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基于YL—5000的多通道数据采集系统设计

范文

晏细兰+谢景明

摘要：传统的手工数据采集方式需要耗费大量的人力和物力，并且也不能精确的分析和处理数据。该文设计了一种无线数据采集系统，该系统主要由MSP430149单片机和微功率无线数据模块yl-5000组成。系统通过处于无线通信网络中的数据采集终端接收和发送多通道数据，同时，通过使用上位机软件精确的处理多通道数据。该文设计的数据采集系统可以用于数据的采集、管理、监督和控制，其性能支持和成本维护等工作效率均很高。该系统的应用场合非常广泛。

关键词：多通道；无线通信协议；离线地图；监控软件

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）04-0016-02

随着科学技术的发展，无线传感器网络作为一门新兴技术[1]，其在信息技术领域发挥着重要作用。F Cwei设计了一种基于ZigBee和android的远程监控系统，该系统是提升了无线传感器在网络环境中的实用价值。LXwei探讨了一种设计采集和监视的视觉系统。该系统扩展了数据采集的应用范围[2-3]。但是，这种检测系统的缺陷是其软件构架是基于客户机/服务器结构的，因此导致其不便扩展，且维护系统也较困难。本文介绍了一种监控系统，该系统是基于浏览器/服务器的结构，因此可以很好的解决推广和维护中出现的问题，该系统适用于数字农业、卫生保健和数字工厂等场所的数据监控和设备监控。

1 系统总体设计

该系统主要由数据采集终端、微功率无线数据模块yl-5000，MSP430149单片机和监控平台四部分组成。系统包含多个数据采集终端，每个数据采集终端均包含各种传感器和监控设备等，采集的数据从YL-5000无线数据模块的一端发送到另一端，最后通过串口设备将数据传送到PC机中。用户可以从信息分析中得到信息的帮助从而监控和控制数据采集终端，计算机可以存储大量的数据，同时方便的进行后面一系列的操作。

图1显示了具有双通道数据系统的硬件结构，如果系统通道多于两个，那么只需要在双通道系统基础上，根据通道数，增加终端、YL-5000集成板、存储器、核心处理器的数量，再增加一些外围电路即可。YL-5000集成板模块是该系统的核心部件，该模块的发送端连接核心处理器和存储器（该存储器用于存储临时数据），该模块的接收端通过串行端口与PC机连接。PC机中提供了基于浏览器/服务器模型的数据监控软件，用于数据存储、数据统计、数据查询、实时数据监控等。

YL-5000模块是无线数据收发模块[4]，该模块具有高性能，低功耗且传输距离长的特点，其主要性能指标有如下几项：

（1）工作频率有315MHz，433MHz，490mhz，868MHz和915兆赫。

（2）工作电压从9伏到24伏不等。输出电压为27dbm）

（3）全速模式的最大功耗是25mA。等待模式的最大功耗是1000uA。睡眠模式最大功率消耗是250uA。

（4）有效传输距离为5000。在幅员辽阔的地区，当数据传输到10公里时无干扰。

（5）串联速率变化从1200bps到 57600bps，默认值可以达到9600bps。

（6）发送和接收数据的配置包含8个数据位，没有停止位，也没有奇偶校验位。

最大功率全速模式下消耗电流25mA，这意味着它可以工作很长时间，其有效的传输距离可达10公里，满足典型的无线传输距离要求，此外，同等功能条件下，该模块比其他数据传输模块的价格更低。

2 无线通信网络协议的设计

2.1 无线通信网络建立的过程和规则

无线通信模块YL-5000是无线通信网的基本硬件组成部分，该系统利用一定的规则，将YL-5000模块的发送端和接收端连接起来，并且要求其余的YL-5000模块也要轮流发送数据，系统将无线通信模块YL-5000的接收端定义为主端，将其发送端定义为从端。首先，在轮流询问答方式中，主端向从端发送了一条命令帧，然后等待一段时间。从端接收到命令帧以后，从端发回数据响应帧到主端，如果从端不发回任何信息给主端，主端就会继续发送数据给从端，直到时隙时间结束。然后命令帧就会被发送到另一个从端，不断的重复上面的过程，直到所有的从端均被访问到。

