變速率無線實(shí)時(shí)最優(yōu)路徑數(shù)據(jù)精確采集系統(tǒng)及其采集方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集技術(shù)，具體涉及一種變速率無線實(shí)時(shí)最優(yōu)路徑數(shù)據(jù)精確 米集系統(tǒng)及其米集方法。
【背景技術(shù)】
[0002] "工業(yè)4.0"包含了由集中式控制向分散式增強(qiáng)型控制的基本模式轉(zhuǎn)變，目標(biāo)是建 立一個(gè)高度靈活的個(gè)性化和數(shù)字化的產(chǎn)品與服務(wù)的生產(chǎn)模式。在這種模式中，傳統(tǒng)的行業(yè) 界限將消失，并會(huì)產(chǎn)生各種新的活動(dòng)領(lǐng)域和合作形式。創(chuàng)造新價(jià)值的過程正在發(fā)生改變，產(chǎn) 業(yè)鏈分工將被重組。
[0003] "工業(yè)4. 0"項(xiàng)目主要分為兩大主題，一是"智能工廠"，重點(diǎn)研究智能化生產(chǎn)系統(tǒng)及 過程，以及網(wǎng)絡(luò)化分布式生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)現(xiàn)；二是"智能生產(chǎn)"，主要涉及整個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)物流 管理、人機(jī)互動(dòng)以及3D技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)過程中的應(yīng)用等。該計(jì)劃將特別注重吸引中小企業(yè) 參與，力圖使中小企業(yè)成為新一代智能化生產(chǎn)技術(shù)的使用者和受益者，同時(shí)也成為先進(jìn)工 業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)造者和供應(yīng)者。
[0004] 無論是建設(shè)"智能工廠"，還是實(shí)現(xiàn)"智能生產(chǎn)"，都離不開精確的數(shù)據(jù)采集。只有對(duì) 建筑、設(shè)備、物流、生產(chǎn)過程、工業(yè)過程，實(shí)現(xiàn)精確的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，才能進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)傳輸、 分析、轉(zhuǎn)化、決策，最終實(shí)現(xiàn)"智能工廠"和"智能生產(chǎn)"。
[0005] 現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集設(shè)備及數(shù)據(jù)采集方法，大多基于有線網(wǎng)絡(luò)傳輸，設(shè)計(jì)安裝過程中需 要考慮供電及信號(hào)線架設(shè)及信號(hào)因干擾導(dǎo)致精度下降等等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于以上現(xiàn)有技術(shù)中存在的這些問題，本發(fā)明提出一種變速率無線實(shí)時(shí)最優(yōu)路徑 數(shù)據(jù)精確采集系統(tǒng)及其采集方法，旨在實(shí)現(xiàn)無線通訊、電池續(xù)航10年以上、高精度。
[0007] 本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種變速率無線實(shí)時(shí)最優(yōu)路徑數(shù)據(jù)精確采集系統(tǒng)。 [0008] 本發(fā)明的變速率無線實(shí)時(shí)最優(yōu)路徑數(shù)據(jù)精確采集系統(tǒng)包括多個(gè)智慧數(shù)據(jù)采集單 元，多個(gè)智慧數(shù)據(jù)采集單元同時(shí)在一個(gè)區(qū)域內(nèi)工作，組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，通過無線通訊向外部的 遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)平臺(tái)發(fā)送數(shù)據(jù)；每一個(gè)智慧數(shù)據(jù)單元包括電池、無線采集裝置和傳感器探頭，無線 采集裝置和傳感器探頭分別與電池連接，傳感器探頭采集物理數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)后傳 輸至無線采集裝置，無線采集裝置將數(shù)據(jù)傳輸至外部的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)平臺(tái)；其中，無線采集裝 置包括依次通過內(nèi)部總線連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)過濾器、變速率傳輸器和最優(yōu)路徑自組 網(wǎng)無線通訊器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器將來自傳感器探頭的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)過濾 器，數(shù)據(jù)過濾器將非正常數(shù)據(jù)以及不符合正常趨勢的數(shù)據(jù)過濾掉，將符合正常趨勢的數(shù)據(jù) 傳輸至變速率傳輸器，變速率傳輸器將超過發(fā)射閾值的數(shù)據(jù)傳輸至最優(yōu)路徑自組網(wǎng)無線通 訊器，最優(yōu)路徑自組網(wǎng)無線通訊器通過計(jì)算路徑能耗、信號(hào)質(zhì)量和路徑壽命的加權(quán)值，選擇 出多個(gè)智慧數(shù)據(jù)采集單元構(gòu)成的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中的最優(yōu)路徑，將數(shù)據(jù)通過最優(yōu)路徑傳輸至外部 的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)平臺(tái)。
