后勤物資采供信息遠程采集系統設計

繆曉斌

(福建商學院 后勤管理處，福州 350012)

后勤物資主要為各部門提供各項物資存儲與采供信息。隨著“智慧城市”的快速發展，物聯網逐漸滲透到各個工作領域，后勤物資采供與更多部門之間建立了共同關系，后勤物資采供信息數據量迅速增加，同時數據種類也發生了改變。

設計全新的遠程采集系統。更新系統硬件，設計控制和驅動電路；另外，設計一個輔助硬件的采集軟件，減少不必要的采集程序，縮短系統的工作時間，降低系統總體功耗[1]。

1 設計采集終端的電壓信號采集前端

電壓信號采集前端通過放大弱電壓信號、濾除高頻噪聲以及AD轉換，實現對后勤物資采供信息的采集。圖1為設計的采集終端信號放大以及濾波電路。

圖1 信號放大的電路

當電路的單級放大倍數過大時，閉環帶寬會限制該電路，同時引發自身振蕩。設計一個三級放大電路，將采集信號放大最值，設置在-10 V～+10 V之間。第一級采用AD620放大器。第二級、第三級電路主要功能為放大和濾波，因為AD620電路只能濾除高頻噪聲，無法處理頻率較低的噪聲，所以設計了一個二階低通濾波器電路，利用電阻電容值，確定低通濾波器截止頻率。由于后勤物資采供信息類型多樣、數據體量極大，針對這一實際情況，共設計了6路數據采集通道，為保證數據的真實性，不采用多通道共用AD轉換器的方式，而是令每個通道都擁有屬于自己的獨立AD，實現多個通道的同步采集。

選用的AD轉換器型號為AD7663，采樣頻率最大值為250 KS/s，同時該轉換器的采集電壓，在-11 V～+12 V之間，將信號輸入AD前，無需抬升電壓，也降低了噪聲信號的來源。采用總線方式維護通信速率，ADC轉換的部分電路，如圖2所示[2]。

在以往設計采集終端過程中發現，主控制器與外圍ADC轉換芯片之間速度不匹配，由于循環控制AD轉換器造成主控制器開銷浪費，因此，在設計采集終端的電壓信號采集前端過程中，使用硬件數據緩沖技術，應用過程如下：ADC芯片轉換完成后，將數據不間斷填到高速緩沖區，直至FIFO被裝滿，此過程中主控制器不執行讀取任務，當FIFO將要溢出數據時，系統硬件給出一個信號，然后主控制器再執行讀取任務，將轉換后的數據讀至內存。圖3為6個通道及FIFO接口電路圖[3]。

圖2 ADC轉換電路

圖3 6個通道及FIFO接口電路圖

通過重新設計采集終端電壓信號采集前端，增強系統硬件之間的數據連接，在保證采集數據穩定的前提下，增強系統硬件的使用穩定性，延長系統硬件設備的使用壽命。

2 后勤物資采供信息遠程采集系統軟件設計

信息遠程采集系統軟件的設計目標，是在系統硬件優化升級的基礎上設計系統軟件的多路并行數據采集模式。將系統采集后勤物資采供信息的過程，看作是一個周期為Dm的沖激串函數f(t)，被待測信號x(t)調制幅值的過程，調制后的幅值為：

(1)

公式中：xm(t)表示第m時間段內的調制結果；μ表示調制系數；n表示數量。此時的x(t)只在t=nDm處取值，所以可以得到：

(2)

公式(2)將連續時間信號x(t)離散化，得到全新的xm(t)，將xm(t)|t=nDm記為x[n]。利用該值恢復原始采集信號的波形。假設采集信號x(t)的頻譜是帶限的，最大頻率為ω，幅度為1，采用下列公式恢復采集的原始信號：

(3)

圖4 并行采集系統界面

將結果帶入公式(2)，保證采集數據的完整性[4]。遠程同步采集系統的并行采集模式，采用分層設計思想規劃采集，設計的采集層包括三個方面：底層調用、中層調度、上層界面。令底層負責采集卡的驅動，中層對采集到的數據和圖像進行調度處理，上層為使用人提供操作界面。但采集節點受空間分散影響，其啟動采集時間不同步，晶振工作產生的累積誤差，也會影響并行采集結果，設計一個同步啟動程序，如圖4所示[5]。

該程序以目前具有代表性的TPSN時間同步協議為基礎，采用星型網絡拓撲結構，直接組網連接各采集節點與發送節點，得到如圖4所示的程序界面。當發送節點向各采集節點發送啟動采集指令時，各采集節點同步接收采集指令，立即觸發采集模塊，實現多路并行數據的同步采集模式。當需要啟用跨層采集功能時，系統的中央管理控制中心令通信模塊實時處理各個調度任務，通過無線通信執行組網、收發指令、數據采集、數據上傳、數據傳輸任務；利用實時操作控制模塊中的API函數，對采集任務進行直接管理，完成采集、處理、傳輸、存儲等數據處理工作；再利用中央管理控制中心，協同運作通信模塊和采集模塊，讓他們既能獨立工作，又能同時完成各自的任務，保證采集過程的完整性。根據上述設計的同步程序，發送啟動采集指令，減少不同路徑采集的啟動誤差。通過設計的同步多路徑并行數據采集模式實現對后勤物資采供信息的快速采集，在系統硬件設計的基礎上，實現對后勤物資采供信息遠程采集系統的軟件設計。

