基于物联网的多通道工业数据采集系统的设计与研究

基于物联网的多通道工业数据采集系统的设计与研究

金永双

身份证号码：220182198804105711

摘要：物联网本质上是无线网络的一种类型，其依托于互联网和通信这两大 模块作为技术支持的“跳板”，进而实现人、事、物之间的有机结合， 三 者相互串联， 完成控制层面的统一性。 本文基于各个数据采集模块所采集的工业数据，运用无线网络将这些数据发送到协调器的节点，来对其加以储存以及分析、处理；协调器节点将会运用云服务器，将数据传输至客户端，以展开监测。经过实验可证，此系统设计方案极为合理，而且功能相当完善，具有运行稳定、功耗较低等特点。

关键词：物联网；工业数据；采集；数据；设计

引言：

  伴随着国内经济的持续化发展以及国内与国外科技的迅猛发展，大数据、云计算以及物联网技术都迎来了较好的发展阶段，数据成为智能数据采集全过程中的重点因素。新的信息技术将智能化的传感器嵌入到各类物体以及环境之中，比如工厂、建筑、交通和货物等，基于无线、有线的连接来形成完整的物联网。而实际上，伴随着环境污染的加剧，对于基于物联网的多通道工业数据的采集应用已显得相当迫切。为此，本文将就此方向展开了深入的研究。

1. 系统的总体设计
   1.1 无线通信技术

目前市场上有许多不同的无线通信技术，比如Wireless USB技术以及无线Wi-Fi、蓝牙和超宽带无线通信、ZigBee技术以及电力载波技术等。具体而言，因ZigBee技术是最为切合当前的工业数据采集要求的，而且其成本低廉，并具有低功耗的特点，因此，其比较适用于现代远程控制领域。故而，此系统将ZigBee技术运用到此次的系统设计中，并作为其中的无线通信模块，以实现数据的采集与传输应用。

1.2 系统框架设计

从当前来看，多通道的工业数据专业采集系统早已得到了有效的应用。STM32的开发应用相当灵活，同时具有低功耗的特点等，故而，可将其用于数据显示。该系统被投入到了一些人群比较密集的区域，比如住宅、学校、办公区域等，应用STM32F407低耗型芯片来作为此次的控制系统，同时依据各大模块，也就是温度与湿度传感器、二氧化碳传感器、一氧化碳传感器以及摄像模块、夏普光学原理尘埃传感器，以实现对室内空气的温湿度以及一氧化碳、二氧化碳和室内图像、PM2.5的有效采集，并在形成一个成熟的无线传感器网络之后，通过STM32将采集到的各项工业数据上传到无线网络后，再传送至PC机上，继而实现数据处理。具体的总体结构图则可见下列图1。

图1-工业数据采集系统的总体结构图

2. 系统硬件设计
   2.1 单片机最小系统

在此次设计与研究的系统中，其最小系统应用了微控制器STM32F407，所用的架构则为CortexTM-M4，并应用独立的指令总线以及数据总线，以达成数据的获取。含DCMI接口，可切合针对CMOS所输出来的高速数据流的接收。

2.2 传感器模块

在本文的设计中，我们若要测量空气中的温度及湿度，就会应用DHT11模块，该温湿度传感器可将测出的数据以数据形式输出。其应用了很强的单总线单工通信方式与较好的测量技术，具备很高的稳定性，并使用3.3V规格供电电压，且其温度范围为0~50 ℃ ( ± 2 ℃ ), 湿度范围 20% 至90% ( ± 5% )。 此次设计应用了二氧化碳传感器TGS4160,稳定性比较强、选择性较优，并且可长时间保持持续工作，同时还带有温度补偿系统。应用MQ-7来达成一氧化碳检测，其原理为，把一氧化碳所具的化学能一度转化成为系统中的电能，所输出的电流信号和一氧化碳浓度之前成正比，若其浓度加大，那么该电流输出也必定会有所加大。针对夏普光学原理的尘埃传感器，在其应用中可知，其可以感应到空气中含有的尘埃粒子，在其内部，则带有红外线设备，可将空气中所带有的尘埃反射光探测出来，其测量原理则为：基于对尘埃折射之后形成的光线的检测，可判定出它的具体的灰尘含量，并且其输出数值与粉尘的浓度是成正比的。应用STM32来实施数据采集的工作，算出其粉尘浓度之后，就可实现对PM2.5的测量。

