无线电子采集

无线电子采集（通用4篇）

无线电子采集 篇1

随着社会的不断进步,各领域得到了迅速的发展,机械化、自动化已经成为了现代生产生活的主流生产方式,这样就对监控系统有了一个更高更成熟的要求,需要有一套方便可靠的视频采集系统作为监控系统的平台。视频采集系统分为有线视频传输网络和无线视频传输网络,在特殊工作环境越来越占据我们大部分工作的今天,周边的工作环境不允许使用有线网络,并且还带来了高建设、和高维修的费用,所以无线视频信号的采集系统已经变成国际上重点的研究和发展方向。无线视频采集系统可以运用在工厂,用于监控自动化高的生产设备,也可以装载到机器人中完成特殊的任务,比如排爆机器人,降低人员的伤亡。

现在对无线信号的采集和处理主要通过视频采集卡进行采集,有一些公司生产的采集卡提供第三方的软件开发包(SDK)这样便于用户进行第二次开发。在监视计算机方面主要使用VC++,VB等开发软件进行监视界面的开发,但是总体比起来VC++在视频处理上比VB较为成熟,利用VC++中的VFW视频开发包对视频采集卡采集回来的视频信号进行处理。

1 视频信号采集系统组成

该系统的组成大致分为硬件和软件部分,该文对软件部分的设计和开发做着重的介绍,软件部分则利用VC++6.0为软件开发平台。

1.1 硬件部分

硬件部分由无线摄像头、摄像头信号接收器和USB视频采集卡三部分组成。硬件连接如图1所示。

USB视频采集卡工作原理。

该次视频采集系统采用的是EASY CAP的USB视频采集卡,视频采集卡是我们进行视频处理必不可少的硬件设备,无线摄像头发送的和无线信号接收器接收的信号是连续的模拟信号,但是计算机却不会识别模拟信号,计算机只识别0或1这样的二进制码,这样就需要一个像本系统中的USB视频采集卡把无线视频接收器采集到的模拟信号进行模/数转换,把连续的模拟信号转换成离散的数字信号,这样经过转换后的数字信号就可以被计算机编辑、处理和保存了。

在该系统中视频采集软件通过驱动识别USB视频采集卡并对采集回来的信息进行处理,因为视频采集卡采集到的都是一幅幅静态图片,所以要在软件中设置与USB视频采集卡相匹配的采集速率,这样就能对视频信号进行静态图片的抓取和保存,对视频流信号进行保存。具体数/模转换流程如图2。

1.2 软件部分

软件部分主要采用了VC++6.0来编写采集程序。

VC++6.0由微软公司开发,它是一个基于Windows操作系统的可视化集成开发环境,同时也具备C++语言编译器的功能。Visual C++6.0由编辑器、调试器以及程序信息技术向导AppWizard、类向导Class Wizard等开发工具组成。

VFW(Video for windows)是视频开发应用的一种早期技术。Microsoft的Visual C++从4.0版开始就支持Video for Windows(简称VFW)了,这给视频捕获编程带来了很大的方便。VFW(Video for Windows)是微软公司开发的针对于Windows自带的一个数字视频编辑软件开发包。用户不用自己安装VFW,而是Windows系统中自带了这个视频开发包,方便了用户的使用。VFW的中心就是一个A VI文件标准,A VI(Audio Video Interleave)就是一种声音和视频同步组合在一起的一种文件,它是一种有损的压缩形式。

在VFW中为用户提供了一套完整的应用程序接口(API),API可以为用户提供一种与应用程序访问一组例程的能力,而且用户不需要访问源码和了解内部工作的细节。编写程序时可以利用API函数来编写应用程序,这样就可以避免编写无用程序,减小工作量。

VFW的视频捕获主要由AVICap窗口类来完成。AVICap窗口类为应用程序提供了一个基于消息的接口。在该系统中视频的捕获和单帧捕获都是靠AviCap所提供的强大全面的函数和宏实现的,这是微软公司开发的VFW开发包为我们编辑视频采集软件提供的一条捷径,可以使用简单易读的函数和宏就可以达到我们编程需要达到的目的。

