便攜式數據采集器的數據傳輸控制系統設計

(江西省信息中心，南昌 330036)

0 引言

網絡飛速發展，各項信息在網絡上聚集，為適應這種發展，數據采集器大量出現,能夠實現對數據的采集，但在此階段的數據傳輸過程會遇到各種問題。例如，在傳輸過程中存在數據丟失、數據傳輸效率低等問題。為此，許多科學家做出了海量研究。張弓[1]設計了手持式數據采集器系統，是數據的采集更為便捷快速，但存在控制精準度不高的問題。對于傳統數據采集器的數據傳輸控制系統，控制方式簡單、對于節點信息量的處理不均勻、難以達到準確識別的效果，降低了數據傳輸控制的可靠性。解永生對便攜式動態心電信號數據采集器進行了優化設計[2]，具有十分強大的并行計計算的能力。便攜式數據采集器的數據傳輸過程進行有效控制，可以有效避免數據通道擁塞及惡意網絡數據的攻擊，這種方法在為數據傳輸控制過程提供更多的便利的同時，也存在傳輸時間過長問題。為克服傳統控制系統設計的在控制精度方面的不足，本文設計了一種便攜式數據采集器的數據傳輸控制系統，優化數據傳輸過程的傳輸效率的同時，也降低的數據丟包率。闡述了系統的硬件構成及軟件算法實現流程，并基于實驗結果驗證了文中系統在控制數據丟包率控制及控制精度方面的優勢。

1 便攜式數據采集器的數據傳輸控制系統總體結構

現在網路環境極度不安全，數據傳輸過程中存在安全隱患，數據傳輸過程中數據的精度、安全性、以及傳輸效率都會受到上述原因影響。為此設計一種能夠改善這種狀況的系統——便攜式數據采集器的數據傳輸控制系統，它分為軟件和硬件兩個部分，通過對數據采集器結構的優化，完成對數據傳輸過程的有效控制。器總體結構共有三大部分，通過便攜式數據采集器對數據進行采集，然后通過數據核心器對采集到的數據進行處理，最后通過控制器對數據傳輸的準確性、安全性、以及傳輸效率進行控制，返回處理后的數據顯示給顯示器。通過這種核心處理器與控制器對數據傳輸過程處理，能夠快速識別和分析出數據傳輸的具體狀況，其總體結構圖，如圖1所示。

圖1 便攜式數據采集器的數據傳輸控制系統總體結構圖

2 應用FIFO芯片為核心的數據傳輸控制系統的硬件設計

便攜式數據信號采集器的數據傳輸控制系統的硬件分為3個模塊：數據采集模塊、數據處理模塊、顯示模塊。采集模塊擁有多個接受點，保證采集數據的完成采集，減少數據丟失，提高采集效率。應用FPGA轉換器接口對數據進行采集，然后通過核心處理器對采集過數據進行處理，去除冗余數據。最后將處理好的數據給DDR2 SDRAM進行存儲數據。這種采集、處理與顯示分割獨立的模式提高了數據傳輸控制系統的效率。其系統硬件結構圖如2所示。

圖2 數據傳輸控制系統硬件結構

采集模塊的節點傳感器為單總線數字式傳感器，具有三根外部引腳分別為數據輸入、輸出引腳和電源引腳。為保證電源系統的穩定性，數據采集模塊分別采用了外接電源和內部寄生電源兩種形式，允許的電壓區間為1.2～12 V。針對多通道數據并行傳輸的故障信號特點及節點傳感器的工作范圍，調整核心處理模塊中微處理器芯片所需的電壓及電流數值。對于采集模塊中電源單元電壓的信號而言，重點控制和調整的是電壓變送的范圍及高壓值，需要保持單次電壓輸入的穩定性，以保證控制系統信號采集模塊的正常工作。鑒于電源的輸出信號穩定與否能夠直接決定數據控制的精度，因此數據節點傳感器的引腳直接與電源的輸出端相連，電壓的輸出值也會影響電源單元輸出的電流強度和效率，如果模塊通道引腳輸出電流信號，電流強度的調節可以采用增減高精度電阻的方式實現，電源的處理電路圖，如圖3所示。

圖3 數據采集模塊電源電路示意圖

在處理內核應用FIFO芯片，充分顯示了FIFO芯片在高速系統中作為數據緩存的實用功能。使數據傳輸在容量、寬度、速度方面的提升，同時將無線收發通信技術和通用微處理器都集成于處理芯片之內，射頻芯片的相關參數如表1所示。

