基于无线传感器网络的数据采集系统研究
金开军 李疆
摘 要： 设计一种新的基于无线传感网络的数据采集系统，其由电源模块、无线模块和控制模块组成。电源模块为无线模块和控制模块提供电能，无线模块使用智能总线协议或低功耗射频协议从传感器中采集数据，控制模块利用MSP430F4250微处理芯片控制无线模块的采集工作，并对所采集到的传感器数据进行处理，处理后的数据将传回无线模块，用户通过控制模块设置数据交互标准，对无线模块中处理后的传感器数据进行提取。实验结果表明，所设计的系统拥有极小的采集误差和极低的无线通信误码率，较好地实现了设计目标。
关键词： 无线传感器网络； 数据采集； 无线通信； 数据处理
中图分类号： TN915?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0072?03
Abstract： A new data acquisition system based on wireless sensor network （WSN） was designed， which is composed of power supply module， wireless module and control module. The power supply module provides electricity for wireless module and control module. The intelligent bus protocol or low power radio frequency （RF） is utilized in the wireless module to collect the data from sensors. MSP430F4250 microcontroller chip is adopted in the control module to control the data acquisition and process the collected data from sensors. The processed data is delivered back to the wireless module. Users set data interaction standard through the control module and extract the sensor data processed by wireless module. The experimental results show that the designed system has little acquisition error and low bit error rate of wireless communication， has realized the design goal almost.
Keywords： wireless sensor network； data acquisition； wireless communication； data processing
0 引 言
微電子技术和集成电路技术的日益进步，为无线传感器网络提供了发展平台。现如今，无线传感器网络已经成为21世纪最重要的科技成果之一，被广泛应用于数据采集、存储和处理等领域，对人们的生活方式和工业的技术研究均有着非常深远的意义[1]。数据采集是无线传感器网络中的一项重点研究项目，其涉及到数据采集、控制、无线传输和显示等问题，是加强信息管理、实现数据交互的一种合理解决方法[2?3]。因此，设计一种采集误差小、无线通信误码率低的基于无线传感网络的数据采集系统，为人们的生产、生活提供更多便利[4]。
1 基于无线传感器网络的数据采集系统研究
1.1 系统节点设计
所设计的基于无线传感网络的数据采集系统的基本组成包括电源模块、无线模块和控制模块。其中，无线模块包括传感器数据采集和数据传输，是系统的基础模块；电源模块和控制模块将对无线模块的工作进行协助。图1为系统节点设计图，图2为系统数据采集工作流程图。由图1、图2可知，系统的控制模块使用MSP430F4250微处理芯片整合用户的数据采集标准，对无线模块的采集工作进行控制。无线模块从传感器中采集到的符合标准的数据也会经由控制模块进行处理，处理后的数据将传回无线模块，用户可通过控制模块设置数据交互标准，对无线模块中处理过的传感器数据进行提取。值得注意的是，如果用户并未提前设置无线模块的工作标准，系统将自动默认大众化标准[5]。
电源模块为无线模块和控制模块提供24 V的电能供应。为了将所设计的基于无线传感网络的数据采集系统与用户的有线网络进行连接，并合理降低系统无线通信误码率，电源模块将提供两种电能供应方式。
当采集工作的数据量不高并且用户有线网络的扩展功能不强时，使用电源适配器进行电能供应，以维持无线模块传输工作的稳定性；否则，将直接使用干电池为系统供电，以降低系统能耗，增强系统便携性。
1.2 无线模块设计
为了实现采集误差小、无线通信误码率低的设计目标，要求所设计的基于无线传感器网络的数据采集系统应具有以下特点：可进行自动组网；能够进行传感器精确定位和数据的高速采集；能够有规律地发出数据采集请求和数据传输请求；保证基本的传输安全性和稳定性。
