物联网多传感器数据采集系统设计与实现

赵圣麟

（珠海市泰德企业有限公司，广东 珠海 519082）

0 引 言

电力物联网（Internet of Things，IOT）通过无线传感网络实时搜集相关信息，搜集的信息包括电压、电流以及整体功率等参照系数。和之前的数据搜集相比，搜集节点的整体数据量有了大幅提升[1]。对多传感器数据进行进一步对比，有助于提升信息的精准度和实用度，以便工作人员及时发现事故的具体方位，提高管理效率。物联网信息管理机制要求具备突出的数据管控能力和数据解析效能，因此可以高效查询事故点的详实信息，在最短的时间内执行针对性措施。

1 物联网多传感器数据采集系统设计

1.1 原理分析和系统总体构架

数据采集系统需要网络基础支撑，如物联网体系，可利用多节点分布的传感器采集数据。在物联网环境下探索多功能无线传感通信组网技术，构建数据感知层，实时读取数据信息。利用时钟控制电路输入采集的数据信息，经过滤波器的滤波处理，滤除噪声和检测干扰[2]。利用高速数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）芯片，可以更好地处理数据信号。利用外设组件互联标准（Peripheral Component Interconnect，PCI）总线和桥接电路，可确保对系统的控制。DSP芯片产生的节点监控电压数据不高，但需要利用模拟信号预处理机进行处理，并选择合适的放大器，动态化处理采集的信息。集中器设备具备装置的自检效能。信息管理系统上传实时运转情形和相关的事件信息，主要涵括自身运转状况、参照系数的修正以及设定相关的数据值等，如图1所示[3]。

图1 基于物联网的智能终端数据采集系统技术方案

1.2 信息管理系统分析

信息管理系统是将搜集到的大批次数据实时进行储存、整合、解析以及回馈。数据传送及其回馈通常利用以太网等通信手段，与集中器设备实时通信及互动回馈。运用前向纠错（Forward Error Correction，FEC）等手段开展实时通信回馈。数据整合过程中，相关的电力工作者实时储存集中器设备传送的多方面信息，导出并生成庞大的信息数据库。通过该数据库查询生产数据、估量数据以及设备状况等多方面的数据，也可根据不同时间段、不同种类以及不同用户的数据对其进行全方位呈现。数据分析过程中，用户利用常规的数据挖掘工具，进一步整合与解析数据，为工作和生产提供有益参照。此外，可利用管理系统分析常态数据、周期性数据及异常数据。数据回馈包括及时地把生产参数、设备状态以及参照系数的设置等信息回馈给集中器设备，同时提供公用的数据端口，方便数据对接[4-7]。

1.3 硬件电路的模块化设计

结合多传感器数据采集系统，在选取优秀的器件基础上设计无线节点，自动监控数据采集系统的硬件电路。32位VME（Versa Module Eurocard）总线扩展技术可以形成一个完整的无线节点自动监控数据采集系统，可以进一步开发模块化工作，更好地控制物联网无线节点数。为了减少数字电路与模拟电路中间的干扰问题，在数据采集系统的控制输出终端增加1个隔离型的放大器，可实现无线终端智能通信信号的设计。利用时钟控制模块能够带来比较实用的时钟控制和周期采样控制功能，进一步提升系统的可靠性。根据复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）编程技术，与DSP智能通信合并，更好地进行模块化的数据处理，实现采集数据的放大功能，实现一个系统化的自动监控数据采集电路。

2 物联网多传感器数据采集系统网络传输分析

2.1 电力载波分析

常规的电力载波通信形式是用户运用电线开展传输工作，不要求搭设额外的网络设施，整体所需的布设成本费相对较低。但是，它的劣势也十分明显。由于该形式使用较为烦琐，且我国电线存在品质不高和噪声较大的问题，导致网络信号传输质量不理想。在安全效能上，因为电力载波是一种专网性传输方式，所以具有较高的安全性和可靠性，满足一般电力使用者的需求。但是，该网络通信形式缺少对专门的接入调控管理和对解密装置严密的监管，导致不法分子能够运用各种手段进行入侵，破坏该网络。电力载波通信的形式虽然投入成本较低且具有较高的安全性和可靠性，但不适合具有更高保密需求的电力数据传输[8]。

2.2 射频通信方式分析

用户可利用复合射频通信板块如射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）设备及配套的集中器设备进行通信。集中器设备与电力中心的信息管理系统选择射频通信形式开展数据传送时，比如利用433 MHz射频频段能够迅速实现智能电表设备与集中器设备和集中器设备与住宅区域的电力中心信息管理系统之间的信息传送。在安全程度上，由于该方案运用了数据加密标准（Data Encryption Standard，DES）算法，确保了信息的加密性，提升了整体的安全保障水平，契合电力数据安全方面的标准。同时，运用射频通信手段逐步构建低层的数据传输网络，整体投入资金较少。基于物联网的射频通信方式实现过程，如图2所示。

图2 基于物联网的射频通信方式

考虑运用在电力系统的射频通信缺少一致性标准，易造成各方案不同设备间无法有效通信，意味着它在兼容效能和可扩展层面存在不足。

2.3 GPRS方式分析

通用分组无线服务（General Packet Radio Service，GPRS）具有极高的传输效率，可以满足传送低层数据的要求。运用GPRS方式，只租用移动运营商，不需要额外搭设网络环境。随着网络通信技术的发展，如今的GPRS通信流量成本极低，对低层数据传输来说是一个很好的网络传送手段。工作人员可以通过搭配虚拟专用网（Virtual Private Network，VPN）应用GPRS。在4G大范围组网时，电力网络传输领域已加大发展力度，逐渐朝着5G移动通信方向发展。5G网络是一种超大带宽的无线宽带，与有线宽带相比，布网过程更加繁杂。理论上，5G网络的传输速率能够达到10 Gb/s，将大大降低通信时延，扩大数据的处理格局。同时，5G作为一个真实意义上的融合网络，通过数据融合与统一，给电力物联网行业带来平稳的网络环境。5G网络技术成熟后，电力物联网中网络的接入率将达到现今通信设备接入率的30倍[9,10]。

3 结 论

通过设计完善的物联网多传感器数据采集系统，可以保证多传感器数据采集系统能够更加科学，数据愈发具有实时性。该系统具备较高的采集性能，可实现数据的正确采样，有助于提升电力行业的协同化程度，使得电力系统更加契合人们的需求。