基於無線傳感器網絡的多點、多類型數據採集系統的製作方法

2023-04-25 06:20:16

專利名稱：基於無線傳感器網絡的多點、多類型數據採集系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及大型工業控制系統監測、儀器故障診斷及能源信息管理技術領 域，尤其涉及一種基於無線傳感器網絡的多點、多類型數據採集系統。
背景技術：
大型工業控制系統監測、儀器故障診斷及能源信息管理的基礎是穩定可靠的數據 採集系統。目前數據採集系統多基於0SI/RM(0pen Systemlnterconnection/Reference Model)模型、TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)協、議禾口 CAN (Control Area Network)總線，在控制面向多元化，系統面向分散化的發展趨勢下，逐 漸地暴露出0SI/RM在多種類型監測點實時數據採集的薄弱，TCP/IP在複雜控制指令作用 時數據採集傳輸魯棒性與安全性的不足，以及CAN與Internet互連的缺陷。無線傳感器網 絡技術為解決這類問題提供了一條新的途徑。無線傳感器網絡採用以數據為中心、高密度 分布、多跳網絡傳輸技術，使大規模監測信息實時採集與傳輸變得自主穩定。其高性能、低 成本、無需現場布線、儀器裝置改動小、操作便捷等優勢，特別適用於大型工業區的數據採 集系統。無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network, WSN)是一種數據採集、傳輸和處理 技術，以自組織無線聯網協同方式應用於監測和控制領域。該技術最初由UC Berkeley的 William J. Kaiser教授提出，為自動感知監測區域信息而設計的微型無線節點網絡。隨著微電子技術、傳感器技術和網絡通信技術的飛速發展和日益成熟，使得製造 大量體積小、功耗低，同時具有感知能力、計算能力和通信能力等多種功能於一身的智能微 型傳感器成為可能。這些新一代智能傳感器節點(簡稱智能節點)可以感知周圍的環境， 並對數據進行一定的處理，同時可以通過無線通信模塊進行相互通信。無線傳感器網絡就 是由大量智能節點協同組織起來所構成的網絡。

實用新型內容為了克服現有大多數監測系統的監測信息較為單一、部署安裝較為複雜、魯棒性 差的缺陷，本實用新型提供一種基於無線傳感器網絡的多點、多類型數據採集系統，該系統 是以無線傳感器網絡為核心的動態、實時、全方位、多變量的複雜數據採集系統。本實用新型解決技術問題所採用的技術方案是基於無線傳感器網絡的多點、多類型數據採集系統，包括至少一臺監測主機、至少 一個基站和多個智能節點，智能節點監測電流、電壓和功率因數，並通過無線、多跳方式經 基站將信息傳送至監測主機；監測主機進行系統控制、數據融合和智能信息處理。其中，智 能節點數量和類型的選取可依據具體應用定製。上述監測主機為工業控制計算機，運行windows作業系統和C程序編寫的監測應 用軟體。監測主機具有電量計算、儀器故障診斷及能源信息管理等功能。上述基站由8位嵌入式微處理器單元、無線射頻單元、USB接口單元和電源單元組成，USB接口單元與微處理器單元連接，微處理器單元與無線射頻單元連接，電源單元與微 處理器單元連接。基站通過USB接口單元和監測主機相連，基站支持ZigBee協議無線通信， 實現與無線傳感器智能節點雙向通信，並完成數據包轉發。上述智能節點包括監測電流、電壓、功率因數三種類型，具體數量和類型的選取可 依據應用定製。智能節點由8位嵌入式微處理器單元、無線射頻單元、傳感器標準485接口 單元和電源單元組成，微處理器單元分別與無線射頻單元、傳感器單元、電源單元連接。智 能節點可以獲取監測信息，並進行簡單的智能處理。智能節點間以及智能節點和基站間可 以進行雙向通信。通信協議支持sMAC、IEEE 802. 15. 4和ZigBee三種。本實用新型的有益效果在於基於無線傳感器網絡的數據採集系統是對多點、多 類型信息監測數據採集系統兩個方面的擴展，一是系統框架結構的擴展，突破數據採集系 統現有0SI/RM模型、TCP/IP協議、CAN總線等有線連接系統模式，構建無線網絡化、實時智 能信息採集平臺，降低傳輸路徑複雜度，提高體系結構可擴展性和易維護性；二是信息多元 化的擴展，將多點、多種類型數據交互技術嵌入數據採集系統，使其具有信息共享與互操作 功能，有利於數據分析和挖掘，提供全面的決策支持。該採集系統適用於大型工業控制系統 監測、儀器故障診斷及能源信息管理目的。
圖1是本實用新型基於無線傳感器網絡的多點、多類型數據採集系統示意圖。圖2是本實用新型基於無線傳感器網絡的多點、多類型數據採集系統結構框圖。圖3是本實用新型的基站結構框圖。圖4是本實用新型的智能節點結構框圖。
具體實施方式

