[科普中国]-无线数据采集系统

背景及意义

无线数据采集是现代信息通信研究的重要组成部分，它与传感器网络、信息处理等作为现代数据监测控制的基本技术。由于采集环境的限制，在多数领域中有必要将采集到的数据经过传输网络在主控制中心显示和控制，再通过中央控制器对所测环境下的变化进行监控。在很多领域，应用该系统可以采集到温度、湿度、光照等数字和模拟信号，再将采集到的参数进行相应的处理后，可以供用户监测和控制系统。在数据传输的方式上，可以分为有线和无线传输两种。现在传统的数据采集系统都是通过有线传输方式进行的，它具有速度快、可靠性高、工作稳定等优点，但同时这种采集方式易受环境和采集数据形式的影响。在很多场合，比如人员无法到达的偏僻环境，有高腐蚀性、现场无法利用明线连接等环境，选择有线数据采集传输系统显然己无法满足数据采集和传输的需要。另外，为了一次数据采集而去架设有线网络的人力物力经济投资都比较大，形成了资源浪费。在这种情形下，无线数据采集方式就成为了一种行之有效的替代方式。

随着射频收发技术、微电子技术以及集成电路的发展，无线通信技术取得了较大发展，在设计成本、传输速率、可靠性方面均取得了长足进步。正在慢慢的发展到有线网络传输的水平。工业现场采用无线数据采集技术己成为新的发展趋势，可以解决以往传统数据采集中存在的问题，提高系统的适用性。

研究现状无线数据传输技术在短距离无线通信领域中，蓝牙、无线局域网和红外技术己经广泛应用于人们的生产生活中，ZigBee, NFC, RFID和一些无规范化的超高频无线传输是最具有发展和应用潜力的通信技术。另外，GPRS在远距离无限通信技术中优势突出，具有相对成熟的应用技术。根据不同的无线通信技术的自身特点，其应用场景也不同。

蓝牙(Bluetooth)技术是基于IEEE 802.15.1标准开发的一种短距离无线数据传输技术。该技术采用跳频技术和扩频技术，在2.4GHz频段实现时分双工模式下的全双工传输，提供一点对多点的数据业务。目前，蓝牙协议栈相对比较成熟，可应用在低功耗、近距离和低成本的场景。

无线局域网(Wi-Fi)是基于IEEE 802.11标准的无线通信技术，工作在2.4GHz频段，是以太网的一种无线扩展，其电波的覆盖范围广，传输速率高。目前，我国正在积极扩大城市}fFI的覆盖。相比之下，国外的WIFI技术发展较成熟，部分国家WIFI网络己覆盖全国。此外，一些前沿的公司己经开发出兼容2.4GHz频段的5GHz的新产品，因此，WIFI技术在未来将有良好的发展前景。

红外(IrDA)技术是一种借助于红外线的点对点通信技术。应用该技术的移动通信设备简单易用且连接方便，具有功耗低、体积小的特点。目前，红外技术的数据传输速率发展到16Mb/s，但由于红外的两个设备之间必须对准并且之间不能有阻隔物，因此阻碍了该技术在其他特殊领域的应用。

ZigBee技术是基于802.15.4标准的无线通信技术，ZigBee节点间的通信距离理论值是85m。主要特点是:成本低、功耗低、传输距离短、工作频段灵活。国内主要为2.4GHz，欧洲是868MHz，美国是915MHz。目前，ZigBee协议相对比较成熟，且节点结构的划分比较多样化，己在短距离、小面积无线数据采集系统应用中占据一定比例，可以覆盖普通家庭及办公室环境。

GPRS是利用TDMA信道提供数据传递的通信技术，它介于2G和3G移动通讯之间(通常被称为“2.5G")。在分组交换模式下，用户利用GPRS数据和信令完成基于移动基站的数据传输。这种基于公网的远距离无线通讯系统可以避免因地形和阻碍物产生的盲区，免去架设天线成本费用，但需定期向运营商缴纳一定的GPRS流量费用。