AVICap有两种显示视频的格式:(1)预览模式(preview),这是一个使用CPU资源的模式。视频流首先从采集硬件保存到系统内存,之后通过GDI函数将视频信息显示在捕获窗口中。从硬件角度讲,该模式需要使用VGA卡,通过VGA卡显示在监视器上。(2)叠加模式(Overlay)该模式显示视频是通过硬件的叠加,叠加的视频是不需要通过VGA卡的,叠加视频的硬件把自身的输出信号与VGA输出信号合并,最后显示到监视器上的信号是二者的组合信号。

2 VFW视频采集的开发

2.1 开发应用程序的步骤

V C++应用程序开发的一般步骤为:(1)创建一个项目;(2)采用workspace窗口和它的class view,file view,resource view去建立项目中的C++类、文件和资源;(3)将文件从项目中添加或删除;(4)编辑项目的源代码和资源;(5)为项目指定配置(Debug或Release);(6)连遍项目文件;(7)纠正连遍错误;(8)执行并测试生成的可执行文件;(9)测试项目文件;(10)剖视以及代码优化。

2.2 VFW采集开发流程

使用VFW进行视频采集大致分为如下几个部分基本流程。

(1)使用函数capCreatureWindows(…)创建应用程序的视频捕获窗口。(2)使用函数capsetcallbackonstatus(...)函数处理回调函数状态,并用capsCalLbackonerror(…)函数来设置错误信息的回调处理。但是该次系统设计没有使用回调函数。(3)查找USB视频采集卡的驱动并连接。(4)得到USB视频采集卡的驱动信息。(5)判断是否连接正确,并设置采集速率。

2.3 监控系统的建立

使用VFW的宏函数实现视频捕获和预览,应用程序简单、控制灵活。在本系统中,是基于VC++6.0的对话框应用程序框架实现编程开发,很多的应用程序都是基于这种开发方式的。另一部分应用就是基于文档的编程开发,单文档是主流。文档应用程序的最大特点是有标准菜单、客户区域任意调整;缺点是相对比对话框类,开发难度较大。

2.3.1 建立单文档应用程序

该系统是基于VC++6.0的项目建立向导创建一个单文档、无工具栏和状态栏的应用程序,下面是建立单文档应用程序的详细步骤:首先启动VC++6.0,选择“文件”一“新建”一“工程”命令。在工程选择卡中,选择MFC AppWizard(exe)。

工程名称栏中输入工程的名称,位置栏中输入的是工程所保存的文件位置。

下一步需要选择创建应用程序的类型有三类分别为:单文档、多重文档和基本对话框,由于本系统是视频采集界面,所以选择的应用程序为基本对话框应用程序,点击完成就成功的建立了一个基本对话框的应用程序工程。

2.3.2 建立对话框

对话框是监控软件和用户的交互平台,使用者可以在对话框中直接预览由USB视频采集卡采集到VC++中的视频信息,并对其进行抓取截图、录像、暂停和退出等功能,这些功能会以按钮的形势提供给使用者,方便对视频信号进行想要的处理。对话框建立的详细步骤如下:在工作空间下选择“resource view”选项卡打开dialog下拉文件并在dialog文件夹上右键单击选择插入dialog,创建一个新的对话框,此时新建的对话框就出现在右侧工作区中,我们可以对其进行大小的任意改变。

2.3.3 添加图像和按钮控件

对于本次系统的设计,需要对对话框添加“图像”和“按钮”控件,在工具箱中就可以找到并选择加入到对话框中的任意位置,“图像”的作用是显示由USB视频采集卡转换成的数字视频信号,起到一个监视屏的作用,因为代码中已经把窗口的大小作为一个指针,送到窗口创建函数capCreatureWindows()中了,当程序初始化时可以自动识别到窗口的大小并返回一个宽度和高度值,所以图像控件可以随意更改大小,函数中设置窗口X轴坐标和Y轴坐标的数据已经被指针所取代了。“按钮”则为使用者提供对采集回来的视频信息进行处理的功能,按钮有五个各自的功能分别为:播放、截图、录像、暂停和退出。在添加按钮时可以改变其名称,这个名称就是显示在按钮上的名称,起到提示其功能的作用。当添加好按钮时双击按钮就可以进入到按钮代码的编辑,用来响应函数的功能,在修改控件ID后,比如一个按钮控件,假设使ID为BUTTON 1则建立按钮后在窗口类中的对话框类中自动添加了一个名为ONBUTTON1的按钮控件类。这个类则包含了这个按钮所包含的一些属性和信息。

