定时和发送参考。如此,系统定时直接或间接地同步于顶层高稳定度的温补晶体OCXO,系统级的同步和定时的稳定性得到保证,同步抖动也大大减小。
2.4网络传送规则及优化
为简化实现和延长传送距离,系统硬件上采用层次式有源级联,逻辑上基于多点控制协议(MPCP)[8]进行改进,兼容电路交换和存储转发,按顶层SWITCH的下行级联口划分网络冲突域和单独的同步域(如图1所示),同一个冲突域中上行信道为共享信道,下行信道为广播信道,位于同一个冲突域中的各级MU进行独立链路测距和同步。现有结构的解决方案中,在各节点延迟测量没有结束之前上行报文存在冲突,这里结合本系统特点对传送规则进行如下改进:
(1)链路测距等管理报文采用存储转发方式逐级上行;
(2)各级MU在它与SWITCH间端到端链路测距完成且获得授权后才可传送采样值;
(3)各级MU采样值报文必须在系统管理员规定的窗口中发送;
(4)若SWITCH重启则清除所有MU注册授权标记和链路延迟数据,并依据配置表向各端口发送注册许可帧,进行新一轮的延迟测量;
(5)若MU启动后则关闭本级电路转发并等待来自SWITCH的注册许可报文,根据需要发送注册请求帧并按注册许可报文中授权标记判断本节点是否注册成功;
(6)注册成功的MU将记忆注册许可报文中的本节点路径延迟,随后完成初始化并开放电路转发功能;
SWITCH特定下行口级联的所有MU测距完成则认为该支路初始化完成,通过改进的转发管理策略,本系统很好地解决了上行冲突问题。
3 链路延迟测量
本文对目前延迟测量方法进行改进[8,9],由硬件标记时间戳,并在MU应答的注册请求报文中增加许可报文发送时间和请求报文每一跳驻留时间修正字段,来提高延迟测量精度。
图4中SWITCH在T1时刻发送注册许可报文,MU在T2时刻接收到该报文并在T3时刻发回注册请求报文(其驻留时间修正字段为0),该报文在T4时刻到达SWTICH。其中 δt为电路转发延迟固定为4个网络时钟 ,MUi和MUi + 1为负责转 发的中间MU,而ΔTi和ΔTi + 1为中间级MU的软件转发延迟。故SWITCH可按下式计算它和对应MU之间路径延迟Tmu_delay:
式(1)隐式地包 含各级电 路转发延 迟 δt,其中∑ΔTi为中间级联的MU的软件驻留时间的总和,由硬件按下面方法自动计算。
当注册请求报文到达转发MU的网端口时由软件读取报文到达时间Trcv和报文中携带的修正时间字段Tpkt_correct,然后将差值Trcv- Tpkt_correct写入发送描述符,该报文离开时硬件采用发送时间Txmit和发送描述符的时间之差作为新的修正时间Tnew_pkt_correct,即:
最后,MU的注册请求报文最终到达SWITCH时,其报文中修正时间字段则为中间各级MU的软件驻留时间之和。实现时,SWITCH需要对同一个MU进行多次测量,并取平滑后的结果做最终的链路延迟,该延迟随后通过注册许可报文发布给相应的MU。
4 同步恢复
图1中,系统以SWITCH的下行级联端口为独立同步域,自上而下逐级同步。SWITCH通过跟踪IRIG-B信号,恢复出本地秒脉冲(PPS)准时沿并在PPS准时沿记录本地时间戳Tsw_pps和触发包含Tsw_pps注册许可报文(见图4),MU可推断出 本地PPS准时沿位 置为[9]:Tmu_pps= Tsw_pps+(T2- T1) 。 设第i次测量为Tmu_pps_i=Tsw_pps_i+(T2_i- T1_i) ,则MU侧获得一个随时间线性增长序列 {Tmu_pps_i},序列的增量即为MU本地观测到的秒脉冲的宽度,取该序列最新的N+1个测量值的增量并取平均作为MU的秒脉冲宽度,MU可估计出下一秒准时沿时间为:
接着MU通过一个具有输出比较功能的定时器来比较本地时间戳定时器和新的秒脉冲的预测值,当二者一致时输出本地秒脉冲,通过类似的方法实现IED和MU之间的定时器同步。最后,各级MU和IED以本地秒脉冲为参考点,产生间隔为Ts的采样脉冲ASYN,过程层IED在脉冲ASYN触发下启动数据采集,并向MU回传上一采样间隔的采样值。
如第2.3节所述,由于系统各级设备的同步定时器基于同一个参考时钟,加之本地自守时模块的作用,一旦系统进入同步状态,会在较长的时间内处于低抖动的同步保持状态。
5 同步数据传输和延迟补偿
MU将本变电站的采样值数据进行汇聚,压缩打包后在下一个采样间隔中等待触发传送。为补偿链路延迟,MU通过数字锁相环产生超前采样脉冲ASYN时间为Tmu_delay的发送触发信号MU_TX_SYN,由该信号触发产生本地传输节拍,使本地数据上行到达SWITCH时链路延迟恰好被补偿完。
如图5所示,MU的传输节拍被划分为实时窗口Tw和普通窗口Tp,并且硬件保证普通业务只在窗口Tp传输。其中实时窗口Tw用来传送上行采样值,又被还分为若干时隙,由系统静态分配各级MU的逻辑地址、时隙宽度和时隙位置。在传送窗口Tw内,只有在当前时隙与MU被授权的时隙一致时才可以插入传送本地采样值数据(如图5中时隙T5,对应逻辑地址为5的MU授权发包时隙),其他时隙按配置依次向上转发来自各个下行口的实时数据。通过静态时隙规划,不仅使采样值每个采样间隔都能得到传输且延时固定,还大大简化了系统设计复杂度。
位于区域控制中心的SWITCH则在系统级采样脉冲的触发下收集来自下行端口的过程层数据,生成系统一个时间断面数据,并按照配置向各应用主机提交。
6 路径规划及运维
区域应用业务集成和数据共享及过程层业务数据相对稳定是系统重要特征,系统配置和维护工具正是基于此优化设计完成的。工具以各变电站的IED所采集的过程层数据和控制对象构建资源库,根据应用主机数据要求采用自顶向下的建模顺序,先确定整个应用对各变电站的数据要求,再为各MU确定本级实时时隙宽度、时隙位置和逻辑地址、实时数据查找表等,MU根据查找表对来自所辖IED的采样数据进行带宽压缩和打包汇聚后上网传送。SWITCH则将区域数据汇总在一个缓冲池中,由配置工具根据应用主机的功能和数据模型文件编制上行转发表,指导SWITCH以IED为单位为不同应用端口重组过程层采样数据。
此外,配置工具以SWITCH下行端口为一个独立控制域,规划应用主机面向IED的控制报文的传送路径,并生成下行路径查找表,以便SWITCH正确转发应用主机的下行业务数据。对应的MU也包含一个由配置工具生成的下行控制命令映射表,以便MU能够正确转发应用主机的控制命令道特定IED。
如前所述,在SWITCH和MU的软件中均设计一个TCP服务端,维护数据通过SWITCH的管理端口以普通分组模式可以到达系统中任何一个MU,系统工具以此实现包括配置管理、运行工况和固件升级等远程运维。
7 系统测试
在测试阶段,综合利用不同长度的光纤和网络延迟器模拟分布在不同变电站的IED,记录系统中不同位置IED所测同一电流量的相位差,并结合示波器观测对应IED的ADC启动信号。图6为同步信号(ASYN)测试示意图,CH4为顶层SWITCH的ASYN信号,CH3某层次MU恢复的ASYN信号,CH1和CH2为不同IED中ADC启动信号。
通过相差分析和启动波形测量表明,系统能够很好地实现全网高密度精准同步采样(同步精度<100 ns,抖动<200 ns)。进一步利用保护动作延时和开关量变位测试证实系统级传送延时优于1 ms,整个系统级的延时满足设计要求。