根据上述要求，选取CC2530射频芯片作为系统无线模块采集和传输工作的终端设备。
CC2530是用于2.4 GHz无线传感器网络应用的片上系统解决方案，它能够以极低的能耗和成本构建性能优良的无线传感器网络节点结构，有效保证了系统的采集精度和效率。同时，CC2530拥有6种自动组网运行模式，还配备了8051 微控制器内核和多种规格的可编程闪存，并具有硬件调制功能，整体性能能够满足上述要求。CC2530射频芯片的内部电路简图如图3所示。
由图3可知，虚线框内共拥有20个外设接口，主要包括天线接口和显示接口，电源模块直接为这些接口供电，可提升无线模块的稳定性。天线接口用于与传感器和控制模块的数据沟通，显示接口用于进行经控制模块处理后的传感器数据的传输工作。
天线接口和显示接口均拥有两种传输协议，分别是智能总线协议和低功耗射频协议。智能总线协议的传输距离约为1 220 m，传输速率高达9.8 Mb/s，并可同时进行400个无线传感器网络节点的传输工作；低功耗射频协议则使用介质访问控制层进行传输，抗干扰能力要高于智能总线协议，但传输速率不高。在实际应用中，如果用户的有线网络较为稳定，通常默认使用智能总线协议，否则，则会自动切换到低功耗射频协议。
1.3 控制模块设计
在所设计的基于无线传感网络的数据采集系统中，控制模块使用MSP430F4250微处理芯片控制无线模块的采集工作，并对所采集到的传感器数据进行处理。MSP430F4250微处理芯片最重要的特点就是，它拥有16位的精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）结构[6]，能够有效协调系统节点结构、操作方式以及软硬件编译的工作进程，最终实现系统采集误差小、无线通信误码率低的设计目标，并进一步降低系统能耗，提高系统工作效率。控制模块中的MSP430F4250微处理芯片在控制无线模块进行传感器数据采集工作时，首先使用CreateFile函数建立一个控制文件[7]，用于进行控制模块与无线模块的数据沟通见图4。
当二者成功沟通后，MSP430F4250微处理芯片将对用户的数据采集标准进行整合，并将标准作用于无线模块进行传感器数据采集工作。随后，控制模块将接收无线模块采集到的传感器数据，并对数据进行去噪、查错等处理。由于用户有线网络需要接收数字信号，故控制模块还需要把传感器数据的模拟信号转换成数字信号。传感器数据处理结束后，将传回控制模块，经由控制模块传递给用户使用。
2 实验分析
2.1 实验准备
为了合理分析本文设计的基于无线传感网络的数据采集系统的采集误差和无线通信误码率是否符合设计目标，现进行一次实验，实验现场如图5所示。
在实验中控制实验室的温度和光照度保持不变，表1为实验室各无线传感器节点实际温度和光照度。
实验选取基于路由算法无线传感网络的数据采集系统（设为参照系统1）和基于分群技术无线传感网络的数据采集系统（设为参照系统2），与本文系统共同进行采集误差和无线通信误码率的验证实验，并对实验结果进行分析。
2.2 采集误差分析
实验先使用参照系统1、参照系统2和本文系统共同对表1中的编号为1～3的无线传感器节点进行数据采集，再将三个系统放置在暗箱中，对编号为4，5的无线传感器节点进行数据采集。将采集到的传感器数据与表1中数据相减，求得采集误差并绘制成折线图，如图6、图7所示。由图6可知，实验中，参照系统1的温度采集误差最高；参照系统2最大和最小的温度采集误差分别为1.1 ℃和0 ℃，性能较好；本文系统在黑暗环境下几乎不受干扰，并且温度采集误差范围为[0 ℃，0.02 ℃]，该误差可忽略不计。由图7可知，两个参照系统的光照度采集误差均较高，而本文系统的光照度采集误差仅在黑暗环境下出现小幅度上升，并且误差绝对值维持在1.0以内。上述实验分析能够证明，本文系统拥有极小的采集误差。
2.3 无线通信误码率分析
调节三个系统与用户有线网络的距离，计算出三个系统的无线通信误码率（误码率=传输中的误码÷传输数据的总码数×100%），列于表2中。
由表2可知，本文系统能够实现350 m内数据无线通信的精准无误传输，并且当系统与用户有线网络相距500 m时，无线通信误码率仅为1.3%，与两个参照系统相比，本文系统拥有极低的无线通信误码率。
3 结 论
数据采集涉及到数据采集、控制、无线传输和显示等问题，是加强信息管理、实现数据交互的一种合理解决方法。本文设计一种采集误差小、无线通信误码率低的基于无线传感网络的数据采集系统，给出了系统节点以及其中无线模块和控制模块的具体设计。实验表明，本系统拥有极小的采集误差和极低的无线通信误码率。
参考文献
[1] 刘明伟，张晓滨，杨东山.移动环境下多情景源用户情景序列的提取[J].西安工程大学学报，2015，29（6）：746?750.
[2] 邓芳.大型物联网电子设备的海量数据高效挖掘方法研究[J].现代电子技术，2016，39（4）：159?162.
[3] 任斌，郑国勋，张哲宁.基于无线传感网络的温度数据采集软件系统设计与实现[J].长春工程学院学报（自然科学版），2014，15（2）：108?111.
[4] 李晓华，王玉洁，杨丽，等.一种基于无线传感器网络的山地果园数据采集系统[J].计算机工程，2015，41（8）：238?243.
[5] 段培永，宁晨光，徐丽平，等.基于TinyOS的无线传感网络温湿度采集系统[J].计算机系统应用，2014，23（8）：53?58.