关于窗口类,我们在运行程序的时候可以直接看到窗口对话框,在窗口建立之前系统要知道怎样建立一个窗口,和窗口返回的一些信息要交给谁处理。这样就需要我们创建一个窗口类来定义我们设计的窗口的各种信息,比如窗口的消息、函数的处理、窗口的风格、图标、鼠标、菜单等等。可以使按钮实现各种功能。下图为设计好的对话框。

具体程序代码不再详述。

3 运行调试

代码编辑完成后就要把工程保存,之后就可以编译了,在编译菜单下选择编译选项(也可以直接按F7键,同样可以对源文件进行编译),对源文件进行编译、执行及编译配置等操作,该菜单位于编译器的顶层菜单中。按F5可以调试应用程序,查看程序的运行情况。如果在调试程序时遇到问题,可以使用编译器中的“帮助”菜单调用MSDN帮助文件来解决问题。编译后在工程的文件夹下有个一DEBUG的文件夹中就会生成应用程序图标,双击就会运行应用程序。查看应用程序的运行情况,以及各个功能的实现情况是否正常。

在运行程序后,因为视频信号进入到USB视频采集卡后,采集卡又对信号进行一次硬件压缩,性质类似于对信号进行了编码,而本系统采用的是CapAvi来采集的信号,把压缩过的信号直接显示到了预览窗口中,所以会有信号的不稳定与数据的丢失。

其他的功能正常,程序运行正常。

4 结语

该系统基于VC++6.0利用VFW开发包,对无线视频信号进行采集和处理系统进行了设计。搭建了一个无线视频信号采集的平台。该系统主要的开发部分为软件部分,硬件只需进行驱动的安装和硬件连接即可。通过运行调试,取得了比较好的效果。

参考文献

[1]刘锐宁,梁水,李伟明.Visual C++项目开发案例全程实录[M].北京.清华大学出版社,2011:1-62

[2]任观就,张永林.实时视频图像捕获的实现方法[J].计算机工程,2002,28(8):268-270.

[3]陈珲,张会汀,周杰华.利用VFW实现实时视频捕获及其应用[J].计算机应用.2003,23(8):141-143.

[4]张艳珍,巩玉国,欧宗瑛,等.基于Windwos平台的视频捕获技术研究[J].计算机工程与设计,2002(3):10-12.

脑电信号无线采集系统设计 篇2

疲劳驾驶是造成很多恶性交通事故的主要因素,因此人们研究探索通过监测驾驶员的身体和生理状态来识别驾驶员是否疲劳驾驶,如眼动信息、头部运动状态等。近年来,基于脑电信号识别驾驶员警觉度状态已经成为一种研究热点[1,2],而驾驶员可穿戴式脑电信号采集装置是其必要的保障。脑电信号采集系统主要由模/数转换模块、微控制器和数据传输等部分构成。其中微控制器的实现一般有4种方案:如文献[3]中采用单片机把采集到的模拟脑电信号转换为数字信号,并通过RS 232接口传给计算机,该方法一般用于低端的不要求太高数据处理能力的采集中,成本较低;文献[4]采用DSP数字信号处理芯片,将A/D转换后的脑电信号进行DSP预处理(数字滤波),再通过PC的并口与DSP的HPI的口互联,主要利用了其在数据分析中的快速处理能力;文献[5]采用ARM作为处理器,ARM中移入了μC/OS-Ⅱ操作系统,并移植了Hanning滤波器以抑制50 Hz工频干扰,利用ARM对信号进行处理与分析显示;文献[6]采用FPGA,利用其内部丰富的逻辑资源控制A/D采集、FIR滤波、液晶的显示及USB与PC的数据传输。以上文献中的方案都为有线传输,且DSP和FPGA芯片成本高功耗大。文献[7]中采用蓝牙无线传输模块实现了可穿戴脑电信号采集与传输,蓝牙技术目前成本较高,适宜近距离传输。本文针对驾驶员可穿戴式脑电信号采集设备的应用背景,提出基于MSP430单片机和CC2500的脑电信号采集和无线数据传输系统设计方案,在保证系统性能的条件下最大限度地降低功耗。

