專利名稱：基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)、多類型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及大型工業(yè)控制系統(tǒng)監(jiān)測、儀器故障診斷及能源信息管理技術(shù)領(lǐng) 域，尤其涉及一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)、多類型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
大型工業(yè)控制系統(tǒng)監(jiān)測、儀器故障診斷及能源信息管理的基礎(chǔ)是穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù) 采集系統(tǒng)。目前數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)多基于0SI/RM(0pen Systemlnterconnection/Reference Model)模型、TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)協(xié)、議禾口 CAN (Control Area Network)總線，在控制面向多元化，系統(tǒng)面向分散化的發(fā)展趨勢下，逐 漸地暴露出0SI/RM在多種類型監(jiān)測點(diǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集的薄弱，TCP/IP在復(fù)雜控制指令作用 時(shí)數(shù)據(jù)采集傳輸魯棒性與安全性的不足，以及CAN與Internet互連的缺陷。無線傳感器網(wǎng) 絡(luò)技術(shù)為解決這類問題提供了一條新的途徑。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用以數(shù)據(jù)為中心、高密度 分布、多跳網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，使大規(guī)模監(jiān)測信息實(shí)時(shí)采集與傳輸變得自主穩(wěn)定。其高性能、低 成本、無需現(xiàn)場布線、儀器裝置改動(dòng)小、操作便捷等優(yōu)勢，特別適用于大型工業(yè)區(qū)的數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)是一種數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理 技術(shù)，以自組織無線聯(lián)網(wǎng)協(xié)同方式應(yīng)用于監(jiān)測和控制領(lǐng)域。該技術(shù)最初由UC Berkeley的 William J. Kaiser教授提出，為自動(dòng)感知監(jiān)測區(qū)域信息而設(shè)計(jì)的微型無線節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。隨著微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展和日益成熟，使得制造 大量體積小、功耗低，同時(shí)具有感知能力、計(jì)算能力和通信能力等多種功能于一身的智能微 型傳感器成為可能。這些新一代智能傳感器節(jié)點(diǎn)(簡稱智能節(jié)點(diǎn))可以感知周圍的環(huán)境， 并對數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，同時(shí)可以通過無線通信模塊進(jìn)行相互通信。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就 是由大量智能節(jié)點(diǎn)協(xié)同組織起來所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。

實(shí)用新型內(nèi)容為了克服現(xiàn)有大多數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測信息較為單一、部署安裝較為復(fù)雜、魯棒性 差的缺陷，本實(shí)用新型提供一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)、多類型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng) 是以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、全方位、多變量的復(fù)雜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本實(shí)用新型解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)、多類型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，包括至少一臺監(jiān)測主機(jī)、至少 一個(gè)基站和多個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，智能節(jié)點(diǎn)監(jiān)測電流、電壓和功率因數(shù)，并通過無線、多跳方式經(jīng) 基站將信息傳送至監(jiān)測主機(jī)；監(jiān)測主機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)融合和智能信息處理。其中，智 能節(jié)點(diǎn)數(shù)量和類型的選取可依據(jù)具體應(yīng)用定制。上述監(jiān)測主機(jī)為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，運(yùn)行windows操作系統(tǒng)和C程序編寫的監(jiān)測應(yīng) 用軟件。監(jiān)測主機(jī)具有電量計(jì)算、儀器故障診斷及能源信息管理等功能。上述基站由8位嵌入式微處理器單元、無線射頻單元、USB接口單元和電源單元組成，USB接口單元與微處理器單元連接，微處理器單元與無線射頻單元連接，電源單元與微 處理器單元連接?；就ㄟ^USB接口單元和監(jiān)測主機(jī)相連，基站支持ZigBee協(xié)議無線通信， 實(shí)現(xiàn)與無線傳感器智能節(jié)點(diǎn)雙向通信，并完成數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)。