便攜式數據采集器的數據傳輸控制系統數據處理模塊是整個硬件系統的核心組成部分，將會直接影響到對便攜式數據采集器的數據傳輸控制的性能。由于在控制過程中集成FIFO芯片的工作頻率較高，通常會超過2.6 GHz，因此對于接口PCB的負載能力和傳輸能力要求較高，接口的設計缺陷會對數據的管控產生不利影響，造成數據傳輸丟失現象的發生。為了減少對分布參數和其他平行節點的影響，本文基于CC5480的設計方案，提高了網絡內其他成員節點強度的設計。而電路系統內的全部元器件，包括電感、電容及不同大小的電阻都采用優質貼片封裝，提高元器件的散熱性能，以保證動態控制系統的穩定性。在射頻天線的選擇方面選擇尺寸小、性能有的種類，同時還要考慮到成本和兼容性的因素。

表1 微處理器芯片參數表

基于云計算平臺中的分布模式，可以實現信號的實時傳輸與及時處理。核心處理模塊中的通信單元在數據傳輸時，采用節點傳輸的方式，每一個通信單元都是一個簇首節點[8]，通信單元周圍的通信節點都屬于普通成員節點。在通信能力方面，簇首節點的表現更強，這種設計理念也決定了核心處理模塊的數據控制和信號傳輸性能[9-10]。負責將數據采集模塊內的通過數據接收點獲得的信息傳遞到簇首節點，在由簇首節點實時地將采集到到的數據信息傳輸到數據處理模塊。

成員節點與簇首節點可以按照不同要求進行自身性能和參數的設計與調整，節點在不同的工作狀態下電壓和電流設計也略有不同，這種設計可以提高射頻天線的數據傳輸性能。采集模塊中的通信單元性能主要取決于簇首節點，除了將數據傳輸信息上傳到處理模塊，還兼顧了對通信單元內其他普通節點的管理，簇首節點具有遠距離數據收發的能力，內置功率放大器、轉換器和交換開關，實現信號的差分傳輸與低功耗元器件的組網連接。在節點不同的工作模式下，可以通過調整電阻偏離值的方式，設定系統模塊所需要的工作電流大小，電阻值也能夠與系統模塊的天線電路相匹配，以提高通信控制信號輸出質量。串行通信模塊對于系統電源質量的要求更高，在設計中保持電源電壓輸出與電流輸出的穩定性，并電流諧波及時地濾除，以減少對數據采集模塊和射頻數據處理模塊的電磁干擾。采集模塊的電力消耗加大，供電采用20 V電壓供電，此外系統還配備了臨時電源，以便電源發生故障時，能夠保證系統維持一段時間的正常工作。接口與顯示模塊將信息采集模塊和數據處理模塊所獲取的控制信息輸出顯示，以便工作人員能夠及時地掌握多通道數據信息傳輸的基本狀態，并做好預防性的維護措施。

基于云計算平臺的分布式結構，設計了便攜式數據采集器的數據傳輸控制系統的硬件結構，云計算技術又能夠為控制系統提供強大的并行計算功能，保證設計采集模塊與數據處理模塊的正常、高效工作。依托于硬件的基礎架構，本文在軟件設計方面本文系統基于IAR環境，設計了一套完整的便攜式數據采集器的數據傳輸控制軟件設計流程。

3 應用Ziggbee的數據采集系統的軟件設計

3.1 數據傳輸控制系統軟件流程

IAR是一種嵌入式系統開發軟件工具，自帶系統編程功能，而且還能夠為不同的客戶對象提供多樣化的系統人機交互界面，便捷友好。在系統軟件開發協議方面基于OS的可視化交互理念，構建了源于Zigbee的Z-Stack協議棧，并編制了相關的數據采集、處理、調用、添加及修改等執行程序，系統的總體工作流程圖，如圖4所示。

圖4 數據傳輸控制系統軟件實現流程

便攜式數據采集器的數據傳輸控制系統首先對各項參數進行初始化處理，判斷給MP/MC是否為0，不為零就從void ZM開始執行程序，為零則按照正常流程基于Z-Stack協議判斷系統的電壓電流是否符合軟件需求，在檢驗系統電源的電壓及電流情況后，對操作系統進行初始化處理，最后，調用控制層文件相關的程序如下：

osal_start_ZDAapp_inbit++

Int main(void**)