1 系统硬件设计

1.1 系统框图

该系统主要由3部分组成:数据采集、数据传输和数据处理服务器。其中数据采集与预处理采用业界公认的微功耗控制器MSP430系列单片机;数据传输采用无线收发模块CC2500,其由MSP430单片机通过SPI口控制其初始化和数据的发送与接收;接收的脑电数据由单片机通过UART转USB芯片传输给数据处理服务器做上层处理。具体系统组成如图1所示。

1.2 放大滤波模块

本文的脑电信号放大器原理图如图2所示。本文中的前置放大器采用BB公司的INA118,这是一款专门用于生物信号采集用的集成仪表放大器,具有很高的精度;高通滤波采用传统的阻容滤波,截止频率为0.16 Hz;后级放大电路中的放大器采用通用集成运算放大器AD8606;低通滤波采用八阶Bessel开关电容滤波芯片MAX7405,截止频率设为500 Hz。系统采用3 V的单电源供电,由于极化电压的存在,每级放大倍数不能太高,且后级放大分为相同的两级放大,总放大倍数为38×20×20, 可以将微伏级的脑电信号放大到伏级,满足后级A/D采样中对输入信号幅度的要求。

1.3 单片机控制系统

该系统采用的控制器是德州仪器公司推出的低功耗、高集成度的16位单片机MSP430F169[8,9],供电电压范围为1.8～3.6 V。MSP430F169具有丰富的外设,片内包括3个时钟信号,即1个高频时钟、1个低频时钟和1个DCO,灵活地使用系统时钟可以大大降低系统的功耗,方便系统的设计。此外还有2 KB的RAM、60 KB的FLASH、8通道采样率为200 KS/s的12位A/D转换器、3个内部DMA控制器、硬件乘法器、两个带有捕获计时寄存器的16位定时器、48个可复用I/O引脚和两个通用同步/异步串行通讯口。芯片内带有JTAG调试接口,无需仿真器和编程器,方便设计人员的开发调试。单片机的A/D采样部分使用3片模拟开关4053将8路扩为16路,原理图如图3所示。脑电信号幅度在-100～+100 μV之间,MSP430F169单片机的A/D转换器为12位,考虑到A/D转换后两位会有不稳定的因素,系统的精确度仍能达到0.2 μV,这足以满足后期的警觉度特征提取。

1.4 无线传输模块

无线模块采用TI公司的CC2500[10,11]芯片,它是一款超低功耗、低成本的无线收发模块,工作在2.4 GHz全球开放ISM(工业、科学、医学)频段,满足多信道通信和跳频通信需要,支持多种调制方式,包括FSK,GFSK,OOK和MSK,最高传输速率可达500 Kb/s。工作电压为1.9～3.6 V(与430单片机通过SPI口相连时无需电平转换),外围元件极少,内置硬件CRC和点对多点通信地址控制。主要的工作参数大都可以由设计者通过芯片状态字自行配置,没有复杂的通信协议,同种产品间可自由通信。所以,CC2500是一款低成本射频系统级芯片,具有体积小、功耗少、外围元件少等优点。

CC2500模块通过标准的SPI接口与MSP430单片机相连;SI,SO为CC2500的数据输入/输出端口;SCLK作为数据传输的同步时钟;CSn为片选信号,低电平芯片工作;还有2个通用输出口GDO0和GDO2用来辅助CC2500实现无线通信功能。CC2500模块部分电路如图4所示。

脑电信号频率范围在0.5～100 Hz间,设计采样频率为500 Hz,共16通道,则要求传输速率:16×500×16 b/s=128 Kb/s,远小于CC2500最高传输速率500 Kb/s。

