一种大范围无线数据采集的同步算法

2018-07-09 09:00俞岳军

无线互联科技 2018年13期

关键词：时标观察点总线

俞岳军

（杭州电子科技大学计算机学院，浙江杭州 310018）

1 无线数据采集同步术语解析

本文提供一种大范围无线数据采集的同步算法。为了便于理解，下面先对本文将要用到的术语进行解释。

重量级数据：系统需要每次都采集到的核心数据，非取到不可的。

轻量级数据：系统需要采集到的数据，但只要基本上能采到就行，某些周期偶然没有采到，也不要紧。

密集数据：系统需要短间隔、密集采集的数据。

稀疏数据：系统长间隔才采集一次的数据，比如3～5 min一次。

自从计算机诞生以来，数据采集一直是它的一个重要任务，有关数据采集的论文也是数不胜数、汗牛塞栋。但总的看来，这些传统的数据采集技术是以一种“很严肃”的态度对待数据的。比如上下位机系统经常采用的232总线、485总线[1]，采集数据时上位机对某台下位机发出数据采集命令，下位机用数据作为应答；如果下位机没有及时返回数据，上位机还要重发命令，直到收到下位机回复数据为止；然后继续对其余的下位机进行轮询。这就是传统数据采集算法的常规套路。也有采用局域网的，原理其实也是一样的。这些数据采集的方法，优点是数据肯定能完整地采集，缺点也是显然的：很耗时、系统复杂成本高。

在很多工作场合，需要实时获得大范围的环境数据信息，比如化工类厂房的温湿度、蔬菜大棚的温湿度、某些地质构造的温度压力等等，这可能是一个面信息、也可能是一个体信息，信息量比较大。但是，这些数据并不是每个都不可或缺的，偶然少几个数据，问题也不大，只要总的方面有所把握就行。并且采集密度也不高，3～5 min采集一次就行了。实际上，这就是“大范围的轻量级稀疏”数据。

这种情况下如果采用传统的数据采集数据，用485总线或者局域网线布起来，线路众多复杂、成本高、软件编写复杂。比如说要布500多个观测点，如果用网线就要有500多条，如果用标准的485总线[1]，那就要(500/32) +1=16条总线。即使是用最新的485总线技术，也要用（500/256）+1=2条总线。

2 无线局域网同步技术

采用无线局域网是一种更好的选择。目前许多无线芯片功耗极低，自带电池就可以工作很长时间，安装方便灵活、不受场地限制。

问题是很多的观察点又如何和主机进行通信？如果由着它们自由发送数据，射频信号相互冲突，这样显然系统就乱了。必须制订一种高效的通信协议才行。

本文提供了一种无线局域网的同步技术。由以下模块组成。

2.1 检测模块

这是观察点的具体实现。由基本支撑电路、传感电路、无线收发电路组成，负责数据采集和无线发送。检测模块如图1所示。

图1 检测模块

2.2 数据汇集模块

这是周边观察点的数据汇集器。由基本支撑电路、无线收发电路、以太网接口电路组成[2]。负责数据无线接收、整合、有线发送。数据汇集模块如图2所示。

图2 数据汇集模块

2.3 时标模块

这是整个数据采集系统的时间基准。由基本支撑电路、无线发送电路组成，负责给整个采集系统提供“北京时间”。时标模块如图3所示。

图3 时标模块

2.4 数据处理中心

带网络接口功能的计算机系统包括数据处理中心（见图4）。

图4 数据处理中心

3 工作环境示范

工作环境如图5所示。

图5 工作环境示范

4 技术原理解说

所谓的同步算法，就是说工作环境中的所有检测模块、所有数据汇集模块，都以时标模块发出的信号为基准开始工作。

时标模块向各检测模块、各数据汇集模块发出时标射频信号，同步启动它们；检测模块、数据汇集模块开始工作，数据汇集模块接收周边检测模块发来的数据射频信号，进行整合，经过一个阶段的时间，形成一个不一定完整的数据帧；各数据汇集模块把各自的不一定完整的数据帧发给数据处理中心，形成一个完整的数据帧[3]。如此往复，采集到一系列有价值的数据。

对于各检测模块，把采集到的数据根据各自的模块号有序地发送到各数据汇集模块。而在工作环境中，数据汇集模块可以是多个，不止一个，对于同一个检测模块发过来的信号，会被多个数据汇集模块接收到，在数据处理中心收到多个数据汇集模块发来的数据时，重复的数据可以删除。

同时，多个数据汇集模块的存在是很有好处的，因为检测模块发出射频信号的作用距离是有限的，对于一个比较大的工作环境，会很容易超出这个作用距离。分布多个数据汇集模块可以有效地降低这个风险，因为这个数据汇集模块收不到时，可以由其他的数据汇集模块接收到。

实际上，从检测模块到数据汇集模块这一步，相当于把数据进行了压缩，减少了网络有线传送的流通量。而采用多个数据汇集模块，相当于提高了无线信号接收能力。

因为，各检测模块都是根据时标同步开启的，射频信号是根据模块号有序发送的，所以，它们各自之间是不会相互冲突的。