無線數據採集系統

在數據傳輸的方式上，可以分為有線和無線傳輸兩種，採用有線通信方式的數據採集稱為有線數據採集，同理採用無線通信方式的數據採集稱為無線數據採集。

無線數據採集是現代信息通信研究的重要組成部分，它與感測器網路、信息處理等作為現代數據監測控制的基本技術。

基本介紹

• 中文名：無線數據採集系統
• 外文名：Wireless data acquisition system
• 類別：控制科學與工程
• 設計原則：提高系統可靠性等
• 模式：人工遠程採集的方式等
• 優點：安裝便捷等

背景及意義

無線數據採集是現代信息通信研究的重要組成部分，它與感測器網路、信息處理等作為現代數據監測控制的基本技術。由於採集環境的限制，在多數領域中有必要將採集到的數據經過傳輸網路在主控制中心顯示和控制，再通過中央控制器對所測環境下的變化進行監控。在很多領域，套用該系統可以採集到溫度、濕度、光照等數字和模擬信號，再將採集到的參數進行相應的處理後，可以供用戶監測和控制系統。在數據傳輸的方式上，可以分為有線和無線傳輸兩種。現在傳統的數據採集系統都是通過有線傳輸方式進行的，它具有速度快、可靠性高、工作穩定等優點，但同時這種採集方式易受環境和採集數據形式的影響。在很多場合，比如人員無法到達的偏僻環境，有高腐蝕性、現場無法利用明線連線等環境，選擇有線數據採集傳輸系統顯然己無法滿足數據採集和傳輸的需要。另外，為了一次數據採集而去架設有線網路的人力物力經濟投資都比較大，形成了資源浪費。在這種情形下，無線數據採集方式就成為了一種行之有效的替代方式。

隨著射頻收發技術、微電子技術以及積體電路的發展，無線通信技術取得了較大發展，在設計成本、傳輸速率、可靠性方面均取得了長足進步。正在慢慢的發展到有線網路傳輸的水平。工業現場採用無線數據採集技術己成為新的發展趨勢，可以解決以往傳統數據採集中存在的問題，提高系統的適用性。

研究現狀

無線數據傳輸技術

在短距離無線通信領域中，藍牙、無線區域網路和紅外技術己經廣泛套用於人們的生產生活中，ZigBee, NFC, RFID和一些無規範化的超高頻無線傳輸是最具有發展和套用潛力的通信技術。另外，GPRS在遠距離無限通信技術中優勢突出，具有相對成熟的套用技術。根據不同的無線通信技術的自身特點，其套用場景也不同。

藍牙(Bluetooth)技術是基於IEEE 802.15.1標準開發的一種短距離無線數據傳輸技術。該技術採用跳頻技術和擴頻技術，在2.4GHz頻段實現時分雙工模式下的全雙工傳輸，提供一點對多點的數據業務。目前，藍牙協定棧相對比較成熟，可套用在低功耗、近距離和低成本的場景。

無線區域網路(Wi-Fi)是基於IEEE 802.11標準的無線通信技術，工作在2.4GHz頻段，是乙太網的一種無線擴展，其電波的覆蓋範圍廣，傳輸速率高。目前，我國正在積極擴大城市}fFI的覆蓋。相比之下，國外的WIFI技術發展較成熟，部分國家WIFI網路己覆蓋全國。此外，一些前沿的公司己經開發出兼容2.4GHz頻段的5GHz的新產品，因此，WIFI技術在未來將有良好的發展前景。

紅外(IrDA)技術是一種藉助於紅外線的點對點通信技術。套用該技術的移動通信設備簡單易用且連線方便，具有功耗低、體積小的特點。目前，紅外技術的數據傳輸速率發展到16Mb/s，但由於紅外的兩個設備之間必須對準並且之間不能有阻隔物，因此阻礙了該技術在其他特殊領域的套用。

ZigBee技術是基於802.15.4標準的無線通信技術，ZigBee節點間的通信距離理論值是85m。主要特點是:成本低、功耗低、傳輸距離短、工作頻段靈活。國內主要為2.4GHz，歐洲是868MHz，美國是915MHz。目前，ZigBee協定相對比較成熟，且節點結構的劃分比較多樣化，己在短距離、小面積無線數據採集系統套用中占據一定比例，可以覆蓋普通家庭及辦公室環境。

GPRS是利用TDMA信道提供數據傳遞的通信技術，它介於2G和3G移動通訊之間(通常被稱為“2.5G")。在分組交換模式下，用戶利用GPRS數據和信令完成基於移動基站的數據傳輸。這種基於公網的遠距離無線通訊系統可以避免因地形和阻礙物產生的盲區，免去架設天線成本費用，但需定期向運營商繳納一定的GPRS流量費用。

無線數據採集的現狀

上世紀80年代，西方已開發國家通過有線網路連線終端數字感測器，完成數據的實時、連續和完整採集，減輕傳統人工手動現場數據錄入的工作量。這種方式的數據傳輸速度快、可靠性高，但是物理布線繁瑣，可移動性差且傳輸的範圍不大。