以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步詳細說明。如圖1所示，基於無線傳感器網絡的多點、多類型數據採集系統由監測主機、基站 和智能節點組成，可依據具體應用定製智能節點的數量和類型，但系統至少包含一臺監測 主機和一個基站。監測主機通過USB接口單元與基站通信，接收基站轉發的多個傳感器的信息，並 進行電量計算、儀器故障診斷及能源信息管理等處理。基站通過USB接口單元和監測主機相連，實現電流、電壓和功率因數等信息的傳 輸；基站支持ZigBee協議無線通信方式接收來自智能節點的採集信息，將數據包轉發給監 測主機，或將監測主機的指令通過基站發送給智能節點。智能節點實時採集大型工業控制系統中儀器儀表、電氣裝置的電流、電壓和功率 因數等數據信息，以無線通信方式，支持SMAC、IEEE 802. 15. 4和ZigBee協議，實現智能節 點間以及智能節點和基站間的雙向通信。如圖2所示，監測主機為基於無線傳感器網絡的多點、多類型數據採集系統的信 息處理模塊，選用工業控制計算機，CPU為celonl. 6GHz，512M內存，40G硬碟，10個RS485通 訊接口，主從USB接口和兩個串口 ；運行windows作業系統。基站為數據採集系統的信息傳輸模塊，由8位嵌入式微處理器單元、無線射頻單 元、USB接口單元和電源單元組成。智能節點為數據採集系統的信息採集模塊，具體數量和類型的選取可依據應用定
4制。每個智能節點都是由8位嵌入式微處理器單元、無線射頻單元、傳感器標準485接口單 元和電源單元組成。如圖3所示，基站由8位嵌入式微處理器單元、無線射頻單元、USB接口單元和電 源單元組成。微處理器單元為Freescale MC9S08GT60控制器，配有復位及其外圍電路， 以SPI、GPIO接口方式分別與無線射頻單元、USB接口單元相連。無線射頻單元由MC13193 射頻晶片、F型PCB天線和外圍電路構成。USB接口單元選用CH375USB接口晶片，實現從 USB接口輸出。電源單元由電池、穩壓電路、濾波電路和電源優化管理電路組成，採用7. 2V, 1200mAH鋰電池供電，RC典型電路濾波，LM78L05和LP2950兩次穩壓，TPS76350電源管理， 實現5. 7V和3. 3V輸出，工作電流120mA。如圖4所示，智能節點由8位嵌入式微處理器單元、無線射頻單元、傳感器標準485 接口單元和電源單元組成。其中，微處理器單元、無線射頻單元和電源單元與基站對應構成 單元相同。傳感器標準485接口單元採用MAX485晶片完成電平轉換。綜上所述，本實用新型基於無線傳感器網絡的多點、多類型數據採集系統，由多種 無線傳感器網絡智能節點、基站和監測主機等組成，充分利用無線傳感器網絡的自組織性、 魯棒性等優點，對大型工業、企業能源信息管理的數據進行採集，融合與智能數據處理，構 建以無線傳感器網絡為核心的動態、實時、全方位、多變量的複雜數據採集系統。基於無線 傳感器網絡的多點、多類型數據採集系統改進了現有大多數監測系統的監測信息較為單 一、部署安裝較為複雜、魯棒性差的不足，與現有的系統相比，在信息採集的多樣性，獲取信 息的準確性、可靠性、實時性，系統的魯棒性、廉價性等方面，都有很大的改進。
權利要求基於無線傳感器網絡的多點、多類型數據採集系統，其特徵在於，該系統包括至少一臺監測主機、至少一個基站和多個智能節點，智能節點監測電流、電壓和功率因數，並通過無線、多跳方式經基站將信息傳送至監測主機；監測主機進行系統控制、數據融合和智能信息處理。
2.如權利要求1所述的基於無線傳感器網絡的多點、多類型數據採集系統，其特徵在 於，所述監測主機為工業控制計算機。
3.如權利要求1所述的基於無線傳感器網絡的多點、多類型數據採集系統，其特徵在 於，所述基站由微處理器單元、無線射頻單元、USB接口單元和電源單元組成，基站通過USB 接口單元與監測主機相連，USB接口單元與微處理器單元連接，微處理器單元與無線射頻單 元連接，電源單元與微處理器單元連接。
4.如權利要求1所述的基於無線傳感器網絡的多點、多類型數據採集系統，其特徵在 於，所述智能節點由微處理器單元、無線射頻單元、傳感器單元和電源單元組成，微處理器 單元分別與無線射頻單元、傳感器單元、電源單元連接。
專利摘要本實用新型的基於無線傳感器網絡的多點、多類型數據採集系統，適用於大型工業控制系統監測、儀器故障診斷及能源信息管理領域。該系統至少包含一臺監測主機、一個基站，以及多種類型無線傳感器網絡智能節點。智能節點監測電流、電壓和功率因數，並通過無線、多跳方式經基站將信息傳送至監測主機；監測主機進行系統控制、數據融合和智能信息處理。本實用新型基於無線傳感器網絡的多點、多類型數據採集系統改進了當前大多數監測系統的監測信息較為單一、部署安裝較為複雜、魯棒性差的不足，與現有的系統相比，在信息採集的多樣性，獲取信息的準確性、可靠性、實時性，系統的魯棒性、廉價性等方面，都有很大的改進。
文檔編號H04W84/18GK201732467SQ20102024471
公開日2011年2月2日 申請日期2010年7月2日 優先權日2010年7月2日
發明者姜長泓, 王盛慧, 金星 申請人:長春工業大學