[0009] L個(gè)智慧數(shù)據(jù)采集單元I、W2、W3、同時(shí)在一個(gè)區(qū)域里工作，其中L為彡3的 自然數(shù)，組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于第k個(gè)智慧數(shù)據(jù)采集單元W k進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將數(shù)據(jù)發(fā)送至外部 的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)平臺(tái)，第k個(gè)智慧數(shù)據(jù)采集單元Wk將數(shù)據(jù)直接發(fā)送至外部的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)平臺(tái)；或 者，W k通過除自身以外的一個(gè)其他智慧數(shù)據(jù)采集單元作為路由將數(shù)據(jù)發(fā)送至外部的遠(yuǎn)端數(shù) 據(jù)平臺(tái)，即1以^作為路由，數(shù)據(jù)由^傳輸至Wp再由W廣輸至外部的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)平臺(tái)，完成 數(shù)據(jù)傳送，其中，r為彡L的自然數(shù)，且r辛k ;或者，Wk通過除自身以外的兩個(gè)其他智慧數(shù) 據(jù)采集單元作為兩級(jí)路由將數(shù)據(jù)發(fā)送至外部的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)平臺(tái)，即W k&Wp和Wq作為路由，數(shù) 據(jù)由Wk傳輸至W p，再由Wp傳輸至W q，最后由Wq傳輸至外部的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)平臺(tái)，完成數(shù)據(jù)傳送， 其中，p和q分別為彡L的自然數(shù)，p和q辛k，且p辛q。
[0010] 本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提供一種變速率無線實(shí)時(shí)最優(yōu)路徑數(shù)據(jù)精確采集方法。
[0011] 本發(fā)明的變速率無線實(shí)時(shí)最優(yōu)路徑數(shù)據(jù)精確采集方法，L個(gè)智慧數(shù)據(jù)采集單元I、 W2、W3、···[同時(shí)在一個(gè)區(qū)域里工作，其中L為彡3的自然數(shù)，組成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸， 對(duì)于第k個(gè)智慧數(shù)據(jù)采集單元Wk進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，包括以下步驟：
[0012] 第一步：數(shù)據(jù)高精度采集：
[0013] 傳感器探頭采集物理信號(hào)，傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，生成當(dāng)前時(shí)刻Ts的數(shù)據(jù)DATA[Ts]， 通過無線采集裝置的內(nèi)部總線傳至數(shù)據(jù)過濾器，其中，Ts為當(dāng)前時(shí)刻，Ts距離0點(diǎn)的毫秒數(shù) 為s，S為毫秒數(shù)；
[0014] 第二步：高效數(shù)據(jù)過濾：
[0015] 1)數(shù)據(jù)過濾器判斷當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)DATA[TS]是否在正常區(qū)域，若處于正常區(qū)域， 即DATA[Min]〈DATA[Ts]〈DATA[Max]，則判斷當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)DATA[TS]為正常數(shù)據(jù)，進(jìn)入步 驟2)，否則判斷為非正常數(shù)據(jù)，返回第一步，則非正常數(shù)據(jù)被過濾掉，其中，DATA[Min]為正 常區(qū)域的最小值，DATA [Max]為正常區(qū)域的最大值；
[0016] 2)對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)DATA[TS]進(jìn)行趨勢比對(duì)，若當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)DATA[TS]符合 正常趨勢，則進(jìn)入步驟3)，否則返回第一步，則不符合正常趨勢的數(shù)據(jù)被過濾掉；
[0017] 3)數(shù)據(jù)過濾完成，數(shù)據(jù)過濾器將正常數(shù)據(jù)且符合正常趨勢的數(shù)據(jù)DATA通過無線 采集裝置的內(nèi)部總線傳至變速率傳輸器；
[0018] 第三步：數(shù)據(jù)變速率傳輸：
[0019] 變速率傳輸器將數(shù)據(jù)DATA與上次發(fā)送成功的數(shù)據(jù)％_進(jìn)行對(duì)比，判斷是否發(fā)生變 化，若發(fā)生改變則傳輸至最優(yōu)路徑自組網(wǎng)無線通訊器，否則返回第一步；
