基于YL—5000的多通道數據采集系統設計

晏細蘭+謝景明

摘要：傳統的手工數據采集方式需要耗費大量的人力和物力，并且也不能精確的分析和處理數據。該文設計了一種無線數據采集系統，該系統主要由MSP430149單片機和微功率無線數據模塊yl-5000組成。系統通過處于無線通信網絡中的數據采集終端接收和發送多通道數據，同時，通過使用上位機軟件精確的處理多通道數據。該文設計的數據采集系統可以用于數據的采集、管理、監督和控制，其性能支持和成本維護等工作效率均很高。該系統的應用場合非常廣泛。

關鍵詞：多通道；無線通信協議；離線地圖；監控軟件

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）04-0016-02

隨著科學技術的發展，無線傳感器網絡作為一門新興技術[1]，其在信息技術領域發揮著重要作用。F Cwei設計了一種基于ZigBee和android的遠程監控系統，該系統是提升了無線傳感器在網絡環境中的實用價值。LXwei探討了一種設計采集和監視的視覺系統。該系統擴展了數據采集的應用范圍[2-3]。但是，這種檢測系統的缺陷是其軟件構架是基于客戶機/服務器結構的，因此導致其不便擴展，且維護系統也較困難。本文介紹了一種監控系統，該系統是基于瀏覽器/服務器的結構，因此可以很好的解決推廣和維護中出現的問題，該系統適用于數字農業、衛生保健和數字工廠等場所的數據監控和設備監控。

1 系統總體設計

該系統主要由數據采集終端、微功率無線數據模塊yl-5000，MSP430149單片機和監控平臺四部分組成。系統包含多個數據采集終端，每個數據采集終端均包含各種傳感器和監控設備等，采集的數據從YL-5000無線數據模塊的一端發送到另一端，最后通過串口設備將數據傳送到PC機中。用戶可以從信息分析中得到信息的幫助從而監控和控制數據采集終端，計算機可以存儲大量的數據，同時方便的進行后面一系列的操作。

圖1顯示了具有雙通道數據系統的硬件結構，如果系統通道多于兩個，那么只需要在雙通道系統基礎上，根據通道數，增加終端、YL-5000集成板、存儲器、核心處理器的數量，再增加一些外圍電路即可。YL-5000集成板模塊是該系統的核心部件，該模塊的發送端連接核心處理器和存儲器（該存儲器用于存儲臨時數據），該模塊的接收端通過串行端口與PC機連接。PC機中提供了基于瀏覽器/服務器模型的數據監控軟件，用于數據存儲、數據統計、數據查詢、實時數據監控等。

YL-5000模塊是無線數據收發模塊[4]，該模塊具有高性能，低功耗且傳輸距離長的特點，其主要性能指標有如下幾項：

（1） 工作頻率有315MHz，433MHz，490mhz，868MHz和915兆赫。

（2） 工作電壓從9伏到24伏不等。輸出電壓為27dbm）

（3） 全速模式的最大功耗是25mA。等待模式的最大功耗是1000uA。睡眠模式最大功率消耗是250uA。

（4） 有效傳輸距離為5000。在幅員遼闊的地區，當數據傳輸到10公里時無干擾。

（5） 串聯速率變化從1200bps到 57600bps，默認值可以達到9600bps。

（6） 發送和接收數據的配置包含8個數據位，沒有停止位，也沒有奇偶校驗位。

最大功率全速模式下消耗電流25mA，這意味著它可以工作很長時間，其有效的傳輸距離可達10公里，滿足典型的無線傳輸距離要求，此外，同等功能條件下，該模塊比其他數據傳輸模塊的價格更低。

2 無線通信網絡協議的設計

2.1 無線通信網絡建立的過程和規則

無線通信模塊YL-5000是無線通信網的基本硬件組成部分，該系統利用一定的規則，將YL-5000模塊的發送端和接收端連接起來，并且要求其余的YL-5000模塊也要輪流發送數據，系統將無線通信模塊YL-5000的接收端定義為主端，將其發送端定義為從端。首先，在輪流詢問答方式中，主端向從端發送了一條命令幀，然后等待一段時間。從端接收到命令幀以后，從端發回數據響應幀到主端，如果從端不發回任何信息給主端，主端就會繼續發送數據給從端，直到時隙時間結束。然后命令幀就會被發送到另一個從端，不斷的重復上面的過程，直到所有的從端均被訪問到。