无线数据采集的现状上世纪80年代，西方发达国家通过有线网络连接终端数字传感器，完成数据的实时、连续和完整采集，减轻传统人工手动现场数据录入的工作量。这种方式的数据传输速度快、可靠性高，但是物理布线繁琐，可移动性差且传输的范围不大。

近年来，随着射频芯片和无线通信技术的发展，综合利用嵌入式系统和数字传感器技术形成了新一代的无线数据采集系统，自动组网完成数据的数字化采集。其中无线数据的传递方式多种多样，各种传输方式拥有自身的特点，适用于不同的采集环境。设计无线采集系统需要考虑的因素主要包括：成本、安装的便利性、组网灵活性、设备利用率和维护难易程度。目前，无线采集系统正趋于网络化和智能化发展。

目前，数据采集系统主要通过蓝牙技术、ZigBee技术和GPRS技术完成节点间数据的无线传输。三种通信技术拥有各自的特点，适用于不同的采集环境，其中蓝牙技术适用于短距离无线数据传输领域；ZigBee技术主要应用于大量节点的数据传输领域；GPRS是远距离无线数据传输的首选。

传统数据采集系统的设计模式为：PC机作为数据处理和存储中心，完成采集数据的实时显示和历史数据的存储;单片机作为数据采集终端和传输的核心，主要完成数据采集和传输工作。在这种模式下，需要设计PC机与单
片机之间通信协议，实现PC机与单片机之间的数据交互。该模式成本较高、体积较大、不便于携带，并且PC机需要安装和设计必要的应用软件，如果在空旷环境，PC机的用电来源情况还需要额外控制，不便于移动。

当前数据采集系统的设计模式为：用嵌入式ARM开发板替换传统PC机，结合经过内核裁剪和性能优化的嵌入式Linux操作系统，将数据无线收发芯片直接集成到ARM开发板中，完成基于嵌入式操作系统的无线射频芯片的驱动开发，实现ARM直接控制无线射频芯片，完成数据采集任务。与传统模式相比，其优点表现为：节点布局灵活、成本低、节能和维护简单等。

设计原则提高系统可靠性无线数据采集是一项关系到生活、生产和社会发展的关键技术，要求系统必须能够实时可靠地采集、传输和处理数据，设备在无人值守的情况下能够正常连续的工作，以便监控中心的工作人员能够根据当前的采集数据做出相应部署。

确保系统的实用性要求所设计的系统操作简单易行、安装容易、易于维护，系统的软件设计采用面向对象的界面设计方法，也提高了系统的可操作性。

增加系统的适应性无线数据采集系统的安装范围比较广泛，各种环境和工业现场也不尽相同，这就要求系统能够具有较强的适应性，能够稳定运行在各种不同的环境中。

实现系统的网络化系统不仅能够采集数据，还能够按相应的要求进行实时监测、科学处理、精确分析、快速上传等操作，以便管理人员进行数据查询。1

模式远程数据采集技术的出现，是计算机网络技术与通信信息技术相结合的必然结果。早期的远程数据采集技术是非在线，非实时的采集方式，而现代的远程采集技术则是实时的在线的采集方式，借助于现代的计算机技术、互联网技术和通信技术，采集者可以依靠安装在现场的各种各样的传感器设备，可以远隔千里就可以获得现场的实时数据，对现场的情况进行监督和分析。伴随着通信技术的发展，出现了以下三种的远程数据采集的模式。

人工远程采集的方式
这种方式是通过人工采集的方式对现场参数及情况进行记录，然后带回总控室由工程师来进行分析。这就包含了太多的人为方面的因素，无法实现实时的数据采集，存在很多的弊端，这是比较原始的数据采集方式。