8 结语
本文所述数据采集系统中区域数据交换设备和站域数据合并设备的实时业务部分均由FPGA硬件实现,区域保护主机采用高性能服务器和硬实时系统构建,采用同步传送方式,能够实现固定路径低延时传送,可实现全网高密度精准同步采样,非常适合用作区域同步数据业务平台,对比现有的广域数据测量系统,该系统创新点体现如下:
(1)将分散装置定时参考同步到顶层SWITCH,可不依赖外部时钟源实现系统同步;
(2)通过源端延迟补偿保证各分散装置的采样数据在同一时间断面到达系统层;
(3)通过时分复用和实时路径规划技术保证采样值和控制命令传输时延固定可预测;
(4)实时业务和非实时业务独立交换路径,保证了注册管理报文的无冲突传输;
(5)采用电路交换和硬件多路并行转发技术减少传送延迟和传输抖动。
安全可靠的无线激光数据传输器 篇11
在第25届江苏省青少年科技创新大赛上，本作品获得最高奖“江苏省人民政府青少年科技创新培源奖”。
用激光来传输数据
我研究家中的光纤接收器，发现了数据通过其内部的红外光线传输，于是我突发灵感，如果去掉其传播载体——玻璃丝，将它换成空气的话，效果是否依然存在？随即我就做了一个简单的实验装置，发现设想是正确的。于是，我开始了正式的研究。
刚开始，我对光纤接收器进行拆解，发现其内部主要有一个硅光传感器（如图1）、解码器以及网络部分，也就是说，只要有一个光线传感器、一个解码器就可以组成接受器了。至于发射器，我自己设计了将模拟音频信号转化为数字信号再转换成光信号的装置，其编码器也采用了430单片机，制作比较成功，只要有音频信号输入，激光发射器就会点亮并发出信号，将激光光斑照射在接收机的接收窗上，接收机的扬声器就能发声。
对此，本人进行了试验。试验方法：将频率发生器接入发射器，设置发出20Hz～6 000Hz的声波，接收器接入示波器，探究传播过程中是否有衰减。如图2。
经过试验，我得出以下结论：
由实验数据可知，此设备在传输过程中衰减度并不大。
激光能到哪信号就到哪
这种无线激光传输器，带宽可达到2.6GB/ S，功耗低，造价远低于性能相同的无线电波发射器，而且没有距离限制，可在特殊环境下使用。它采用的是5毫瓦的低功率激光头，有效距离为100米，理论上来说，只要激光功率足够大，其激光照射的距离也会变长，只要有光的地方都可以接收到信号。
安全性高，是无线激光传输器的另一大优点。现在大多数的数据发射器都用无线电波来控制，保密性较差，很多不法分子就是利用这一漏洞制作了一些装置，可以接收并利用相同的加密算法，破解出传输的数据内容。无线激光传输器因为是点对点单向传播，因此保密性相对较好。
两个应用实例
该项目进一步开发后，可应用于生活、娱乐、保密、军事等多种领域，有一定的市场前景。我就在此基础上，设计制作了两个小产品，一个是激光万能钥匙，一个是激光音频传输器。
激光万能钥匙的基本工作原理是，将键码烧录到激光发射机内的flash芯片中，当按键按下时，发射机将键码编码后通过激光头将信号发出，激光硅光管接收到激光信号，通过放大电路放大并通过单片机解码出键码，然后发出指令打开门锁。根据同样的原理可以编写N个不同的键码编码，这样可以用一把钥匙打开不同的锁，安全性也比市面上的无线钥匙要高。
数据采集传输 篇12
测量船多业务光传输系统是测量船船内重要的多业务传输和交换网络。由于设计安装过程中各厂所对接口规范的理解不一致,特别是直接用于试验任务数据传输的V.35和RS业务接口方式不统一,影响了其效能的充分发挥。随着传输平台承载的各种类型的实时数据业务不断增多,如何利用测量船船内传输平台进行高质量的数据业务传输,是目前需深入研究和讨论的问题。
1 船实时数据业务