圖5 硬件測試平臺

3 實驗分析

測試此次設計的遠程采集系統性能，對系統進行調試，檢驗該系統是否具有正常工作的能力。提出對比實驗測試，引入兩種傳統的遠程采集系統作為對照，比較不同設計方法下，采集系統的功耗。

3.1 實驗準備工作

完成信息遠程采集系統的整體設計后，對該系統的硬件使用性能進行測試。圖5為系統硬件測試平臺。

實驗的軟件開發環境為Node js、Keil uVision5，硬件設計平臺為Altium Designer。實驗需要的主要測試設備及其作用，如表1所示。

表1 設備參數列表

系統性能測試過程中，對終端供以直流電，利用調試器連接電腦、配置跳線，測試通信模塊能否正常入網，然后恢復跳線，利用電池連接數字萬用表和采集終端，測試不同狀態下的系統功耗。已知數字萬用表對直流電有0.003%的基礎精度，讀數次數為50 000 次/秒，滿足此次實驗測試要求。再設置基本測試原則：(1)測試標準建立在客觀需求之上；(2)堅持質量第一的標準，若系統效率與質量發生沖突，則以質量為主；(3)做好測試計劃，保持測試的客觀性和有效性；(4)需要引入對比測試組，不能隨意得出結論。系統硬件搭建完畢后，利用JTAG口將系統軟件燒錄至采集終端，測試此次設計的后勤物資采供信息遠程采集系統的功耗、穩定性。測試目標為：測試采集終端是否能夠接入網絡；測試采集終端網絡質量是否滿足傳輸需求；測試采集終端利用電池供電，且采集頻率為15 min/次時，系統是否可以運行5年以上，系統是否滿足低功耗的采集、傳輸要求。

3.2 系統性能測試

采用CoAP協議，遠程交互采集終端經過基站與上位機的數據。采集終端選擇信號較強的網絡附著，斷開控制單元與網絡的連接，根據AT指令，采用串口工具測試通信模塊入網狀態，測試結果如圖6所示。RSRP的顯示結果沒有低于-1 000；SNR的顯示結果為235，可見，目前的取值均在正常范圍內。再發送“AT+CEREG？”指令，得到的返回值為0時，說明網絡接入正常；當返回結果為1時，說明網絡無法接入。而界面中顯示OK，可見返回值為0，測試采集終端可以接入網絡。

圖6 入網測試結果

3.3 系統功耗測試

在系統性能測試完畢的基礎上，將遠程采集系統作為實驗組測試對象，將兩個傳統設計下的遠程采集系統作為對照組測試對象，對他們的功耗進行測試。遠程采集系統功耗測試內容包括：睡眠狀態下的電流、信息遠程采集狀態下的電流以及系統上傳數據時的電流。利用電壓表測試放電電壓，將實驗組系統進入睡眠狀態需要的放電時間，設置為2 min，同時設置3個測試組的睡眠時長均為3 min。為了便于測試，設置3個測試組可以每間隔10 min自動喚醒1次，然后開始采集后勤物資采供信息，設置的傳輸頻率均為10 min/次。實驗每隔10 min記錄一次數據，表2、表3、表4為3個測試組的測量數據記錄結果。

表2 實驗組測量數據

表3 對照A組測量數據

表4 對照B組測量數據

以上述3組測試結果為依據，計算不同的測試狀態下，10個測試組中電流的算術平均值。表5、表6、表7為不同狀態下，3個測試組系統的平均電流計算結果。

表5 實驗組系統功耗統計表

表6 實驗組系統功耗統計表

表7 實驗組系統功耗統計表

假設3個測試組的采集周期為15 min/次，上傳周期為6 h/次。計算3個測試組在不同狀態下的消耗電能，結果如表8所示。

表8 采集終端功耗測試對比結果

根據上述測試結果可知，實驗組每天的總耗能更小。已知實驗組中，采集終端可運行的總時間約為2 934天，即約為8.04年。對照A組采集終端可運行的總時間，約為1 989.5天，即約為5.45年；對照B組采集終端可運行的總時間，約為2 126.5天，即約為5.83年。綜合上述測試結果可知，三個測試組中的采集終端使用壽命均在5年以上。但此次設計的遠程采集系統，其使用壽命比對照組提高了近2.5年，可見此次設計的系統功耗更低，采集終端的功耗相對較小，延長了終端的使用壽命。

4 結語

以傳統設計下的采集系統為研究依據，重新設計了系統采集終端的硬件設備和軟件功能，通過提高采集終端的功能，增加系統總體使用穩定性。但此次實驗測試受設備和時間的限制，未能將該系統在信號條件極差的環境下進行，因此，該系統可能在該環境中沒有更好的使用效果，今后的系統研究與功能優化，可以將弱信號作為實驗測試環境，以此完善后勤物資采供信息遠程采集系統。