有线网络远程采集的方式
有线网络远程采集是现代远程采集的模式，是将现场各个采样点通过通信线连成网络，根据通信方式的不同，可以有光纤网、以太网等，这种方式也是现在使用的较多的一种方式。其显著特点是用现场的采样设备将各种传感器获取的信息转变为数字信号，然后通过网络传送给远程的监控中心。远程监控工程师再利用计算机和数字信号处理技术对收到的信息进行分析和处理。由于数字信号远程传输的准确性高，不受时间和空间影响，因而可以实现真正意义上的实时在线远程数据的采集和监控。但是这种方式也存在着很多弊端，比如，网络铺设投资大，易受距离限制等。

无线网络远程采集的方式
无线网络远程数据采集又分为两种：一种是单独构建的无线网，另一种是利用移动公司的GSM。第一种方式由于自己要进行网络构建，其工作量是相当的大的，包括传输设备，中继站，传输协议制定。第二种利用GSM网络来实现，这类采集系统的通信方式是依托移动公司的GSM网，它的最大特点是打破了距离的限制，可以实现全国乃至全球漫游的数据采集。这类方式主要是利用GPRS数据业务通过 Internet进行通信，GPRS技术传输速度快，永远在线，用GPRS技术实现的采集系统，实时性强，安全可靠，既避免了开发新的频率资源，又开辟了远程监控的新领域。该系统具有网络覆盖范围广，系统抗干扰能力强，通信速度快，通信误码率低等优点‘”。随着GPRS网络技术的不断发展，构筑在GPRS网上的远程无线采集系统必将与移动通信技术的发展同步，具有非常广阔的前景。

优点有线通信是一种通信方式，狭义上现代的有线通信是指有线电信，即利用金属导线、光纤等有形媒质传送信息的方式。光或电信号可以代表声音，文字，图象等。这种有线数据通信方式可以传输数字信号或模拟信号，它有着自身的优点：一般受干扰较小，可靠性，保密性强。但是，通信建设费用大，很多偏远的地区或现场有线的通信方式比较难于实现，甚至很多情况下根本不能实现，这是有线通信方式的弊端，成为有线通信发展的一个瓶颈，导致有线通信方式发展受阻。那么采用有线通信方式的数据采集的发展相应就会受到严重的影响。基于有线通信方式有自身安全性比较好的优点，使得有线的通信方式、以及采用有线方式通信的数据采集限制在外界环境比较好、或者数据采集任务比较容易的场合。

在这种情况下，也随着计算机和微电子技术的发展，无线通信方式应运而生，相应的采用无线通信的数据采集方式也很快的发展起来并成了数据采集发展的主流趋势。无线数据采集方式就是采集器通过无线信号把数据上传，既可以实时的采集数据，也可以批处理，并且采集数据时大大的减少了环境上的限制，上传数据时也非常方便。无线数据采集有其自身的优点：

1.安装便捷，只要安装一个或多个接入点AP ( Access Point)设备，就能很快的安装好。投资少，一个工业用的AP价格在几百到几千元之间，覆盖范围为半径30~300m；
2.使用灵活，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络；
3.经济节约，有线网络缺少灵活性，不能适应发展，而无线网络却能够灵活的进行配置，负载多的区域可以多加几个接入点，从而节约用户的前期投资；
4.易于扩展，无线网络有多种配置方式，能根据需要灵活选择；
5.速度快，目前可以达到几十Mbps，而且传输距离远，技术成熟，能够
满足大多数需要。2

有线、无线数据采集方式对比

从表中可以看出，有线、无线数据采集系统各有优劣，无线数据采集稳定性和抗干扰能力与有线数据采集系统相比略逊一筹，但是，无线数据采集有其使用方便、成本相对较低的突出优点，凭借这些优点，它在工程检测或监测系统中占据重要的地位，由此也得到了较快的发展。据研究了解，目前各学科的人才都在利用自己的学科优势，开始这个方面的研究工作，并且得了一些成就，比如，无线数据采集系统用于工业过程控制、油田钻井监测，城市自来水管网检测、甚至医学上人体健康监测等。但是，总的来说，目前的这些应用还处于初级阶段，在应用的过程中也存在着不少问题和困难。但是，随着各种技术的综合发展和应用，无线数据采集必将有更大的发展空间。