1.5 USB传输模块

USB接口芯片采用的是TI公司的

TUSB3410[12,13],包括通过USB总线与主机通信所需要的全部逻辑电路。内部包含一个8052微控制器、16 KB RAM、I2C引导加载程序的10 KB ROM,4个通用I/O口,具有USB总线供电和自带电源2种供电模式。该芯片符合通用串行总线USB 2.0规范,支持12 Mb/s的数据速率,是一款高性能的USB接口器件。TUSB3410与MSP430F169的连接原理图如图5所示。

本文使用USB总线供电模式,TUSB3410(U2)的USB数据信号经双路USB端口瞬态抵制器SN75240(U3)后连接到标准的USB B型口,以此增强系统ESD抗干扰能力;USB总线提供的5 V电压经TPS77301(U4)3.6 V LDO稳压后为系统供电。

2 系统软件设计

该系统中,程序设计包括单片机程序、USB驱动程序和PC机应用程序。考虑到该脑电信号采集系统的处理器负担不重,主要就是A/D采样、发送端和接收端程序及与上位机的通信,兼顾程序的易读性、可移植性,采用C语言作为编程语言。开发软件使用IAR公司的集成开发环境IAR Embedded Workbench嵌入式工作台以及调试器C-SPY,使用非常方便[14,15]。单片机程序流程如图6所示。

MSP430中ADC12模块采用序列通道单次转换模式,通过定时器A来控制采集数据的时间间隔。通过对转换序列中最后一个通道对应的中断允许位置位,序列通道完成一次转换时将自动产生中断标志,从而进入中断服务子程序,以此来完成多通道的信号采集。在发送端,单片机通过SPI口来初始化CC2500的发射频率、波段、发射功率、地址码、地址位数、数据位数及收发模式等。在一个采用周期内,当ADC采集完16路脑电信号,单片机将ADC采集到的数据通过SPI写入CC2500的发射寄存器,开启CC2500的发射模式,CC2500将自动给要发射的数据加上前导码和校验位,并和地址码一起发送出去,而后单片机进入下一个采样周期。在接收端,单片机同样配置CC2500,然后开启CC2500为接收状态,一旦接收到数据包,GDO0就产生一个中断给单片机,单片机便通过SPI口读取CC2500接收寄存器的数据,并通过UART将数据传到上位机电脑,然后等待接收下一组数据。USB设备驱动程序负责建立上位机电脑与接收端单片机的联系,将从单片机UART口得到的数据通过USB接口传到电脑上。USB的驱动程序可在网上(www.ti.com)下载到。上位机电脑的应用程序是在VC 6.0[16]环境下开发的,主要完成对采集的脑电数据显示,也可以为以后是数据分析处理做准备。

3 结 语

本文以低功耗、低成本的CC2500射频收发芯片为传输模块,结合低功耗、高集成度的MSP430F169单片机作为控制器,设计了一套可穿戴式、低功耗、多通道的实时脑电信号无线采集系统,采集的精度、速度及系统的可靠性能够满足要求。

专用无线采集网络系统设计 篇3

目前,石油物探地震数据采集技术正由有线向无线演进,同时传感器铺设的密度高、范围大成为趋势,因此为了确保所有采集数据迅速,可靠的传输到控制中心,建立一个覆盖范围广,高效独立,最小延迟以及经济的多跳无线数据传输网络将是必然的。而目前现有的技术,包括WLAN,WIMAX以及GSM网络技术虽然已经成熟,并得到广泛使用,但是由于它们要么需要网络基础设施,要么就是无线单跳网络,或多或少不适合我们需要的场合。因此需要独立的设计一个专用的多跳无线传输网络来达到我们的要求。针对这一应用,本文主要介绍一种基于TDMA/扩频的固定多跳无线传输网络系统的设计,设计的目标是本网络数据业务传输延迟小,无差错。

2 系统结构简介

1.1 系统网络结构,业务模型及设计要求

网络结构如图 1所示。

网络的构成:它由一个固定中心控制站(Central Station 简称CS)和若干固定采集终端(Terminal Station 简称TS)以分布式多跳拓扑结构组成。采集站通过多跳和中心站通信,整个网络内采集站与中心站以及采集站之间采用同频半双工方式通信,无线传输技术采用直接序列扩频(DSSS)。业务模型:每个采集站在固定相同的一段时间内产生一定数量的采集数据流,例如 8s内连续产生19.2Mbits采集数据量。本网络设计要求:在特定的条件下,本无线采集网络的数据业务的传输延迟小且无差错。

