基于Wi-Fi的远距离无线数据采集系统

作者:数字石油
字体:
发布时间:2014-07-09 15:54:15
来源:数字石油

 曾强张志杰,王文廉

(中北大学,信息与通信工程学院,山西 太原 030051

摘要:传统的军用摩托车测试系统大多是存储测试系统,无法将测试数据实时的传递到远端的控制台,这给数据的读取和分析带来不便。所以本文设计并实现了一种基于Wi-Fi远距离无线数据采集系统。相比目前其它无线传输系统本文实现的无线采集系统具有传输速度快、距离远、抗干扰能力强、能与以太网整合等优点。在满足传输速率的前提下,通信距离可达10公里

关键词:测试系统;数据采集系统;Wi-Fi

中图分类号:TP311.11               文献标识码:A

Long-distance wireless data acquisition system based on Wi-Fi

ZENG Qiang

School of Information and Communication Engineering, North University of China,

TaiyuanShanxi, 030051, China)

Abstract: Most of conventional motorcycle measurement system is storage measurement system which can not transmit real-time data to remote consoleso it is inconvenient to read data and analysis data .Therefore, design and implement a WiFi-based long-distance wireless acquisition system. Compared other wireless transmission systems in present this wireless acquisition system has faster transfer rate, longer distances anti-interference ability and integration with Ethernet. Communication distance is up to 10km on condition that transmission rate is met the requirement.

Key word: measurement system; data acquisition system; Wi-Fi


引言

随着我国军事、科技的不断发展,各种新型武器、战车不断的被研发出来,但其性能需要经过多少次实战测试才能真正应用到国防中去。在军用摩托车实战测试中,需要在摩托车上安装大量的测试系统,通过分析测试系统的反馈信息来改进和优化摩托车的性能。

但目前摩托车测试系统大多是存储测试系统,这种测试系统先将测试数据存储到存储器中,待测试结束后,读出存储器的数据,再进行数据分析。可见,传统的存储测试系统具有实时性差、数据读取繁琐等缺点,不能根据现场情况对测试数据进行快速、有效的分析。

所以本文设计并实现了一种基于Wi-Fi的远距离无线数据采集系统,相比于传统的数据采集系统,该系统增加了无线传输功能,可在几公里外实时接收多个测试节点的测试数据。

远距离无线数据采集系统总体结构

远距离无线数据采集系统由采集系统、Wi-Fi无线网卡、ARM嵌入式系统、无线接入点等四部分组成,如图1所示。所有测试节点通过控制Wi-Fi无线网卡将测试数据传输到无线接入点,再由无线接入点转发到远端的控制台。每个测试节点以ARM嵌入式系统作为控制中枢,嵌入式系统通过总线接口控制采集系统的数据采集,同时通过USB接口控制Wi-Fi无线网卡的数据收发。


远距离无线数据采集系统的总体构架


3   系统的硬件平台

3.1 ARM嵌入式系统硬件结构

ARM作为一种嵌入式系统处理器,具有高性能、低功耗、低成本、体积小等优点[1-2]。将ARM选作测试节点处理器可全面提高节点性能[2]。此外,ARM系统可方便加载操作系统,使得系统功能更加强大。为了简化硬件电路的设计和调试的方便,我们采用核心板+底板组合的方式对硬件电路进行设计。

ARM嵌入式系统的核心板是嵌入式系统的主要部分,它是整个嵌入式系统的“大脑”,所有数据的运算、处理、存储以及接口电路的控制都是在核心板中实现的。核心板主要由ARM处理器、动态存储器(内存)、闪存组成。ARM处理器选用Ateml公司的工业级芯片AT91SAM9G45,主频达400MHZ,工作温度范围-40~+80度,它不仅负责数据的运算、处理,而且几乎所有的外围芯片都需要它来控制(包括底板的接口电路)。动态存储器选用美国半导体公司64MDDR2存储器,在系统中使用两片,总容量达128M大幅提高ARM处理器的运算效率。闪存芯片选用三星公司的k9f1G08U0C,容量达128M,完全满足测试信息的存储。在核心板上还有两排40个管脚的通信接口,用于与底板进行通信。