2.3 视频监控模块

该系统所配备的摄像头模块为OV2640，应用该模块，可将各种影响数据输出，具体的分辨率则为

8 / 10 位，对此，用户将能够对其中的数据格式以及传输格式，还有图像质量实施控制，并将物体识别出来，

适应整个系统的要求。

2.4 ZigBee模块

ZigBee技术，它是利用IEEE.802.15.4协议而生成的组网和具有强大安全性的一种通信技术，其使用的是2.4GHz频段，具三大特点，即成本低、功耗低、距离短。在本次的设计中，我们应用ZigBee的CC2630芯片来作为最小系统。32位、双ARM，其运算速度比较高，而且优于CC2530，并且其性能也更为稳定，工作电压3.3V，串口波特率大概处于1200~115 200bps之间，有着很优越的抗干扰能力、测量精度，并以星型网络拓扑为节点需求，可达成实时化的数据传输需要，将其传至后续的终端设备中。同时，其路有级数则为200级，优于节点间使用的是星型网络拓扑，可实CC2530。

2.5 电源模块

本次设计以降压电路来达成可靠的降压处理。该系统的稳压器确定为AMS1117，可借此达成有效的降压输出，且输入电压的最大值达到18V，可输出电压是3.3V。另外，该系统可基于开关选择来空盒子节点模块电源的启、闭，并大大地减少了所需的能耗。

3.系统软件设计

应用KEIL-MDK5编程软件来实施系统的开发。应用语言敲定为C语言。MDK的应用能够提升ARM处理器开发的质量。是后者开发工具中的最佳工具；在这一次设计系统中，先将所有硬件设备都初始化，进入自动的控制模式后，在对其中断优先级实现配置，然后，运用传感器模板来达成对数据的有效读取，并利用STM32来输出信息，将其显示到整个显示屏上，运用无线模块达成转发。无线传输也是在此之中的一个最为关键的组构部分。在该无线网络（ZigBee）之中，其包含了三大模块，即路由器和终端节点、协调器。其总体软件框图具体可见于图2。

图2-系统软件总框图

3.1 信息收集及指令发出终端

终端节点软件以CC2630驱动程序+传感器数据收发工具展开设计。在将模块数据直接重置之后，即可对信息通道实施定时性的扫描，为此要设一定时器。在接收到所传递而来的入网申请之后，首要步骤就是展开端口定位，而后还要对其定位端口完成信息收集，再然后则是应当要使单片机正式步入到休眠的状态中，并把收集而来的信息再传送导到 CC2630上。而图3则是终端节点程序的完整的流程示意图。

图3-终端节点程序的完整流程图

3.2 协调器节点的设计

在该系统设计中，其无线网络的网关设计的是协调器，因而可达成核心控制的目的。协调器不但要能够对组网以及节点做到合理的分配，并且，也应当对终端采集点发送采集数据与控制质量。保障系统本身的可靠运行。在对其初始化之后，协调器将自动组成一个完整的网络，终端节点必然会在本网络中参与，并利用ZigBee的传输数据，将数据传送至协调器之中，而后打包数据，再从串口处开始传至PC上位机，并最终将其显示而出。在此之中，要判定PC机所送出的操作指令其具体数据地址是同终端节点所对应的网络地址相互匹配的，若确定匹配，就要运用单播方式来将指令送至终端节点上。协调器的整体流程具体见于图4。

图4-协调器的整个流程图

3.3系统测试

此次所设计的系统需要确定可行性，基于此，我们要以系统测试结果来对此作出判定。第一，测试系统内的传感器模块，运用气体标定箱下的实验环境模拟，来检验所采集而来的数据。第二，应基于测量数据，来对其传感器的具体的测量精度实施计算。图5和图6则为温度与湿度的标准数值及其测量数值之间的对比曲线图，因此可知，系统可达成所需的精度要求，而且温湿度的误差都需与设计要求明显切合。按点-点通信测试可证，其测试结果的丢包率不到4%，因而可证，其系统功能与原本的设计要求是完全切合的。

图5-温度标准值及测量值间的对比曲线图

图6-湿度标准值及测量值间的对比曲线

4、结语

总而言之，从此次的分析研究中可知，这次我们对基于物联网的多通道工业数据采集系统的设计与研究是比较科学实用的，能够实现预计目标，在系统设计完成后，本文还在最后阶段，通过系统测试来检验此次的设计是否可靠，最终发现系统测试时的丢包率低于4%，这也意味着此次的系统设计与研究符合相应的设计标准要求。

参考文献:

[1]郭磊,陈兴玉,张燕龙,等. 面向智能制造终端的车间 生产数据采集与传输方法[ J]. 机械与电子,2019,37 (08):21 - 24.

[2] 何军红,王袁. 基于 ZigBee 的数据采集和监控系统的 设计与研究[ J]. 工业仪表与自动化装置,2016(05): 40 - 43.