基于无线自组网络技术的数据采集器的设计收藏

　　基于工业现场传感器应用需求差异、设备供应商的各自为政，导致感知设备的数据接口和通讯协议多样化的问题，分析了无线自组网的方法，以满足对现场数据获取、传输、处理的应用需求，采用先进嵌入式技术，实时嵌入式操作系统，设计了一种适用于各种工业现场的数据采集控制器。

　　1引言　　无线自组网是一种多跳的临时自治系统，在1968年，为了能够和夏威夷的教育机构交换数据，无线自组网的概念被提出1973年在无线自组网被提出后，PR（PacketRadio，分包通信）网络出现，这是一种多跳网络，网络中的各个节点不需要直接连接，节点之间能够利用接力方式在两个相距很远而无法直接通信的节点之间传递信息，这样就突破了网络之间的距离瓶颈。

在开发IEEE802.11标准时，IEEE提出将PR网络改名为adhoc网络（我国一般称之为自组网或多跳网络），并且希望能够由此引出一个全新的发展领域　　数据采集控制器是调度自动化、化工等过程控制自动化系统中的关键设备，它的职能是采集所在发电厂或化工厂等工业设备运行状态的模拟量和状态量，并向调度中心传送这些模拟量和状态量，执行调度中心发往所在发电厂或化工企业的控制和调节命令。

　　目前，数据采集控制器主要采用嵌入式系统对各种模拟量和数字量进行采集传输，32位的嵌入式微处理器是国内外主流的处理器，ARM公司是嵌入式微处理器（RISC）生产厂家之一，距2006年底，其32位嵌入式微处理器已经占领了全球82.1%的市场，ARM处理器具有体积小、低功耗、成本低、高性能和16/32位的双指令集的特点。

在国外，基于嵌入式处理器ARM的数据采集技术已经非常成熟Motorola使用ARM的200MHz920TRISC核，生产出来属于龙珠系列的32位MX-1高档的无线接入的移动式新产品，其中包括MP3和JPEG的解码播放器，并且国外早己把嵌入式技术及嵌入式数据采集技术应用到国防科技、科学研究之中。

　　2无线自组网技术　　无线自组网（adhocNetwork）是一种无基础设施的移动网络，也被称为多跳无线网它是一个多跳的临时性中心的网络，并由一组带无线通信收发设备的移动终端节点组成它可以不受任何时间任何地点的影响迅速搭建起一个移动通信网络，在没有现有的信息基础网络设施的支持下，它的每个终端也可以自由的移动。

　　基于TCP/IP协议族的无线自组网以分组数据的格式和包交换机制进行信息流的传输由众多移动终端组成的独立IP网络可以与固定的互联网并行且能够与之互联　　2.1无线自组网的实现方法　　无线通信标准是无线数传模块设计中的关键因素，它关系着整个系统的性能，因此必须予以高度重视。

当前比较流行的近距离无线通信标准有无线局域网（Wi-Fi）、超宽带通信（UWB）、蓝牙和红外线数据通信IrDA以及ZigBee技术　　当前比较流行的5种短距离无线通信技术之间的比较如表2-1所示。

表2-1几种短距离无线通信技术的比较　　通过上表可以看出ZigBee技术在覆盖距离、传输速率、功耗、安全性、成本等方面有着得天独厚的优势非常适合应用于无线传感器网络的构建因此，本文的自组网实现方法选用了ZigBee技术。

　　ZigBee路由算法的主要思想是先对接收数据帧的来源进行判断，然后分解出数据帧中的目的地址，根据目的地址采用相应的机制传送数据帧。具体实现过程如图2-1所示。

图2-1ZigBee基本路由算法　　3数据采集控制器的总体设计方案　　根据工业现场的情况，大多数工业现场采用没有通信接口的模拟仪表，以人工读取记录的方式进行数据采集，这样既浪费时间和精力效率又很低，一些仪表要实现远传，需要安装智能型变送器，从而提高成本；还有一些仪表带有数字通信接口，但不能实现组网，通信距离非常短，如若实现远传需要在仪表上安装转换协议的板卡，从而带来不便和成本的提高。

因此要实现现场数据的采集与汇聚，以方便对数据进行管理，就必须有一个核心控制器本文所设计的带无线组网功能的数据采集控制器便可以连接不同通信协议的网络与设备，使得设备的数据得以远传和共享　　根据以上的分析，数据采集控制器必须完成以下三项重要任务，第一，实现工业生产现场数据的采集；第二，转换不同的数据协议；第三，完成数据的汇聚和远传。

该数据采集控制器可以集模拟量、数字化仪表以及数字量等于一体，实现数据采集、汇聚、与远传其主要功能是：　　（1）为实现对工业现场模拟控制器的控制功能，该数据采集控制器设计了两路4~20mA/0~5V模拟量输出通道，方便对现场模拟仪表的控制。

　　（2）为实现对工业现场温度、压力、流量等多种模拟量信号的采集，该数据采集控制器设计了8路、12位模拟量采集输入通道，使其完成对现场模拟信号的采集　　（3）系统设计了8路数字量输入和8路数字量输出通道，以完成对现场大量数字量信号采集与控制。

　　（4）系统设计了一路RS-232接口，以实现与数字化RS-232接口仪表的通信　　（5）系统设计了一路RS-485总线接口，以实现与具有RS-485总线接口的设备和仪表通信　　（6）针对面向外部的网络，设计了工业以太网和GPRS无线通信来完成数据远传的需求。

　　（7）针对面向传感器的网络，系统设计了以ZigBee技术为核心的面向传感器网络，以实现现场设备数据转发与向应用服务器的传输。　　数据采集控制器的典型应用场景如图3-1所示。

图3-1数据采集控制器的典型应用场景　　Fig.3-1Thetypicalapplicationsceneofthedataacquisitioncontroller　　数据采集控制器可通过以太网、GPRS数据传输方式接收来自数据采集服务器的命令，然后进行协议转换和命令解析，通过解析Modbus协议地址判断数据是转发给谁的，如果地址是本机地址，那么直接读写本机的寄存器完成采集和控制功能，如果地址是给从设备的，则通过相应的串口将ModbusRTU数据包透明转发给被采集设备或仪表。

进而被采集设备或仪表做相应的处理后生成响应包送回，数据采集控制器将ModbusRTU格式的数据通过协议转换成ModbusTCP格式，这样便可以通过以太网或者无线网络将其发送给数据采集服务器，数据的采集转发便完成了。

　　4结论　　针对工业现场普遍存在的数据结构各异、协议标准不一等问题，本文研究和给出了应用于各种工业现场的数据采集控制器的设计方案，以解决传感节点多种协议数据自适应采集问题、非标设备接口驱动定制问题、异构网络数据协同处理问题、自组网络管理等问题，从而达到实现各行业中现场数据的汇聚和传输的目的，并且结合自身及行业的特点进行生产过程的控制，由于本文的局限性，并未给出该设计方案的数据采集器在工业现场的应用结果，在今后的工作中，我们将该数据采集器与行业生产和业务流程紧密结合，从而以应用结果验证该数据采集器对各企业的运行管理的作用。

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