船实时数据业务包括:
① E1数据业务。
E1数据业务使用符合ITU-T G.703规范的2M数据通道。通道传输方式有点对点和广播2种。该通道主要承载的业务类型包括:调度远端模块的2M中继数据,时统时码信号的广播发送;
② 异步数据业务。
异步数据业务用于传输低速控制数据,船上使用异步数据的传输方式有点对点和广播2种;
③ 同步数据业务。
同步数据和异步数据传输模式最大的不同在于异步数据只有数据信号,而同步数据有时钟和数据2种信号。船光同步传输系统中同步数据业务处理分为低速同步数据模块和高速同步数据模块,二者区别在于低速业务处理模块的最高传输速率为64 kbit/s,而高速业务处理模块速率的范围是64 kbit/s～2 Mbit/s(即N×64 kbit/s,每个通道数据传输速率为64 kbit/s的整数倍)。
2 传输平台中数据传输方式
目前船传输平台数据传输业务有2种方式。
2.1 数据的存储转发方式
该方式是将业务数据通过电平转换接入到数据功能模块,通过通用数据串行收发器发送到CPU,CPU对收到的数据进行合法性判断,再经过交叉处理后,发送到对端。由于CPU在处理的过程中需要将整帧数据全部收下后,才能进行相关的数据合法性判断,所以处理延时较长,同时受CPU的影响,难以保证延时和抖动的稳定性。
2.2 高速采样方式
该方式是数据通过电平转换接入到数据功能模块,通过高速采样,将收到的数据转化为高速串行数据,再经过交叉处理后,通过HW发送到对端。由于采用高速采样的处理方式,不需要将整帧数据全部收下后再处理,可以逐位处理,所以延时为存储转发的十分之一,而且由于数据的处理是通过硬件处理,所以能够保证延时和抖动的稳定性,完全满足数据业务对实时性的需求。为了保证数据的实时性以及抖动的稳定性,传输平台的数据适配处理方式采用高速采样方式。
3 数据传输业务影响因素分析
3.1 时钟性能
时钟的性能参数有很多,但在实际使用中需考虑的是内部振荡器的输出频率的准确度、牵入/牵出范围、保持工作方式的时钟的准确度、噪声的产生与传递、短期相位瞬变等。
传输平台网络同步采用主从同步方式。任一网络单元的同步定时单元具有跟踪基准主时钟(PRC)的功能。最小频率牵引范围和失步范围均为±4.6 ppm;内部定时源最大频偏为±4.6 ppm;由于传输平台采用多种保障措施保证传输平台时钟频率准确度、频率稳定度优于±4.6 ppm;数据业务一般小于2 Mbit/s,无论是采取转发方式和高速采用方式,时钟精度和稳定度远高于数据传输速率,时钟性能不会对实时数据传输产生影响。
3.2 数据业务的延时特性
数字信号从一个地方传输到另一个地方所需的时间就是数字信号传输延时,是指数字信号传输的群延时,即数字信号以群速通过一个数字连接所经历的时间。
3.2.1 延时计算
同步光纤通信系统造成传输延时的因素是多方面的,主要有以下几个方面:
(1) 传输系统
无论是电信号还是光信号,都是电磁波,其在一定的传输媒质中传播速度都是有限的,主要取决于媒质的折射率。如光波信号经过光纤的传输延时To可以表达为:
To=L·n1/c 。
式中,c为真空中的光速(3×105 km/s);L为传输距离(km);n1为光纤芯区折射率,典型值为1.48。由此可计算出光信号在光纤中的传输延时大致为4.9 μs/km,再考虑整个系统中再生器和复用器引入的少量延时,整个光缆系统所产生的延时可以按5 μs/km估算。长途传输系统的延时主要是由传输媒质引起的。
(2) 网络节点和其他数字设备产生的延时
在一个数字连接中,除了传输系统会产生延时外,网络节点设备(数字交换机和数字交叉连接设备)可能有缓冲器、时隙交换单元和其他数字处理设备均会产生传输延时。此外,PCM终端、复用器和复用转换器也会产生不同程度的延时。