1.2 中心站和采集站的功能结构

中心站的功能结构如图 2左所示,中心站通过无线调度全网数据传输并汇聚所有采集站采集数据,再将所有采集数据通过以太网接口发送给PC保存和处理。中心站主要由无线通讯模块,控制模块,有线通讯模块组成。采集站的功能结构如图2右所示,采集站是一个具有信息收集,处理以及将收集的信息通过无线多跳传送到中心站的微系统。采集站主要由传感器模块,控制模块,无线通讯模块组成。

3 网络系统的互联结构体系

系统有关通信的各部分功能对应的OSI/RM互联结构如图 3所示。

注:箭头方向表示采集数据帧流向图。

PC机与中心站之间有线通信的通信协议栈:(1)MAC/PHY:采用IEEE 802.3[1]以太网协议标准。(2)LLC:完成差错控制功能,采用CRC/ARQ机制。

中心站和采集站之间无线通信的通信协议栈(采集站与采集站之间类似):(1)R PHY:采用IEEE 802.11b(11Mbit/s)[2],这是一种先进的直接序列扩频技术,具有抗多径,抗干扰,低功耗等优点

(2)R MAC:采用IEEE 802.16d[3]基于TDMA为基础的集中调度机制,由中心站统一集中调度。基于TDMA为基础的集中调度机制优点:完全的冲突避免,严格的时间同步(TDMA);所有采集点(包括中心站)可以共同维护一张全网链路状态表;无明确协商,支持广播传输的调度,适用于网络配置消息。(3)R LLC:完成差错控制功能,采用CRC/ARQ机制。(4)R NET:高效的支持多跳的路由协议。

4 系统应用实验

为了验证本无线多跳采集网络系统设计思路的可行性,为此搭建了一个系统实验平台。实验平台的组成:由1个中心控制站(Central Station 简称CS)和3个数据采集站(Terminal station 简称TS)构成,TS可以通过单跳或多跳与CS通信。业务模型:每个TS在8s内同时产生19.2Mbits的采集数据,全网3个TS在8s内一共产生57.6Mbits(19.2*3)数据量。

设计要求:设计一个网络平台,使得所有TS可以在规定的时间内(单跳:14s;多跳:30s注:包括采集数据的8s时间)将采集数据业务正确无误的传输到CS,并通过CS的以太网接口发送到PC机上保存和处理。实验结果表明上述方案可行,并且保持一定的冗余度。下面讨论本实验系统的硬件和软件实现方案:

4.1 中心控制站和数据采集站的硬件实现

中心站和采集站的通用硬件结构图如图 4所示。

中心站和采集站采用基本相同的硬件平台,共有的模块包括射频与基带处理模块,OMAP处理模块,CPLD模块,GPS精确同步模块,存储器模块(FLASH,SDARAM)。不同的模块为Sensor模块(采集站专有模块)和以太网通信模块(中心站专有模块)。下面分别介绍,(1) 射频与基带处理模块:这部分采用RFMD公司的支持IEEE 802.11b(11Mbit/s)[2]的物理层芯片组(3002,2958)[4]。射频部分采用RF2958作为前端的发射和接收,工作频率为2.4GHz;基带处理部分采用RF3002对发送或接收的信号进行调制或解调。(2) OMAP处理模块:OMAP5912[5]负责控制和处理发送与接收的采集数据流。OMAP是一个由DSP和ARM组成的双核芯片,其中DSP部分主要实现无线通信协议栈的R_MAC,R_LLC,R_NET层;ARM部分负责整个系统及外设控制,以及中心站有线通信部分的LLC层和采集站的SPI通信接口。(3)CPLD模块:MAC帧头地址过滤和CRC校验,支持OMAP和射频与基带处理芯片之间控制信号和数据管道的时序匹配,支持OMAP芯片的管脚复用。(4) GPS精确同步模块:可以为采集站和中心站提供精确的同步(纳秒级),支持R_MAC部分的TDMA传输方式以及确保全网所有采集站的采集时间同步,通过UART接口和OMAP通信。(5)存储器模块(FLASH ,SDARAM):FLASH模块主要用于长期存储程序代码,SDARAM模块主要用于运行程序代码和临时存储采集数据帧。(6) Sensor模块:这是采集站特有的模块,主要是完成信息数据的采集,通过SPI接口和OMAP通信。(7)以太网通信模块:这是中心站特有的模块,主要采用了SMSC的LAN91C96芯片,支持IEEE 802.3[1]以太网协议标准,支持速率最高可以达到10Mbit/s。