利用以下五个步骤，可以实现终端的无线通信：

（1）在本系统中，YL-5000模块的主端和从端均具有唯一的地址，例如，假设系统有16个数据采集终端，那么就把主端地址定义为0xff，而从端地址范围为0x01 到0x16。

（2）任何时候，只允许主端和一个从端进行通信。

（3）主端起主导作用，而从属终端则是在这个系统中的被动接受数据的作用。当终端没有通信时，从端端处于监听状态。

（4）在时隙时间内，主端有三次机会尝试和从端进行通信以发送命令帧，如果该从端依然没有和主端建立通信连接，那么该从端将会被标记。

（5）在时隙时间内，如果主端发送了复位和数据发送终止命令，从端则会返回响应帧，而如果主端发送了数据请求指令，从端则会返回数据帧。

2.2 命令帧和响应帧的格式

使用标识符确定帧的类型，如果一帧标识符长度是68H，那么该帧为命令帧，如果长度是69H，那么就称该帧为响应帧。地址长度为16位，如果是命令帧，显示的就是接收地址，如果是响应帧，那么该地址就是发送地址。控制字的长度的长度为8位，控制字可以识别来自主端的不同命令，并且只存在于命令帧，如果它的值是01H，则表明主端要求从端重置，如果它的值是02H，则表明主端要求从端发送信息，如果它的值是03H，则表明主端禁止从端发送信息。结束标识符的长度为8位，它表明了幀结束，将结束标识符的值定义为34h，重复发送结束标识符可以降低帧误判率。

2.3 数据帧

数据帧标识符的长度为8位，值定义为67H，接收端地址的长度16位，接收端地址给出的是主端的地址。数据采集终端编码的长度为8位，每个终端均有对应的编码以标记数据的独特性。具体数据包括由数据采集终端采集到的各种信息，比如无线传感器网络节点中的湿度和地理位置等。

3 软件设计

3.1 功能介绍

远程监控软件的基本功能是根据实际需要进行设置的，该系统旨在实现以下基本功能：

（1）通信功能，实现数据采集终接收端与PC机之间的通信。

（2）数据管理功能，使用数据库技术存储和管理数据和用户信息。

（3）用户交流功能，它包括实时监控，实时显示，历史数据存储和历史数据查询功能。

3.2 无线通信的实现

将YL-5000模块的接收端和发送端之间的信息通信定义为纵向通信，将接收端和PC机之间的信息通信定义为横向通信，纵向通信方式在前面的内容中已经做过介绍，横向通信方式可以通过不同的方法实现。这里介绍一种使用HTTP超文本传输协议的方法实现异步通信。系统软件中的横向通信模块和数据分析模块可以使用java语言开发，逻辑检查算法用于检测数据错误，重传机制用于被动地纠正错误，超时重传机制用于正确激活错误。

3.3 监测网站

该网站是一个动态的网站开发过程，用于开发实时监控模块、数据库模块和用户管理模块，这就要求建立一个编程平台，该平台包含windows系统、Web服务器、MySQL数据库、超文本预处理器PHP和其编程语言例如超文本标记语言（HTML），CSS，JavaScript等。多通道数据采集系统经过了大范围的长时间的工作测试，将系统波特率设置为9600bps，数据帧的长度设置为14byte，忽略收发方式的转换时间和串行端口的传输时间，结果表明，数据库中的个体数据每秒钟更新3到4次。

4 结束语

本系统采用了一种成熟的无线网络模式，该系统基于用户自定义协议和微功耗无线数据传输模块yl-5000所设计的。它的优点是低成本且拥有成熟的无线通信技术，这使得使该系统易于实现，除此之外，该系统也便于扩展，当然，该系统也有很多值得进一步研究的问题，如数据安全等。

参考文献：

[1] 解亚妮，张志杰.基于NI PXI-5105的多通道数据采集系统的设计[J].2015，6（1）：7-12.

[2] F Chengwei，Z Lin，Y Jiangnan.Design of Intelligent Remote Monitoring System Based on ZigBee and Android[J]. TelevisionTechnology，2015，39（20）：38-42

[3] L Xiaowei.The Research of the Monitoring System Based on BeiDou For Remote Battling Vechile[D].Wuhan University of Technology，2013.

[4] 吳建，裴峰，王楠等.基于Labview 的多通道数据采集系统设计[J].电子测试，2013（z1）：52-54.

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