(3) 其他因素引入的延时
光纤通信领域不断出现新技术,也可能会增加延时,如SDH技术,需要完成同步复用、映射和定位,进行各类开销处理、指针-调整及连接处理等,增大了传输延时。
综合以上各方面因素,可以得出SDH网络的传输延时T的计算公式为:
T=Nt1+2nt2+to。
式中,T为数据在传输平台内的链路传输总延时;N为中间节点跳数;t1为SDH设备传输延时,跟设备及传输速率等级有关,一般取0.1 ms;由于某船传输平台只有6个节点,所以中间节点数小于4;t2为SDH一帧的处理时间(125 μs);n为源节点与宿节点的SDH的交叉、映射、复用处理次数,简单的SDH环网中n值一般为1;to为光信号在光纤线路中的传输延时,为5 μs/km,由于船内传输距离较短,基本可忽略。通过计算,最大传输延时T=0.65 ms;最小传输延时T=0.25 ms;通过SDH分析仪进行测试,实际测试结果为:最大传输延时为0.66 ms,最小传输延时为0.24 ms,与理论计算基本一致。
3.2.2 传输延时对数据业务影响
由于传输平台对不同的数据业务采用不同的处理方式,时延对不同数据业务影响也不一样,下面分别进行分析。
(1) RS异步数据业务
RS业务由RS232/422/485数据接口模块(RS)提供,RS模块接收到异步数据信息以后,经过电平转换,直接将数据信息送入FPGA进行高速采样处理,这可以保证数据业务的透明性与实时性。对于异步数据,对于小于1 ms的时延,不会影响业务的传输。
(2) RS同步数据业务
RS模块对于同步数据的处理则是采用双端口处理的方法,对于接收到的同步数据的时钟信息和数据信息分别送到2个不同的端口处理。经过FPGA高速采样处理的同步数据和时钟信息或异步数据信息将通过背板传送到MMX4模块。使用RS板的数据通道有2条,一条通道传输时钟信号,一条通道传输数据信号,接线如图1所示。
传输平台传输64 kbit/s以下同步数据时,对数据和同步时钟信号采取高速采样方式透传,传输方向相反的接收和发送数据占用一条数据通道,通常数据传输时都是由DCE设备提供时钟,方向都是由DCE到DTE方向,但由于传输平台一条RS数据通道只能同时传输相反方向的数据,而中心机端不能提供时钟,所以传输平台采用了一种非规范的接线方法,传输平台只将115接收时钟通过高速采样通道传输,而发送数据采用平台终端时钟,在中心机端,接收和发送时钟都由通过传输平台高速采样传输的115时钟提供,这就造成DDN设备在经传输平台给中心机接收和发送数据时,时钟和数据不一致问题,通过计算,速率64 kbit/s以下数据,数据脉宽约为0.02 ms左右,数据传输对时延大小和变化比较敏感,DDN给中心机发送数据时,数据方向和时钟方向路由一致,时延相同,而中心机给DDN发送数据时,数据和时钟时延不一致。某次任务中,32 kbit/s同步数据经传输平台传输时出现异常,正是由于时延变化引起的。
(3) E1/V.35业务
传输平台提供的64 kbit/s以上速率的同步数据业务是由E1/V.35功能模块提供的。由于该功能模块对于数据的处理是通过标准接口实现的,所以对接口工作模式、时钟模式和速率等有严格的要求。