4.2 中心控制站和采集站的软件部分实现

主要涉及无线通信协议栈的R_MAC,R_LLC,R_NET层的协议设计和在OMAP的DSP/BIOS[6]平台上C语言编程实现。在此主要概述一下整个设计思想和流程,相关业务流程图如图 5所示。

网络状态图如图 5.1所示,基于时间轴的网络数据业务流程如图 5.2所示,它们由网络维护期,网络维护期To数据传输期,数据传输期循环构成。(1)网络维护期:各节点主要建立与维护自己的局部数据结构(单跳内邻居节点的MAC地址);各采集站将自己的局部数据结构定期向中心站报告;中心站借此保存了全网的所有采集站的局部数据结构。(2) 网络维护期To数据传输期:中心站利用所有采集站的局部数据结构计算出全网络树形拓扑结构图;中心站利用全网络树形拓扑结构图计算出全网所有采集站到中心站的最佳路由路径和全网所有采集站在数据传输期时隙分配信息;中心站最终将上述信息(全网所有采集站到中心站路由路径,时隙分配等)广播给所有采集站。(3)数据传输期(基于TDMA):数据传输期开始的时间点一定要全网精确同步,这可以通过中心站预先广播一个时间起始点,采集站收到后通过GPS精确计时;数据传输期是由一个个超帧构成,每个超帧是由连续的一个个时隙构成,一个时隙持续1ms;一个超帧由上行数据帧传输时隙和下行控制帧传输时隙组成;一个时隙只被分配给一个采集站传输数据帧且只能传输一数据帧。数据传输期超帧结构图如图 5.3所示。

5 应用前景

针对不同的覆盖范围和设计要求可以采用不同的设计方法。例如针对高数据速率要求和大覆盖范围(10km*10km或更广的覆盖范围)而需要做到改进的方面:(1)无线物理层的改进:目前无线物理层采用基于IEEE 802.11b[2]的CCK扩频调制机制,该机制支持的峰值传输速率为11Mbit/s;如果采用基于OFDM的调制机制,则可以将支持的峰值传输速率提高到54Mbit/s;如果再采用MIMO,将会把峰值传输速率提高到108Mbit/s甚至更高。(2)MAC层与网络层的改进:设计出高效的MAC层调度算法和网络层路由算法将会极大的提高网络的效率 。(3)网络体系结构的改进 :可以考虑将网络系统分成两层网络,上层网络由无线基站之间组成无线骨干MESH传输网[3];下层网络由一个中心基站与许多无线传感器组成无线蜂窝网络。目前该方案有待深入细致的研究。具体可见图 6所示。

6 结束语

本文主要对基于扩频的专用无线采集传感器系统的网络结构,协议设计进行了讨论。通过实践验证,该网络系统方案具备应用可行性,能适应一定的规模的需求,为未来大规模全无线物探地震数据采集传感器系统奠定技术和基础。

摘要：本文主要讨论了一种基于TDMA/扩频的固定多跳无线传感器采集网络系统,文章就系统的网络结构,功能框图,部分硬件结构,系统的协议体系以及基于TDMA的信道访问方式等作了简要介绍,列举了系统的优越性,搭建了一个实验平台验证了方案的可行性,并且展望了未来的应用前景以及提出了相应的技术升级方案。

关键词：固定多跳无线传输,直接序列扩频,时分复用,路由协议

参考文献

[1]IEEE Std 802.3-2002.Part 3:Carrier sense multipleaccess with collision detection access method and physicallayer specifications[S].

[2]IEEE Std 802.11b-1999.Wireless LAN Medium Ac-cess Control(MAC)and Physical Layer(PHY)specifi-cations:Higher-Speed Physical Layer Extension in the2.4GHz Band[S].