[6] 张波，罗锡文，兰玉彬，等.基于无线传感器网络的无人机农田信息监测系统[J].农业工程学报，2015，31（17）：176?182.
[7] 张国杰，陈凯，颜志刚，等.基于无线传感器网络的水质監测系统研究[J].机电工程，2016，33（3）：366?372.
摘 要： 设计一种新的基于无线传感网络的数据采集系统，其由电源模块、无线模块和控制模块组成。电源模块为无线模块和控制模块提供电能，无线模块使用智能总线协议或低功耗射频协议从传感器中采集数据，控制模块利用MSP430F4250微处理芯片控制无线模块的采集工作，并对所采集到的传感器数据进行处理，处理后的数据将传回无线模块，用户通过控制模块设置数据交互标准，对无线模块中处理后的传感器数据进行提取。实验结果表明，所设计的系统拥有极小的采集误差和极低的无线通信误码率，较好地实现了设计目标。
关键词： 无线传感器网络； 数据采集； 无线通信； 数据处理
中图分类号： TN915?34； TP393 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）10?0072?03
Abstract： A new data acquisition system based on wireless sensor network （WSN） was designed， which is composed of power supply module， wireless module and control module. The power supply module provides electricity for wireless module and control module. The intelligent bus protocol or low power radio frequency （RF） is utilized in the wireless module to collect the data from sensors. MSP430F4250 microcontroller chip is adopted in the control module to control the data acquisition and process the collected data from sensors. The processed data is delivered back to the wireless module. Users set data interaction standard through the control module and extract the sensor data processed by wireless module. The experimental results show that the designed system has little acquisition error and low bit error rate of wireless communication， has realized the design goal almost.
Keywords： wireless sensor network； data acquisition； wireless communication； data processing
0 引 言
微電子技术和集成电路技术的日益进步，为无线传感器网络提供了发展平台。现如今，无线传感器网络已经成为21世纪最重要的科技成果之一，被广泛应用于数据采集、存储和处理等领域，对人们的生活方式和工业的技术研究均有着非常深远的意义[1]。数据采集是无线传感器网络中的一项重点研究项目，其涉及到数据采集、控制、无线传输和显示等问题，是加强信息管理、实现数据交互的一种合理解决方法[2?3]。因此，设计一种采集误差小、无线通信误码率低的基于无线传感网络的数据采集系统，为人们的生产、生活提供更多便利[4]。
1 基于无线传感器网络的数据采集系统研究
1.1 系统节点设计
所设计的基于无线传感网络的数据采集系统的基本组成包括电源模块、无线模块和控制模块。其中，无线模块包括传感器数据采集和数据传输，是系统的基础模块；电源模块和控制模块将对无线模块的工作进行协助。图1为系统节点设计图，图2为系统数据采集工作流程图。由图1、图2可知，系统的控制模块使用MSP430F4250微处理芯片整合用户的数据采集标准，对无线模块的采集工作进行控制。无线模块从传感器中采集到的符合标准的数据也会经由控制模块进行处理，处理后的数据将传回无线模块，用户可通过控制模块设置数据交互标准，对无线模块中处理过的传感器数据进行提取。值得注意的是，如果用户并未提前设置无线模块的工作标准，系统将自动默认大众化标准[5]。
电源模块为无线模块和控制模块提供24 V的电能供应。为了将所设计的基于无线传感网络的数据采集系统与用户的有线网络进行连接，并合理降低系统无线通信误码率，电源模块将提供两种电能供应方式。
当采集工作的数据量不高并且用户有线网络的扩展功能不强时，使用电源适配器进行电能供应，以维持无线模块传输工作的稳定性；否则，将直接使用干电池为系统供电，以降低系统能耗，增强系统便携性。
1.2 无线模块设计
为了实现采集误差小、无线通信误码率低的设计目标，要求所设计的基于无线传感器网络的数据采集系统应具有以下特点：可进行自动组网；能够进行传感器精确定位和数据的高速采集；能够有规律地发出数据采集请求和数据传输请求；保证基本的传输安全性和稳定性。