作为传输设备,其同步数据接口标准的工作模式应该都采用DCE模式,但是由于船上传输平台的一侧连接的是终端设备中心计算机,而另一侧连接的是传输设备DDN设备,所以,传输平台就必须针对不同的设备采用不同的工作模式,对于中心计算机设备,其工作模式应采用DCE模式,而对于DDN设备,其工作模式则应采用DTE模式。船DDN设备采用的是DCE3模式,对于DDN设备,传输平台接收DDN提供的115时钟作为数据的接收时钟,同时传输平台返回113时钟作为发送时钟;对于中心计算机设备,传输平台应发送114和115时钟作为中心计算机设备处理数据的接收时钟和发送时钟。对于DDN设备,在其工作在DCE模式下,时钟方式有以下4种:
① DCE-用户接入设备是DTE,DDN 提供114和115,DTE 不返回113;
② DCE3-用户接入设备是DTE,DDN 提供114和115,DTE 返回113;
③ DTE1-用户接入设备是DCE,DDN 提供113,DCE 提供115;
④ DTE2-用户接入设备是DCE,DCE 向DDN提供114 和115。
E1/V.35接口模块主要提供G.703 E1接口,同时提供高速(n×64 kbit/s)同步数据接口。如图2所示,E1/V.35模块对于接收到的E1信息,经过接口处理(包括隔离变压器变换和线路接口单元的电平变换)以后,通过E1映射复用器处理后送入MMX4,由于E1接口处理的是非成帧的E1信号,处理相对简单,通过E1接口处理电路的处理,经过小的修改(更改接口匹配电阻),就可以方便实现不同的接口阻抗的需求,完成75 Ω与120 Ω的转换。
E1/V.35模块对于接收到高速同步数据的信息,经过接口的处理(电平变换)以后,通过E1与N×64 kbit/s之间的成帧处理,形成成帧的E1数据,通过E1映射复用器处理后送入MMX4。
从已处理过程不难看出,由于E1/V.35业务先进行成帧处理,然后进行映射,最终以成帧的E1在光路中传输,时延不会影响业务的异常传输,只要满足系统的时延要求(一般1 ms左右)即可。
4 数据传输业务改进措施
根据以上分析,对船实时数据传输业务进行以下建议和改进:
① 船实时数据经传输平台进行传输时,只要传输平台系统工作稳定,由于传输设备的时钟等级较高,时钟性能对数据传输不会造成影响,因此必须定期对时钟信号的准确度和稳定度进行测试,以确保其性能满足指标要求;
② 传输平台传输64 kbit/s以下同步数据时,由于数据路由和时钟路由不一致,时延对数据影响较大,这可通过重新设计传输方式,利用空余的RS通道,海事复接器的114时钟通过该RS通道进行传输,中心机发送数据的时钟采用通过传输平台传输的114时钟,这样,发送数据的时钟在海事复接器一侧和中心机侧为同一时钟,从而保证了数据传输的精度要求。同时通过在海事复接器侧对114时钟和发送数据进行时序关系测试,当由于时延造成时钟的下降沿在数据脉冲的边缘时,通过改变时钟接线关系,使时钟进行反相,从而使时钟的下降沿的下降沿移到数据脉冲的中间位置,保证数据的判决不会产生异常。时序关系变化如图3所示;
③ 由于传输平台设备对数据进行传输时,由于各种原因不可避免地会产生时延,传输平台设备产生的时延对异步数据和E1/V.35数据由于传输平台的特定数据处理方式,不会造成数据传输异常。但传输平台传输同步数据,尤其是E1/V.35数据时,传输平台对工作模式、时钟模式、数据采样沿有多种设置选种择,如果设置不正确,数据将无法传输,这需在实际应用中仔细考虑数据传输的工作模式、时钟模式和数据采样方式。
5 结束语
传输平台安装和投入使用以来,通过多次软件升级和参数优化,工作状态日趋稳定,可胜任各种同步数据、异步数据、语音业务和以太网业务,其技术优势在应用中也逐步得到体现,通过对实时数据业务传输业务的性能进一步优化,可提高船传输平台的使用效能。
参考文献
[1]赵宗印.数据通信技术[M].北京:国防工业出版社,2002.
[2]程根兰.数字同步网[M].北京:人民邮电出版社,2001.