无线传感网络多信道数据整合中心节点

摘要

本发明公布了一种无线传感网络多信道数据接收中心节点，包括N个独立的射频模块，可编程逻辑器件模块，对数据包进行发送的总线控制芯片模块，其中N个独立的射频模块的输出端分别接可编程逻辑器件模块的输入端，可编程逻辑器件模块与总线控制芯片模块输入端连接，其中N为大于1的自然数。本发明能够满足分布式数据采集系统中32-500个动态采集通道的连续数据采集，实时数据收集要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种无线传感器网络节点，尤其涉及无线传感网络大数据量实时收集用的将从多个信道中接收的数据包进行标准化封装后以更快的速度向监控中心提交的多信道数据接收中心节点。

背景技术

无线传感器网络是近十年逐步发展起来的新兴技术，它综合了传感器技术、嵌入式计算机技术、通信技术、电源技术等多项技术，可以使人们在任何时间、地点和环境下获得较为详细、可靠的信息。

无线传感器网络技术为实现工程结构试验的测试系统提供了很好的智能化分布式监测网络，为实现高效率、高精度、低重量、智能化的结构试验系统提供了很好的手段。结构试验是结构设计的一个重要组成部分。它的任务是通过有计划地对结构受载后的性能进行观测和对测量参数(如应力、位移、疲劳寿命、振幅、振频等)进行分析，达到对结构的工作性能和承载能力做出正确的评价和估计。由于工程结构安全的重要性，人们对结构试验给予了更大的重视。随着科技和社会需求的发展，试验对象由过去的单个构件试验向整体结构试验和大尺寸试验发展。

以航空结构强度试验系统为例，目前，航空结构强度试验系统普遍存在测量点多、规模大等特点，造成了其试验测试系统引线复杂、附加重量大；此外，试验测试系统整体的智能化、网络化程度不高，造成试验测试效率不高。以构建N路采集通道，每个通道每秒进行M次应变采集的分布式数据采集，同时实时将采集数据传输给监控中心的航空结构强度试验系统为例，通常每个采集节点有4路应变采集通道，采用10位AD对数据进行转换，每个通道采集8次产生一个数据段为8×4×16bits＝512bits的数据包，将该数据段加一些必要信息且以IEEE802.15.4标准进行封装后每个数据包有648bits，通过节点的射频模块CC2420发送给基站节点。整个系统的数据量有：(N/4)×(M/8×648)bits/s。取N为320满足航空结构强度试验应变采集通道多的要求，取M为32满足航空结构强度试验所需的应变采样频率要求，即整个系统需80个采集节点，产生的数据达207.36kbits/s。

基于单信道单基站无线传感器网络架构构建试验系统。当M为32时，每个采集节点产生数据包的间隔为1s/32×8＝0.25s。采集节点同步采集导致采集节点同时产生数据包，采用时分多址接入(Time Division Multiple Access，TDMA)机制对采集节点产生的数据包进行发送，即每个节点根据各自地址获得一个独立的数据发送时隙：0.25s/80＝3.125ms。基于IEEE802.15.4标准2.4GHz频段支持250kb/s的数据速率，该时隙很难实现所有数据都得到成功发送。同时，由于串口最大速度只有256000波特率，采用单个基站很难完成对207.36kbits/s数据的传输。

鉴于此，提出基于IEEE802.15.4标准的多信道多基站无线传感器网络架构构建试验系统。采用10个基站节点将数据发送给监控中心，每个基站完成8个采集节点的数据包传输，每个基站传输的数据量为20.736kbits/s，可以采用57600波特率串口速度。为增加采集节点的发送时隙，采用10个数据信道，每个信道由8个采集节点和一个基站节点构成星型网络。由于不同信道中的数据不产生碰撞，此时每个采集节点的发送时隙为：0.25s/8＝31.25ms，该时隙使数据包传输成功率得到较大提高。采集节点发送的数据包可以可靠传输给监控中心，整个数据采集网络的吞吐量得到提升。

同时，多信道多基站架构需要对位于不同数据信道的采集节点进行时间同步。本文引入一个同步信道对位于不同信道的采集节点的同步采集提供支持；引入一个管理节点负责在网络初始时刻向同步信道发送监控中心的命令，并且在网络工作过程中周期的切换到不同的数据信道发送同步消息，对采集节点的同步采集提供支持。

上述系统存在缺点：目前，每个数据信道的数据都是通过该数据信道上的基站节点通过串口传输给监控中心的，串口数量和串口速度都是该系统的瓶颈，有必要开发多信道数据接收中心节点，该节点的功能是接收多个数据信道中的数据包，对数据包进行标准化封装，并且以更快的速度向监控中心提交数据。

目前关于国内外没有涉及无线传感网络大数据量实时收集用多信道数据接收中心节点的相关专利。

发明内容

技术问题：

本发明要解决的问题是开发多信道数据接收中心节点，该节点的功能是接收多个数据信道中的数据包，对数据包进行标准化封装，并且以更快的速度向监控中心提交数据，能够满足分布式数据采集系统中32-500个动态采集通道的连续数据采集，实时数据收集要求。

技术方案

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明无线传感网络多信道数据接收中心节点，其特征在于，包括N个独立的射频模块，可编程逻辑器件模块，对数据包进行发送的总线控制芯片模块，其中N个独立的射频模块的输出端分别接可编程逻辑器件模块的输入端，可编程逻辑器件模块与总线控制芯片模块输入端连接，其中N为大于1的自然数。