{……

osal_system:// _start

osal_menms(taskEvents**

unit task id=0

void HAL U0CSR index=uaitTx

while (!TXBY……

U0CSR&=

{……

void ZM sendDATE Request sdtadd

start =af pdate

……

在控制算法的選擇方面選用了Top-k動態控制算法。Top-k動態控制算法的主要優勢在于能夠有效控制數據采集穩定性，定位追蹤數據傳輸中數據發生擁塞或發生故障的具體位置，并相應地感知到位置的變化信息。Top-k動態控制算法基于云計算平臺的并行分布式計算優勢，在數據傳輸故障點位置定位方面精度較高，幫助用戶實時預警，快速尋找到數據擁塞的準確位置。此外在針對惡意攔截數據等異常事件的識別方面，Top-k控制算法為用戶進一步的分析與決策提供了數據支撐，降低誤判率和識別誤差。在對數據傳輸控制過程的控制過程中，控制系統的網絡開銷和能效比是一個重要的衡量指標。系統在運行過程中會受到來自于外界環境噪聲等因素的影響，用戶很難獲得精準的查詢數據和結果，在實際的使用過程中給用戶帶來較大的不便。

3.2 數據傳輸控制軟件具體實現

Top-k動態控制算法的基本思想是為實時的查詢結果集合{a1，a2，......，an}建立相對應的過濾器集合{F1，F2，......，Fn}，當節點逐步超出了過濾器的半徑范圍之外，簇首節點就會向附近的普通節點發送相關的感知信息，以減少不必要的網絡開銷。Top-k動態控制算法致力于對便攜式數據采集器的數據傳輸的準確性及系統本身的能耗，可以獲取到最為近似的查詢和控制結果，以降低通信的復雜性和網絡開銷。算法根據近似檢測期望值的基本內涵去感知數據之間的相關性，并以最小的代價實現對數據傳輸過程的有效控制。設在t時刻傳輸數據的集合，可以表示為：

St={a1(t),a1(t),......,an(t)}

(1)

集合中感知數據的基本排名方式可以定義為γ(xi,St)：

γ(xi,St):|{i|ai(t)≥xi}|

(2)

那么此時基于Top-k動態控制算法獲取的控制結果可以表示為Top(n,St)，滿足如下條件：

(3)

如果簇首節點的感知范圍沒有超出過濾器的最大限度，那么為了節省節點的能耗開銷不用向普通節點發送感知信息，以獲得最低的能耗損耗。為了提高對多通道數據傳輸的控制精度，降低過濾模型Pγ(xi,Fi)的控制失敗概率，在節點之間信息傳輸中較大的閾值范圍設定減少了控制失敗的概率，此時設定最優的過濾器閾值模型，在節省節點能耗的同時，縮小了信息傳輸閾值的設定范圍，最小閾值期望表示為：

min∑an(t)·Pγ(xi,Fi)+∑Fn(t)·Pγ(yi,Fi)

(4)

為了更靈活的控制便攜式數據采集器的數據實時傳輸情況，Top-k動態控制算法基于感知數據的正向、負向擾動幅值而適度調整信息傳輸的閾值范圍，及控制失敗的概率。多通道數據的正負擾動幅值κ+(i)和κ-(i)可以描述為：

(5)

(6)

感知數據超出正常閾值范圍的正向擾動和負向擾動分別表示為κ+(i)和κ-(i)，那么基于Top-k動態控制算法的數據傳輸率表示為：

(7)

采用Top-k算法動態控制多通道數據傳輸的事件過程中，模型可以感知到通信節點部署區域內數據的擁塞情況，并預警管理者采取積極的調度機制，平衡各通道內的數據分布。數據協調時可以充分利用云平臺并行計算的能力，感知節點半徑內的惡意數據和擁塞位置，并采取多跳傳輸的模式，將實時的解決方案傳輸到工作節點。由于簇首節點的能耗節約問題是保證控制活動的重要環節之一，因此需要實時注意關鍵節點的能耗，降低控制過程的總體能耗及失敗率。

