在工業(yè)生產(chǎn)中，數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控為提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低成本提供了信息和手段，成為工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的部分。與傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有靈活、輕便、工作范圍大，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)勢［1］，解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在一些特殊的環(huán)境中布線難的問題。無線采集模塊的供電和能耗一直是整個系統(tǒng)設(shè)計的重點(diǎn)。在電池供電的系統(tǒng)中，系統(tǒng)的能耗決定整個系統(tǒng)的工作時間長度，電池的更換頻率直接關(guān)系著整個系統(tǒng)的維護(hù)成本。在以收集自然能源的無源系統(tǒng)中，更低的功耗能減少無源電源的設(shè)計難度。因此，降低無線數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的能耗是整個系統(tǒng)設(shè)計的首要問題之一。

1 系統(tǒng)的優(yōu)化方向和方案

1.1 系統(tǒng)的優(yōu)化方向

無線數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為樹形網(wǎng)絡(luò)、星形網(wǎng)絡(luò)和對等網(wǎng)絡(luò)三種，其中樹形網(wǎng)絡(luò)和星形網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用比較廣泛。在這兩種網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集模塊是非簇頭節(jié)點(diǎn)。這類節(jié)點(diǎn)受供電模塊約束較為嚴(yán)重，因此，在實(shí)現(xiàn)功能的前提下硬件設(shè)計要盡可能采用低功耗元件和簡潔的電路，以達(dá)到降低功耗的要求。在無線通信平臺已經(jīng)確定的情況下，電路設(shè)計相對固定，硬件上的優(yōu)化空間較小。

數(shù)據(jù)閱讀器這類簇頭節(jié)點(diǎn)的設(shè)計受功耗的限制相對較小，將整個系統(tǒng)的優(yōu)化重點(diǎn)放在數(shù)據(jù)收集節(jié)點(diǎn)的通信方式上相對較容易。將整個數(shù)據(jù)采集過程中的大部分工作盡可能多地安排在簇頭節(jié)點(diǎn)，減少終端節(jié)點(diǎn)的通信工作時間是整體設(shè)計的優(yōu)化方向。

1.2 優(yōu)化方案

輪詢是系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)的常用方法。在無線網(wǎng)絡(luò)中，非簇頭節(jié)點(diǎn)受到功耗的限制，除上傳數(shù)據(jù)以外，其他時間都會處于休眠狀態(tài)。為了保證握手與通信成功，簇頭節(jié)點(diǎn)會增加通信范圍內(nèi)的每個終端節(jié)點(diǎn)的詢問次數(shù)，導(dǎo)致停留在單節(jié)點(diǎn)的時間變長。假設(shè)采集節(jié)點(diǎn)A和F在某一時刻同時喚醒，傳統(tǒng)輪詢機(jī)制在A點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)完成后，F(xiàn)點(diǎn)需要?dú)v經(jīng)B、C、D、E 4個節(jié)點(diǎn)的輪詢時間才能進(jìn)行通信。將系統(tǒng)對終端節(jié)點(diǎn)的輪詢和數(shù)據(jù)傳輸功能分離，輪詢節(jié)點(diǎn)時發(fā)現(xiàn)某一節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行通信，將該節(jié)點(diǎn)信息通知數(shù)據(jù)采集的模塊，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的模塊收到信息后，立即與該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。簇頭節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的同時，也進(jìn)行著輪詢。若在A節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信完成之前，輪詢已發(fā)現(xiàn)F節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)需要傳輸，則系統(tǒng)在完成A節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交換后，會立刻進(jìn)行F節(jié)點(diǎn)的通信。這種通信設(shè)計方式將提高閱讀器找尋工作狀態(tài)設(shè)備節(jié)點(diǎn)的效率［2］。尤其在系統(tǒng)中存在數(shù)據(jù)量較大的單節(jié)點(diǎn)時，優(yōu)勢會更加明顯。

2 實(shí)驗(yàn)平臺的硬件結(jié)構(gòu)

2.1數(shù)據(jù)采集終端

數(shù)據(jù)采集終端結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為無線模塊、控制芯片、Flash存儲、對基模塊及串口數(shù)據(jù)輸出5個部分。時基模塊用來測量無線模塊工作時間，控制芯片通過脈沖信號鎖定起始時刻和終止時刻，將時間數(shù)據(jù)讀出并存入Flash中。Flash中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過串口上傳給電腦。

時基模塊能給多個采集終端提供分辨率為1 μs的時間基準(zhǔn)信息。時基模塊由硬件邏輯完成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，TIME_LOCK信號的下降和上升沿鎖存時間點(diǎn)，其他信號為CPLD與控制芯片的通信接口。

2.2 數(shù)據(jù)閱讀器

數(shù)據(jù)閱讀器的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。本設(shè)計使用了雙通信模塊來實(shí)現(xiàn)輪詢和數(shù)據(jù)接收的分離，輪詢和數(shù)據(jù)接收分別工作在兩個不同的無線信道上。通信模塊1使用CH1信道進(jìn)行握手，通信模塊2使用CH2信道接收數(shù)據(jù)。公共存儲區(qū)域用于存放輪詢到的節(jié)點(diǎn)信息，2個通信模塊均能對該區(qū)域存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和讀取。

2.3 NRF24L01無線模塊

NRF24L01是挪威NORDIC公司生產(chǎn)的一款低成本，工作在2.4～2.5 GHz ISM頻段的射頻收發(fā)芯片［3］。芯片的操作和數(shù)據(jù)讀寫通過SPI完成。接收模式下，芯片可以同時接收相同信道下6個不同地址的信息。NRF24L01常用模式的工作電流為：（1）發(fā)射模式，功率為0 dBm時，工作電流為11.3 mA;（2）接收模式，速率為2 000 kb/s，工作電流為12.3 mA;（3）Standby-I模式，工作電流為32 μA;（4）Power_down模式，工作電流為900 nA。芯片自帶的增強(qiáng)型ShockBurstTM模式使執(zhí)行雙向鏈接協(xié)議更為容易、有效，從而保證數(shù)據(jù)發(fā)送可靠性的同時， 降低功耗， 實(shí)現(xiàn)在-6 dBm功率下發(fā)送數(shù)據(jù)，平均工作電流可以減小到0.05 mA。

3 程序設(shè)計和細(xì)節(jié)優(yōu)化

3.1 程序設(shè)計

數(shù)據(jù)閱讀器模塊1、模塊2的程序流程如圖4所示。模塊1完成初始化后，使用信道CH1進(jìn)行輪詢操作，收到握手信號后，將記錄終端編號，刷新公共存儲區(qū)數(shù)據(jù)。模塊2使用信道CH2收集數(shù)據(jù)，控制芯片不斷循環(huán)檢測公共存儲區(qū)的數(shù)據(jù)更新。發(fā)現(xiàn)更新后將數(shù)據(jù)讀入，根據(jù)終端編號設(shè)置無線模塊的地址，并完成握手、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

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