所述可编程逻辑器件模块包括逻辑控制模块以及由接口依次串接数据标准化封装模块、FIFO构成的N条传输链路，接口、数据标准化封装模块和FIFO分别与逻辑控制模块通信，FIFO分别与本地总线连接，接口与射频模块的输出端，本地总线与总线控制芯片模块的输入端连接。

N个独立的射频模块被配置在多个不同的信道中，接收该信道中的数据。

所述总线控制芯片模块通过高速计算机总线将数据提交给监控中心。

有益效果

采用本发明的多信道数据接收中心节点组成的动态实时监测系统，满足32-500个动态采集通道的连续数据采集要求，可以取代现有的复杂庞大的通用监测系统。多信道数据接收中心节点同时接收多个数据信道中的数据包，对数据包进行标准化封装，并且以更快的速度向监控中心提交数据。通过标准化封装后的数据包可以便于监控中心对数据包的解析。

附图说明

图1是采用PCI总线方案多信道数据接收中心节点的模块示意图；

图2是采用USB总线方案构建的多信道数据接收中心节点的模块示意图；

图3是多信道数据接收中心节点的管脚中断流程图；

图4是基于多信道数据接收中心节点组建的单跳航空结构强度试验系统的示意图；

图5是基于多信道数据接收中心节点组建的单跳航空结构强度试验系统中管理节点工作流程图；

图6是基于多信道数据接收中心节点组建的单跳航空结构强度试验系统采集节点工作流程图；

图7是多信道数据接收中心节点组建的单跳航空结构强度试验系统采集节点的发送机制。

具体实施方式

本实施例的多信道数据接收中心节点，将在多信道中接收的数据进行标准化封装后，通过高速计算机总线传输给监控中心。

如图1、2所示，多信道数据接收中心节点包括多个数据接收射频模块和可编程逻辑器件模块以及总线控制芯片模块。FPGA模拟15个SPI接口分别来完成对各CC2420的配置，使它们进入不同的工作模式。根据具体的网络拓扑要求，FPGA通过SPI接口将数据接收射频模块配置在不同的信道上，使这些数据接收射频模块成为该信道上的数据接收射频模块，接收该信道上所发送的数据包。FPGA为每个数据接收射频模块接收的数据包提供了数据包标准化封装模块和一个先进先出的队列(FIFO)。逻辑控制模块给每个FIFO分配一个时隙，用于将该FIFO中的数据发送给总线控制芯片；逻辑控制模块还负责协调各模块的逻辑关系。总线控制芯片选择PCI9054，PCI9054是美国PLX公司生产的一种功能强大、使用灵活的PCI总线控制器专用芯片，它采用了先进的PLX数据管道结构技术，支持32位33MHZ时钟的PCI总线，可以更为快速的将数据传输给监控中心。如图2所示，总线控制芯片选择USB20D，DMA模式是USB20D模块的最大优点，USB20D模块的DMA有效传输速度可以达到35Mbyte/Sec。可以更为快速的将数据传输给监控中心。

如图3所示，当数据接收射频模块接收到数据包的时候，FPGA将数据包通过SPI口读入，同时FPGA将数据包通过高层数据链路协议(High-Level Data Link Control，HDLC)协议进行标准化封装，然后将封装后的数据包投递到相应的FIFO进行缓存。

如图4所示，基于多信道数据接收中心节点组建的单跳航空结构强度试验系统架构包括监控中心、多信道数据接收中心节点，管理节点以及分属于不同信道的采集节点。同步信道对管理节点的命令发送及晶振漂移消除机制提供支持；每个数据信道由8个采集节点和多信道数据接收中心节点的一个数据接收射频模块构成星型网络，每个采集节点上有4路应变采集通道，每个采集通道每秒完成32次的应变数据采集。整个系统取80个采集节点，每个采集节点上有4路应变采集通道，共320路的应变采集通道，每个应变采集通道每秒完成32次的应变采集。多信道数据接收中心采用10个数据接收射频模块，完成对多个信道数据的接收，并且通过该节点将数据标准化封装后提交给监控中心。

如图5所示，管理节点初始化时位于同步信道，当接收到监控中心的命令后，在同步信道上通过命令的多次发送保证命令的可靠传输；系统正常运行时周期切换到不同数据信道进行时钟同步，保证不同采集节点的同步采集。

如图6所示，网络初始化时所有采集节点都位于同步信道，采集节点接收到采集命令后切换到各自数据信道，然后启动ADC采集时钟进行应变数据采集，同时实时地将数据发送到数据信道中，并且在接收到管理节点发送的同步消息时完成晶振漂移的消除。

如图7所示，各采集节点进行同步采集导致采集节点数据包产生的时刻相同，采用基于节点地址的时分多址接入(Time Division Multiple Access，TDMA)机制对采集节点产生的数据包进行发送，即每个采集节点根据各自地址获得一个独立的数据发送时隙，使得数据包传输的成功率得到较大提高。

多信道数据接收中心节点上包含了10个数据信道的数据接收射频模块，当这些数据接收射频模块接收到各自信道中的数据包时，多信道数据接收中心节点将这些数据包进行标准化封装后放入FIFO中，FPGA中的逻辑控制模块将给每个FIFO分配一个USB总线接入时隙将数据通过USB总线传输给监控中心。

本实施例的多信道数据接收中心节点将从多个信道中的接收的数据包进行标准化封装后以更快的速度向监控中心提交，突破多信道多基站架构中存在的串口数量和串口速度瓶颈，同时，经过标准化封装后的数据包便于监控中心对数据包进行解析。