利用以下五個步驟，可以實現終端的無線通信：

（1） 在本系統中，YL-5000模塊的主端和從端均具有唯一的地址，例如，假設系統有16個數據采集終端，那么就把主端地址定義為0xff，而從端地址范圍為0x01 到0x16。

（2） 任何時候，只允許主端和一個從端進行通信。

（3） 主端起主導作用，而從屬終端則是在這個系統中的被動接受數據的作用。當終端沒有通信時，從端端處于監聽狀態。

（4） 在時隙時間內，主端有三次機會嘗試和從端進行通信以發送命令幀，如果該從端依然沒有和主端建立通信連接，那么該從端將會被標記。

（5） 在時隙時間內，如果主端發送了復位和數據發送終止命令，從端則會返回響應幀，而如果主端發送了數據請求指令，從端則會返回數據幀。

2.2 命令幀和響應幀的格式

使用標識符確定幀的類型，如果一幀標識符長度是68H，那么該幀為命令幀，如果長度是69H，那么就稱該幀為響應幀。地址長度為16位，如果是命令幀，顯示的就是接收地址，如果是響應幀，那么該地址就是發送地址。控制字的長度的長度為8位，控制字可以識別來自主端的不同命令，并且只存在于命令幀，如果它的值是01H，則表明主端要求從端重置，如果它的值是02H，則表明主端要求從端發送信息，如果它的值是03H，則表明主端禁止從端發送信息。結束標識符的長度為8位，它表明了幀結束，將結束標識符的值定義為34h，重復發送結束標識符可以降低幀誤判率。

2.3 數據幀

數據幀標識符的長度為8位，值定義為67H，接收端地址的長度16位，接收端地址給出的是主端的地址。數據采集終端編碼的長度為8位，每個終端均有對應的編碼以標記數據的獨特性。具體數據包括由數據采集終端采集到的各種信息，比如無線傳感器網絡節點中的濕度和地理位置等。

3 軟件設計

3.1 功能介紹

遠程監控軟件的基本功能是根據實際需要進行設置的，該系統旨在實現以下基本功能：

（1） 通信功能，實現數據采集終接收端與PC機之間的通信。

（2） 數據管理功能，使用數據庫技術存儲和管理數據和用戶信息。

（3） 用戶交流功能，它包括實時監控，實時顯示，歷史數據存儲和歷史數據查詢功能。

3.2 無線通信的實現

將YL-5000模塊的接收端和發送端之間的信息通信定義為縱向通信，將接收端和PC機之間的信息通信定義為橫向通信，縱向通信方式在前面的內容中已經做過介紹，橫向通信方式可以通過不同的方法實現。這里介紹一種使用HTTP超文本傳輸協議的方法實現異步通信。系統軟件中的橫向通信模塊和數據分析模塊可以使用java語言開發，邏輯檢查算法用于檢測數據錯誤，重傳機制用于被動地糾正錯誤，超時重傳機制用于正確激活錯誤。

3.3 監測網站

該網站是一個動態的網站開發過程，用于開發實時監控模塊、數據庫模塊和用戶管理模塊，這就要求建立一個編程平臺，該平臺包含windows系統、Web服務器、MySQL數據庫、超文本預處理器PHP和其編程語言例如超文本標記語言（HTML），CSS，JavaScript等。多通道數據采集系統經過了大范圍的長時間的工作測試，將系統波特率設置為9600bps，數據幀的長度設置為14byte，忽略收發方式的轉換時間和串行端口的傳輸時間，結果表明，數據庫中的個體數據每秒鐘更新3到4次。

4 結束語

本系統采用了一種成熟的無線網絡模式，該系統基于用戶自定義協議和微功耗無線數據傳輸模塊yl-5000所設計的。它的優點是低成本且擁有成熟的無線通信技術，這使得使該系統易于實現，除此之外，該系統也便于擴展，當然，該系統也有很多值得進一步研究的問題，如數據安全等。

參考文獻：

[1] 解亞妮，張志杰.基于NI PXI-5105的多通道數據采集系統的設計[J].2015，6（1）：7-12.

[2] F Chengwei，Z Lin，Y Jiangnan.Design of Intelligent Remote Monitoring System Based on ZigBee and Android[J]. TelevisionTechnology，2015，39（20）：38-42

[3] L Xiaowei.The Research of the Monitoring System Based on BeiDou For Remote Battling Vechile[D].Wuhan University of Technology，2013.

[4] 吳建，裴峰，王楠等.基于Labview 的多通道數據采集系統設計[J].電子測試，2013（z1）：52-54.