ARM嵌入式系统的底板为核心板提供电源、两路USB接口电路、一路串口电路以及总线接口电路。电源管理芯片选用LM2596LM1084,为系统提供5V3.3V电压。USB电源开关芯片SP2526A-2USB和两片USB控制芯片USBLC6-2P6为系统提供两路USB接口,一路用于与无线模块进行通信,一路用于测试数据的有线读取。系统中还有一路R232串口,控制芯片选用MAX3232EUE,用于查看调试信息和输入系统指令。

3.2 数据采集系统的硬件结构

数据采集系统由传感器、AD转换器、FPGA组成,它的主要任务是把传感器采集到的模拟信号转换成数字信号,如图2所示。A/D变换器选用AD公司12bit分辨率的AD7492,自带参考电源,其最高采样速率可达到1Msps,可以处理高达10MHz的宽频信号。FPGA芯片选用Xilinx公司的XC3S500E,作为AD转换器的时序控制电路,在FPGA内部软化出一个FIFO 和一个双口RAM FIFO用于缓存AD转换器转换得到的采样数据,而双口RAMFPGAARM之间通信的桥梁,它使得FPGAARM之间的数据交换变得十分的便利。

       数据采集系统的结构框图

3.3  Wi-Fi无线网卡

短距离无线传输技术有很多种,需要根据具体应用环境选用特定的无线传输方式。如表1所示。由于Wi-Fi无线通信技术具有传输距离远、速度快、抗干扰能力强等优点,符合我们快度、远距离的传输的要求,此外,Wi-Fi具有与有线以太网整合的优点[3],可将数据传输到任何有以太网的地方。所以我们选用Wi-Fi作为系统的无线传输技术

几种短距离无线传输技术的对比

通信技术

传输介质

通信距离

通信速率

系统功耗

红外技术

980nm红外光

2m

小于4Mb/s

较低

蓝牙技术

2.4GHz射频

10m

小于1Mb/s

较高

Wi-Fi

2.4GHz射频

1000m

大于2Mb/s

Zigbee

2.4GHz射频

200m

小于2Mb/s

较低

Wi-Fi无线网卡是满足802.11标准的无线传输设备。系统所用无线网卡的Wi-Fi芯片和功率放大器芯片分别选用瑞昱公司的RTL8187RTL8225,硬件结构如图3所示。

3 Wi-Fi无线网卡的硬件结构

4  无线接入点

无线接入点即无线APAccess Point),是用于无线网络无线交换机,特别适合Wi-Fi网络覆盖及远距离无线传输。本系统选用美国UBNT公司型号为NanoStation M2的无线AP,工作在2.4GHZ 频段,系统增益在10.4-11.2 dB,支持802.11b/g802.11n多种传输协议。它最大的优点在于内部集成多输入多输出(MIMO)定向阵列天线,大幅提高传输距离和传输速度。

在系统中使用了三个无线AP,一个用于无线覆盖,可以接收所有覆盖范围内测试节点的数据;一个用于向远端发送数据,将覆盖AP接收到的数据转发到远端;还有一个用于在远端接收数据并将数据传递到控制台。

软件平台设计

为了实现多个测试节点与控制台之间进行可靠的数据传输,我们采用TCP/IP作为传输协议,控制台作为服务器,测试节点作为客户端,进行单点对多点的数据传输。

5.1 嵌入式系统软件设计

ARM嵌入式系统中,移植了linux2.6嵌入式操作系统,为了ARM+Linux平台下使用Wi-Fi无线网卡,必须在Linux操作系统中加载相应的无线网卡驱动。linux2.6内核中有开源的RTL8187 Wi-Fi无线网卡驱动,只需在内核配置选择中选中即可使用。

无线通信编程采用网络套接字(socket)的方式。在socket通信中,测试节点作为客户端,首先调用socket()函数创建客户端套接字,然后调用connect()函数连接服务器,一旦连接成功,就与服务器进行数据交互,最后关闭socket连接,流程图如图4所示。