上述智能節(jié)點(diǎn)包括監(jiān)測電流、電壓、功率因數(shù)三種類型，具體數(shù)量和類型的選取可 依據(jù)應(yīng)用定制。智能節(jié)點(diǎn)由8位嵌入式微處理器單元、無線射頻單元、傳感器標(biāo)準(zhǔn)485接口 單元和電源單元組成，微處理器單元分別與無線射頻單元、傳感器單元、電源單元連接。智 能節(jié)點(diǎn)可以獲取監(jiān)測信息，并進(jìn)行簡單的智能處理。智能節(jié)點(diǎn)間以及智能節(jié)點(diǎn)和基站間可 以進(jìn)行雙向通信。通信協(xié)議支持sMAC、IEEE 802. 15. 4和ZigBee三種。本實(shí)用新型的有益效果在于基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是對多點(diǎn)、多 類型信息監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)兩個(gè)方面的擴(kuò)展，一是系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展，突破數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)現(xiàn)有0SI/RM模型、TCP/IP協(xié)議、CAN總線等有線連接系統(tǒng)模式，構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)化、實(shí)時(shí)智 能信息采集平臺，降低傳輸路徑復(fù)雜度，提高體系結(jié)構(gòu)可擴(kuò)展性和易維護(hù)性；二是信息多元 化的擴(kuò)展，將多點(diǎn)、多種類型數(shù)據(jù)交互技術(shù)嵌入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使其具有信息共享與互操作 功能，有利于數(shù)據(jù)分析和挖掘，提供全面的決策支持。該采集系統(tǒng)適用于大型工業(yè)控制系統(tǒng) 監(jiān)測、儀器故障診斷及能源信息管理目的。
圖1是本實(shí)用新型基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)、多類型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖。圖2是本實(shí)用新型基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)、多類型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖3是本實(shí)用新型的基站結(jié)構(gòu)框圖。圖4是本實(shí)用新型的智能節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖1所示，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)、多類型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由監(jiān)測主機(jī)、基站 和智能節(jié)點(diǎn)組成，可依據(jù)具體應(yīng)用定制智能節(jié)點(diǎn)的數(shù)量和類型，但系統(tǒng)至少包含一臺監(jiān)測 主機(jī)和一個(gè)基站。監(jiān)測主機(jī)通過USB接口單元與基站通信，接收基站轉(zhuǎn)發(fā)的多個(gè)傳感器的信息，并 進(jìn)行電量計(jì)算、儀器故障診斷及能源信息管理等處理?；就ㄟ^USB接口單元和監(jiān)測主機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)電流、電壓和功率因數(shù)等信息的傳 輸；基站支持ZigBee協(xié)議無線通信方式接收來自智能節(jié)點(diǎn)的采集信息，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給監(jiān) 測主機(jī)，或?qū)⒈O(jiān)測主機(jī)的指令通過基站發(fā)送給智能節(jié)點(diǎn)。智能節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集大型工業(yè)控制系統(tǒng)中儀器儀表、電氣裝置的電流、電壓和功率 因數(shù)等數(shù)據(jù)信息，以無線通信方式，支持SMAC、IEEE 802. 15. 4和ZigBee協(xié)議，實(shí)現(xiàn)智能節(jié) 點(diǎn)間以及智能節(jié)點(diǎn)和基站間的雙向通信。如圖2所示，監(jiān)測主機(jī)為基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)、多類型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信 息處理模塊，選用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，CPU為celonl. 6GHz，512M內(nèi)存，40G硬盤，10個(gè)RS485通 訊接口，主從USB接口和兩個(gè)串口 ；運(yùn)行windows操作系統(tǒng)?；緸閿?shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信息傳輸模塊，由8位嵌入式微處理器單元、無線射頻單 元、USB接口單元和電源單元組成。智能節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的信息采集模塊，具體數(shù)量和類型的選取可依據(jù)應(yīng)用定