[3]IEEE Std 802.16TM-2004.Part 16:Air Interface forFixed Broadband Wireless Access Systems[S].

[4]The Reference of RFMD wireless Lan IEEE 802.11bChipset:RF3002(Baseband Processor),RF2958(Transceiver)[Z].

[5]OMAP5912OSK Target Module Hardware ReferenceGuide TI 2004.10[Z].

无线网络数据采集装置 篇4

1研究任务的来源

我们所在工厂,厂房2000多平方米,内部按区域划分有:新产品试制区间,成品试车区间,半成品加工车间,钳工加工车间,科研项目实验区间,实验室数据库区间。其中新产品试制车间,科研项目试验区间,成品试车区间,有大量的实验监测设备。为了将这些监测设备和实验室对接,实现实验室集中监控,数据库统一管理,零布线,无线信息传输,我们设计了这套无线网络数据采集装置。

2技术方案

(1)在三个区间,分别设置无线节点;

(2)节点处采用美国NI公司无线网络模块;

(3)现场数据采集采用厦门宇电AI-708二次仪表,配备压力,温度,液位,压差的传感器;

(4)无线模块与仪表通讯,采用MODBUS-RTU传输协议;

(5)无线模块与实验室通过Zig Bee无线网络协议传输信号;

(6)实验室计算机服务器配备NI Lab View-2012软件平台;

(7)各区间设计移动式电控柜,根据需要安装一定数量的宇电仪表,传感器信号通过端子直接传送到仪表,各仪表通过485接口连接在一起组成串行通讯网络。

3软件编程(如图1和图2)

一共编制:

(1)新产品试制区间通讯软件,下载到通讯模块;

(2)科研项目试验区间通讯软件,下载到通讯模块;

(3)成品试车区间通讯软件,下载到通讯模块;

(4)数据采集网关软件;

(5)实验室新产品试制区间监测软件;

(6)实验室科研项目试验区间监测软件;

(7)实验室新产品成品试车区间监测软件;

(8)实验室网关软件;

(9)实验室示波总览软件;

(10)实验室数据库软件。

4技术分析

(1)1WSN无线网络传输应用的是Zig Bee协议,基于2.4G的IEEE802.15.4标准。其特点是近距离,低复杂度,自组织,低功耗,低数据传输,低成本。从试验中反映的情况来看,距离远,信号弱,电池供电时间长,下载后程序自动实时运行。

(2)节点寻址,每个节点包含一个射频收发器,网关负责节点连接。

(3)电池供电和外电源相结合,节点工作状态不定,自动休眠。

(4)数据传输速率比较低,但是本试验能满足要求,试验距离50米左右。

5研制过程中所采取的措施及经验教训

5.1利用串行助手试验数据的收发,编制仪表驱动程序,利用NI MAX软件设置节点,利用Real Time模块实时采集数据,利用WLAN无线模块收发数据

5.2经验教训

(1)target@软件与传统的Lab View软件在理念上是不同的,编程的方法也不尽相同,刚开始编程时陷入误区,经过反复操作与验证,最终解决问题。

(2)2软件的不同版本是需要互相转换的,在12版编的软件要转换11版的才好用。

(3)无线传输数据有个别数据丢失现象,没有关系,正常现象,这类数据可以排除。

(4)有些例程软件需要核实,不能盲目套用,曾套用过串行通信例程,结果损坏485接口,这与我们没有搞清楚原意有关。

(5)多曲线实时示波显示,设置不好,容易死机,两条比较合适

6结论

经过研究和验证,无线网络数据采集系统可以在实际中应用,在现场的不同的方位设置节点,将数据通过无线的方式传输到控制室计算机中,利用Lab View软件的强大功能,进行数据分析,对于无法布线进行有线传输的地方,的确是一种比较好的方法。

摘要：介绍NI LabView无线技术在企业工厂产品数据监测中的应用。

关键词：NI LabView无线数据采集,实验室,数据库,生产车间

参考文献

[1]吴静编著.虚拟仪器设计基础教程/黄松龄[M].北京:清华大学出版社,2008(10).