[0020] 第四步：最優(yōu)路徑自組網(wǎng)無線通訊：
[0021] 1)對(duì)第k個(gè)智慧數(shù)據(jù)采集單元Wk進(jìn)行路徑測試，Wk安裝位置確定后，Wkg動(dòng)廣播 測試數(shù)據(jù)DATAT，測試數(shù)據(jù)DATAT通過整個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)傳輸至外部的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)平臺(tái)，根據(jù)外部 的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)平臺(tái)收到后返回的應(yīng)答信號(hào)ACK，確定路徑表，路徑表包括直發(fā)路徑表、單跳路 徑表和雙跳路徑表；
[0022] 2)智慧數(shù)據(jù)采集單元之間按預(yù)定時(shí)間間隔Tx測試路徑表中的每個(gè)路徑上的路徑 能耗Ρ、信號(hào)質(zhì)量Q和路徑壽命LT的加權(quán)值S，找出加權(quán)值最低的路徑為最優(yōu)路徑，并與當(dāng) 前選用路徑的路徑能耗Ρ、信號(hào)質(zhì)量Q、路徑壽命LT的加權(quán)值S比較，若降低則采用最優(yōu)路 徑為當(dāng)前路徑，若沒有降低則不更換路徑；
[0023]3)最優(yōu)路徑自組網(wǎng)無線通訊器按照選定的路徑，將數(shù)據(jù)DATA發(fā)送至外部的遠(yuǎn)端 數(shù)據(jù)平臺(tái)，完成本次數(shù)據(jù)采集，返回第一步進(jìn)行下一個(gè)數(shù)據(jù)采集。
[0024] 其中，在第一步中，數(shù)據(jù)高精度采集具體包括以下步驟：
[0025] 1)傳感器探頭將物理信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，物理信號(hào)包括： 壓力、溫度、流量和電流等；
[0026] 2)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將傳感器探頭轉(zhuǎn)化的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字的當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù) DATA[TS]，并通過無線采集裝置的內(nèi)部總線傳至數(shù)據(jù)過濾器，其中，TS為當(dāng)前時(shí)刻，Ts距離0 點(diǎn)的毫秒數(shù)為S，S為毫秒數(shù)。
[0027] 在第二步的步驟2)中，趨勢比對(duì)具體包括以下步驟：
[0028] i.數(shù)據(jù)過濾器在運(yùn)行過程中記錄當(dāng)前時(shí)刻Ts之前N個(gè)采集周期連續(xù)采集的正常 數(shù)據(jù)：DATA[TsN]、DATA[TsN+1]......DATA[Ts2]、DATA[TsJ，形成過濾樣本庫，其中每一個(gè)正 常數(shù)據(jù)為一個(gè)樣本，其中，N為自然數(shù)且5000 ;
[0029] ii.過濾樣本庫打包成組：將樣本庫中的N個(gè)樣本依次步進(jìn)為1，每Μ個(gè)連續(xù)的 樣本組成一個(gè)基準(zhǔn)數(shù)組六1，從而形成Ν-Μ+1個(gè)基準(zhǔn)數(shù)組，其中i= 1、2、3......N，即A1 = {DATA[TsJ...DATA[TsJ}、A2 ={DATA[Ts2]...DATA[TsMJ}、A3 ={DATA[Ts3]...DATA[T sM2]}......AN={DATA[Ts _J· · ·DATA[TsN+1]DATA[TsN]}，其中，M為彡 2 的自然數(shù)；
[0030] iii.數(shù)據(jù)過濾器趨勢對(duì)比：將DATA[TSM]、DATA[TSM+1]、DATA[TSM+2]· · ·DATA[TSJ、 DATA[Ts]組成一個(gè)當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)組As={DATA[Ts]、DATA[TsJ、DATA[Ts2]...DATA[TsM+2]、 DATA[TSM+1]};將As中的M個(gè)數(shù)據(jù)依次與每一個(gè)Al. . .AN基準(zhǔn)數(shù)組內(nèi)的M個(gè)數(shù)據(jù) 進(jìn)行--對(duì)應(yīng)的求差Dj，其中j= 1、2、3......M，如果存在一個(gè)基準(zhǔn)數(shù)組六1，使得 一一對(duì)應(yīng)的求差Dj的最大值與最小值之間的差值與最小值的比值在趨勢閾值內(nèi)，即
則當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)DATA[Ts]符合正常趨勢，其中，dd% 為趨勢閾值，若遍歷整個(gè)N-M+1個(gè)基準(zhǔn)數(shù)組，都不存--對(duì)應(yīng)的求差Dj的最大值與最小值 之間的差值與最小值的比值在趨勢閾值內(nèi)，則當(dāng)前時(shí)刻的數(shù)據(jù)DATA[Ts]不符合正常趨勢。
[0031] 在第三步中，數(shù)據(jù)變速率傳輸具體包括以下步驟：
[0032] 1)變速率傳輸器收到數(shù)據(jù)DATA與上次成功無線發(fā)射數(shù)據(jù)Dsend求差，若差值與Dsend 的比值小于發(fā)射閾值，即
，其中，ss%為發(fā)射閾值，則認(rèn)為數(shù)據(jù) DATA沒有變化，不發(fā)送數(shù)據(jù)，返回第一步重新采集新的數(shù)據(jù)，否則進(jìn)入2);
[0033] 2)變速率傳輸器將數(shù)據(jù)