4制。每個(gè)智能節(jié)點(diǎn)都是由8位嵌入式微處理器單元、無線射頻單元、傳感器標(biāo)準(zhǔn)485接口單 元和電源單元組成。如圖3所示，基站由8位嵌入式微處理器單元、無線射頻單元、USB接口單元和電 源單元組成。微處理器單元為Freescale MC9S08GT60控制器，配有復(fù)位及其外圍電路， 以SPI、GPIO接口方式分別與無線射頻單元、USB接口單元相連。無線射頻單元由MC13193 射頻芯片、F型PCB天線和外圍電路構(gòu)成。USB接口單元選用CH375USB接口芯片，實(shí)現(xiàn)從 USB接口輸出。電源單元由電池、穩(wěn)壓電路、濾波電路和電源優(yōu)化管理電路組成，采用7. 2V, 1200mAH鋰電池供電，RC典型電路濾波，LM78L05和LP2950兩次穩(wěn)壓，TPS76350電源管理， 實(shí)現(xiàn)5. 7V和3. 3V輸出，工作電流120mA。如圖4所示，智能節(jié)點(diǎn)由8位嵌入式微處理器單元、無線射頻單元、傳感器標(biāo)準(zhǔn)485 接口單元和電源單元組成。其中，微處理器單元、無線射頻單元和電源單元與基站對應(yīng)構(gòu)成 單元相同。傳感器標(biāo)準(zhǔn)485接口單元采用MAX485芯片完成電平轉(zhuǎn)換。綜上所述，本實(shí)用新型基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)、多類型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，由多種 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能節(jié)點(diǎn)、基站和監(jiān)測主機(jī)等組成，充分利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織性、 魯棒性等優(yōu)點(diǎn)，對大型工業(yè)、企業(yè)能源信息管理的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，融合與智能數(shù)據(jù)處理，構(gòu) 建以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為核心的動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、全方位、多變量的復(fù)雜數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)?；跓o線 傳感器網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)、多類型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)改進(jìn)了現(xiàn)有大多數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測信息較為單 一、部署安裝較為復(fù)雜、魯棒性差的不足，與現(xiàn)有的系統(tǒng)相比，在信息采集的多樣性，獲取信 息的準(zhǔn)確性、可靠性、實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)的魯棒性、廉價(jià)性等方面，都有很大的改進(jìn)。
權(quán)利要求基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)、多類型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括至少一臺監(jiān)測主機(jī)、至少一個(gè)基站和多個(gè)智能節(jié)點(diǎn)，智能節(jié)點(diǎn)監(jiān)測電流、電壓和功率因數(shù)，并通過無線、多跳方式經(jīng)基站將信息傳送至監(jiān)測主機(jī)；監(jiān)測主機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)融合和智能信息處理。
2.如權(quán)利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)、多類型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在 于，所述監(jiān)測主機(jī)為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。
3.如權(quán)利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)、多類型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在 于，所述基站由微處理器單元、無線射頻單元、USB接口單元和電源單元組成，基站通過USB 接口單元與監(jiān)測主機(jī)相連，USB接口單元與微處理器單元連接，微處理器單元與無線射頻單 元連接，電源單元與微處理器單元連接。
4.如權(quán)利要求1所述的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)、多類型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，其特征在 于，所述智能節(jié)點(diǎn)由微處理器單元、無線射頻單元、傳感器單元和電源單元組成，微處理器 單元分別與無線射頻單元、傳感器單元、電源單元連接。
專利摘要本實(shí)用新型的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)、多類型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，適用于大型工業(yè)控制系統(tǒng)監(jiān)測、儀器故障診斷及能源信息管理領(lǐng)域。該系統(tǒng)至少包含一臺監(jiān)測主機(jī)、一個(gè)基站，以及多種類型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能節(jié)點(diǎn)。智能節(jié)點(diǎn)監(jiān)測電流、電壓和功率因數(shù)，并通過無線、多跳方式經(jīng)基站將信息傳送至監(jiān)測主機(jī)；監(jiān)測主機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)融合和智能信息處理。本實(shí)用新型基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的多點(diǎn)、多類型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)改進(jìn)了當(dāng)前大多數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測信息較為單一、部署安裝較為復(fù)雜、魯棒性差的不足，與現(xiàn)有的系統(tǒng)相比，在信息采集的多樣性，獲取信息的準(zhǔn)確性、可靠性、實(shí)時(shí)性，系統(tǒng)的魯棒性、廉價(jià)性等方面，都有很大的改進(jìn)。
文檔編號H04W84/18GK201732467SQ20102024471
公開日2011年2月2日 申請日期2010年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月2日
發(fā)明者姜長泓, 王盛慧, 金星 申請人:長春工業(yè)大學(xué)