便攜式數據采集器的數據傳輸控制系統事件函數的調用要根據時間順序，調用函數還需要與基于STM32的手持式數據采集器，并充分利用便攜數據采集器的的高效性和多通道的計算能力，并實時更新以保證對數據采集器的數據傳輸控制。本文設計一種全新的便攜式數據采集器的數據傳輸控制系統，介紹了系統的基礎硬件構成和各個模塊的基本功能，在軟件實現流程方面基于Top-k動態控制算法提高節點信息的匹配效率，降低了便攜式數據采集器的數據傳輸過程中數據丟失情況。

4 實驗部分

4.1 測試環境與資源配置

便攜式數據采集器的數據傳輸控制系統的硬件測試環境，包括聯想計算機20臺，CPU為因特爾酷睿i7、運行內存8 G、機身存儲1T、操作系統WINDOWS10、開發工具為IAR并基于Z-Stack軟件協議，仿真環境下的實驗資源配置情況，如表2所示。

將動態控制系統進行組網測試并基于Z-Stack協議確定節點間的從屬關系。數據采集模塊控制到數據傳輸的情況，并將實時運行的具體情況傳輸到數據處理中心。測試了提出系統設計在數據傳輸過程中的數據丟失情況，及對數據傳輸穩定性的情況。

表2 動態控制系統資源配置表

4.2 實驗結果與分析

為驗證提出的便攜式數據采集器的數據傳輸控制系統的性能，將本文設計系統與傳統設計的基于線性拓撲結構的系統進行性能對比。首先將全部的控制節點更新至sink節點，觀測不同閾值范圍內及不同節點數量規模下，兩種控制系統的數據丟失情況，具體對比結果如圖5和圖6所示。

圖5 系統數據丟失與節點個數關系

第1組實驗驗證的是：隨著節點個數的增加，不同數據傳輸控制系統對于數據傳輸過程中的網絡數據丟失情況。兩種控制系統設計的初始值相同，當閾值增加到45時本文動態控制系統的數據傳輸量最大，數據丟失情況最小，而傳統系統的數據丟失情況明顯高于本文數據傳輸控制系統；隨著閾值范圍的不斷增加，兩種系統的數據傳輸量隨之波動，但本文系統的數據傳輸量一直高于傳統系統，數據傳輸效果一直高于傳統系統，因此可以得出便攜式數據采集器的數據傳輸控制系統在數據傳輸過程中減少數據丟失情況有重要作用。

第2組實驗測試在網絡節點規模不斷增加的情況下，傳統系統收集到的數據傳輸效率與本文系統收集到的數據傳輸效率進行對比。由圖6可知，隨著節點數的增加，本文系統收集到的數據一值高于傳統系統，當節點數據為40時，文中設計的系統收集數據效率最高，受到攔截影響最小；繼續進行5組數據傳輸對比實驗，研究兩種系統下對于惡意攔截數據的控制準確率，準確率的計算方法為攻擊識別次數比上總控制次數，仿真實驗數據統計如表3所示。

圖6 不同數據傳輸控制系統的數據傳輸情況

實驗次數數據傳輸的制準確率%基于線性拓撲結構系統設計本文系統192.3298.21293.61100388.2199.23489.1498.54591.2598.63平均值90.9198.92

上文5組實驗結果表明文中設計的數據傳輸控制系統，在針對數據傳輸過程中的冗余數據過多時，具有較高的準確率，平均值能夠達到98.92%，可以有效保證數據傳輸過程中的安全性。綜上所述，實驗結果證明了便攜式數據采集器的數據傳輸控制系統的有效性和實用性。

5 結束語

便攜式數據采集器主要負責對數據進行采集，在整個傳輸控制系統中起到了橋梁和紐帶的作用。為提高網絡的綜合負載能力及數據傳輸的安全性，目前網絡數據信息傳輸大都采用傳輸的模式。數據傳輸系統接口與信息采集系統的對應接口對接，依據數據分析處理的要求，對采集到的原始數據降噪及預處理，并按照一定方式和規則輸入最終的數據處理中心。便攜式數據采集器的數據傳輸控制系統可以提高網絡性能、降低網絡節點能耗及網絡開銷，但在數據傳輸中以受到惡意網絡數據的攻擊，各通道之間也存在數據分配不均衡的現狀。本文設計了一種便攜式數據采集器的數據傳輸控制系統，詳盡闡述了系統的硬件構成及軟件功能，驗證了文中系統的具體作用。實驗結果說明，設計的系統可以有效提高數據傳輸的安全性，提高數據運行效率。