根据上述要求，选取CC2530射频芯片作为系统无线模块采集和传输工作的终端设备。
CC2530是用于2.4 GHz无线传感器网络应用的片上系统解决方案，它能够以极低的能耗和成本构建性能优良的无线传感器网络节点结构，有效保证了系统的采集精度和效率。同时，CC2530拥有6种自动组网运行模式，还配备了8051 微控制器内核和多种规格的可编程闪存，并具有硬件调制功能，整体性能能够满足上述要求。CC2530射频芯片的内部电路简图如图3所示。
由图3可知，虚线框内共拥有20个外设接口，主要包括天线接口和显示接口，电源模块直接为这些接口供电，可提升无线模块的稳定性。天线接口用于与传感器和控制模块的数据沟通，显示接口用于进行经控制模块处理后的传感器数据的传输工作。
天线接口和显示接口均拥有两种传输协议，分别是智能总线协议和低功耗射频协议。智能总线协议的传输距离约为1 220 m，传输速率高达9.8 Mb/s，并可同时进行400个无线传感器网络节点的传输工作；低功耗射频协议则使用介质访问控制层进行传输，抗干扰能力要高于智能总线协议，但传输速率不高。在实际应用中，如果用户的有线网络较为稳定，通常默认使用智能总线协议，否则，则会自动切换到低功耗射频协议。
1.3 控制模块设计
在所设计的基于无线传感网络的数据采集系统中，控制模块使用MSP430F4250微处理芯片控制无线模块的采集工作，并对所采集到的传感器数据进行处理。MSP430F4250微处理芯片最重要的特点就是，它拥有16位的精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer，RISC）结构[6]，能够有效协调系统节点结构、操作方式以及软硬件编译的工作进程，最终实现系统采集误差小、无线通信误码率低的设计目标，并进一步降低系统能耗，提高系统工作效率。控制模块中的MSP430F4250微处理芯片在控制无线模块进行传感器数据采集工作时，首先使用CreateFile函数建立一个控制文件[7]，用于进行控制模块与无线模块的数据沟通见图4。
当二者成功沟通后，MSP430F4250微处理芯片将对用户的数据采集标准进行整合，并将标准作用于无线模块进行传感器数据采集工作。随后，控制模块将接收无线模块采集到的传感器数据，并对数据进行去噪、查错等处理。由于用户有线网络需要接收数字信号，故控制模块还需要把传感器数据的模拟信号转换成数字信号。传感器数据处理结束后，将传回控制模块，经由控制模块传递给用户使用。
2 实验分析
2.1 实验准备
为了合理分析本文设计的基于无线传感网络的数据采集系统的采集误差和无线通信误码率是否符合设计目标，现进行一次实验，实验现场如图5所示。
在实验中控制实验室的温度和光照度保持不变，表1为实验室各无线传感器节点实际温度和光照度。
实验选取基于路由算法无线传感网络的数据采集系统（设为参照系统1）和基于分群技术无线传感网络的数据采集系统（设为参照系统2），与本文系统共同进行采集误差和无线通信误码率的验证实验，并对实验结果进行分析。
2.2 采集误差分析
实验先使用参照系统1、参照系统2和本文系统共同对表1中的编号为1～3的无线传感器节点进行数据采集，再将三个系统放置在暗箱中，对编号为4，5的无线传感器节点进行数据采集。将采集到的传感器数据与表1中数据相减，求得采集误差并绘制成折线图，如图6、图7所示。由图6可知，实验中，参照系统1的温度采集误差最高；参照系统2最大和最小的温度采集误差分别为1.1 ℃和0 ℃，性能较好；本文系统在黑暗环境下几乎不受干扰，并且温度采集误差范围为[0 ℃，0.02 ℃]，该误差可忽略不计。由图7可知，两个参照系统的光照度采集误差均较高，而本文系统的光照度采集误差仅在黑暗环境下出现小幅度上升，并且误差绝对值维持在1.0以内。上述实验分析能够证明，本文系统拥有极小的采集误差。
2.3 无线通信误码率分析
调节三个系统与用户有线网络的距离，计算出三个系统的无线通信误码率（误码率=传输中的误码÷传输数据的总码数×100%），列于表2中。
由表2可知，本文系统能够实现350 m内数据无线通信的精准无误传输，并且当系统与用户有线网络相距500 m时，无线通信误码率仅为1.3%，与两个参照系统相比，本文系统拥有极低的无线通信误码率。
3 结 论
数据采集涉及到数据采集、控制、无线传输和显示等问题，是加强信息管理、实现数据交互的一种合理解决方法。本文设计一种采集误差小、无线通信误码率低的基于无线传感网络的数据采集系统，给出了系统节点以及其中无线模块和控制模块的具体设计。实验表明，本系统拥有极小的采集误差和极低的无线通信误码率。
参考文献
[1] 刘明伟，张晓滨，杨东山.移动环境下多情景源用户情景序列的提取[J].西安工程大学学报，2015，29（6）：746?750.
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[4] 李晓华，王玉洁，杨丽，等.一种基于无线传感器网络的山地果园数据采集系统[J].计算机工程，2015，41（8）：238?243.
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[7] 张国杰，陈凯，颜志刚，等.基于无线传感器网络的水质監测系统研究[J].机电工程，2016，33（3）：366?372.