5.2 上位机软件设计

上位机软件设计平台选用NI公司的图形化设计软件LabvIEW。在LabVIEW中包含了所有socket通信模块,简化了程序的设计。上位机在无线通信中作为服务器与测试节点进行socket通信,首先创建服务器套接字,然后侦听整个网络,如有连接请求,与客户端进行数据交互,最后关闭与客户端的socket连接,流程图如图5所示。

      客户端socket通信流程图

实验结果

实验选在一片2500平方米的开阔地里,用5辆载有测试装置的自行车在开阔地里快速的行驶。在开阔地的边缘背向架设两无线AP,架设高度为5。在距离它10公里外的地方再架设一个无线AP,架设高度同样为5。多次实验表明,本系统的数据传输速度快且接收准确率为100%,能满足实际应用要求。

 

      5服务器socket通信流程图

结束语

本文设计实现了基于Wi-Fi的远距离无线数据采集系统。该系统在军用摩托车实战测试中取得了良好的效果,解决了存储测试系统实时性差、数据读取繁琐的缺点。而且测试数据可预先在ARM嵌入式系统中进行软压缩处理再进行无线传输,从而大幅提高传输速率。虽然基于Wi-Fi的无线数据采集系统在功耗上存在劣势,但可以通过给系统设置休眠等方式降低功耗。此外,该无线数据采集系统在传输速率、传输距离、抗干扰能力以及与以太网整合等方面是其它无线传输系统无法比拟的。

参考文献

[1]杜春雷. ARM体系结构与编程[M].北京:清华大学出版社,2006,1-10.

[2]林一多,高德云基于ARM的无线传感器网络MAC协议设计与实现 [J].计算机应用,2010,305:1145-1148.

[3]IEEE.802.11b -1999 Supplement to 802.11 -1999, Wireless LAN MAC and PHY specifications: Higher speed Physical Layer(PHY) extension in the 2.4GHZ band.

[4]潘洋,陈家胜,朱健.基于ARM的无线测控系统[J].微计算机信息.200925(4):156-157.

[5]阎连龙.基于ARM的无线数据采集系统 [J].广东技术师范学院学报,2009,3:25-28.

[6]张永强,初秀琴基于ARM的移动无线传输系统设计[J].国外电子元器件,2008,1:70-72.

[7]葛亮,胡泽,付英军.一种存储式多参数测井系统的设计 [J].传感器与微系统.2011,308:150-151.

[8]赵彬,刘凡.基于ARM的无线温度测控系统设计 [J].微处理器应用.200932(4):98-107.

[9]吕盛林,林子杰,陈立定.基于ARM9的无线环境监控系统的实现 [J].信息技术.200912:17-20.

[10]刘传菊,肖明明,王克强.分布式无线测控系统的实现 [J].现代电子技术.20061:89-91.

 

作者简介:

曾强(1985-),男,山西省榆次人,硕士研究生,主要研究方向为智能通信与嵌入式系统,

Emailzengqiang_1985@163.com

张志杰(1965-),男,教授、博士生导师,山西太原人,主要从事动态测试技术及信号处理的研究。

王文廉(1978-),男,博士,四川成都人,主要从事动态测试技术、智能仪器研究。

 

基金项目:山西省自然科学基金资助项目(2009011023;山西省青年科技研究基金资助项目(2010021015-3

 

联系方式:曾强,单位:中北大学,手机:13753489480,地址:山西省太原市尖草坪区中北大学420信箱,E-mailzengqiang_1985@163.com

 

 

 

>更多相关文章
网友评论
用户名: 密码:
验证码: 匿名发表
咨讯新闻 | 国内动态 | 高端领域 | 高端访谈 | 图书教材 | 行业研究 | 政策法规 | 政府动态 | 企业图片 | 生产集输 | 会展新闻 | 生产管理 | 产品信息 | 新品上市 | 勘探开发
生产集输 | 储运销售 | 炼化处理 | 系统集成 | 技术创新 | 先进技术 | 先进案例 | 行业协会 | 协会信息 |
关于本站 - 广告服务 - 免责申明 - 招聘信息 - 联系我们
冀ICP备09012143号-2  数字石油 版权所有,未经书面授权禁止使用
Powered by EmpireCMS7.0  © 2002-2013 EmpireSoft Inc.