近年來，隨著射頻晶片和無線通信技術的發展，綜合利用嵌入式系統和數字感測器技術形成了新一代的無線數據採集系統，自動組網完成數據的數位化採集。其中無線數據的傳遞方式多種多樣，各種傳輸方式擁有自身的特點，適用於不同的採集環境。設計無線採集系統需要考慮的因素主要包括：成本、安裝的便利性、組網靈活性、設備利用率和維護難易程度。目前，無線採集系統正趨於網路化和智慧型化發展。

目前，數據採集系統主要通過藍牙技術、ZigBee技術和GPRS技術完成節點間數據的無線傳輸。三種通信技術擁有各自的特點，適用於不同的採集環境，其中藍牙技術適用於短距離無線數據傳輸領域；ZigBee技術主要套用於大量節點的數據傳輸領域；GPRS是遠距離無線數據傳輸的首選。

傳統數據採集系統的設計模式為：PC機作為數據處理和存儲中心，完成採集數據的實時顯示和歷史數據的存儲;單片機作為數據採集終端和傳輸的核心，主要完成數據採集和傳輸工作。在這種模式下，需要設計PC機與單
片機之間通信協定，實現PC機與單片機之間的數據互動。該模式成本較高、體積較大、不便於攜帶，並且PC機需要安裝和設計必要的套用軟體，如果在空曠環境，PC機的用電來源情況還需要額外控制，不便於移動。

當前數據採集系統的設計模式為：用嵌入式ARM開發板替換傳統PC機，結合經過核心裁剪和性能最佳化的嵌入式Linux作業系統，將數據無線收發晶片直接集成到ARM開發板中，完成基於嵌入式作業系統的無線射頻晶片的驅動開發，實現ARM直接控制無線射頻晶片，完成數據採集任務。與傳統模式相比，其優點表現為：節點布局靈活、成本低、節能和維護簡單等。

設計原則

提高系統可靠性

無線數據採集是一項關係到生活、生產和社會發展的關鍵技術，要求系統必須能夠實時可靠地採集、傳輸和處理數據，設備在無人值守的情況下能夠正常連續的工作，以便監控中心的工作人員能夠根據當前的採集數據做出相應部署。

確保系統的實用性

要求所設計的系統操作簡單易行、安裝容易、易於維護，系統的軟體設計採用面向對象的界面設計方法，也提高了系統的可操作性。

增加系統的適應性

無線數據採集系統的安裝範圍比較廣泛，各種環境和工業現場也不盡相同，這就要求系統能夠具有較強的適應性，能夠穩定運行在各種不同的環境中。

實現系統的網路化

系統不僅能夠採集數據，還能夠按相應的要求進行實時監測、科學處理、精確分析、快速上傳等操作，以便管理人員進行數據查詢。

模式

遠程數據採集技術的出現，是計算機網路技術與通信信息技術相結合的必然結果。早期的遠程數據採集技術是非線上，非實時的採集方式，而現代的遠程採集技術則是實時的線上的採集方式，藉助於現代的計算機技術、網際網路技術和通信技術，採集者可以依靠安裝在現場的各種各樣的感測器設備，可以遠隔千里就可以獲得現場的實時數據，對現場的情況進行監督和分析。伴隨著通信技術的發展，出現了以下三種的遠程數據採集的模式。

人工遠程採集的方式

這種方式是通過人工採集的方式對現場參數及情況進行記錄，然後帶回總控室由工程師來進行分析。這就包含了太多的人為方面的因素，無法實現實時的數據採集，存在很多的弊端，這是比較原始的數據採集方式。

有線網路遠程採集的方式

有線網路遠程採集是現代遠程採集的模式，是將現場各個採樣點通過通信線連成網路，根據通信方式的不同，可以有光纖網、乙太網等，這種方式也是現在使用的較多的一種方式。其顯著特點是用現場的採樣設備將各種感測器獲取的信息轉變為數位訊號，然後通過網路傳送給遠程的監控中心。遠程監控工程師再利用計算機和數位訊號處理技術對收到的信息進行分析和處理。由於數位訊號遠程傳輸的準確性高，不受時間和空間影響，因而可以實現真正意義上的實時線上遠程數據的採集和監控。但是這種方式也存在著很多弊端，比如，網路鋪設投資大，易受距離限制等。

無線網路遠程採集的方式

無線網路遠程數據採集又分為兩種：一種是單獨構建的無線網，另一種是利用移動公司的GSM。第一種方式由於自己要進行網路構建，其工作量是相當的大的，包括傳輸設備，中繼站，傳輸協定制定。第二種利用GSM網路來實現，這類採集系統的通信方式是依託移動公司的GSM網，它的最大特點是打破了距離的限制，可以實現全國乃至全球漫遊的數據採集。這類方式主要是利用GPRS數據業務通過 Internet進行通信，GPRS技術傳輸速度快，永遠線上，用GPRS技術實現的採集系統，實時性強，安全可靠，既避免了開發新的頻率資源，又開闢了遠程監控的新領域。該系統具有網路覆蓋範圍廣，系統抗干擾能力強，通信速度快，通信誤碼率低等優點‘”。隨著GPRS網路技術的不斷發展，構築在GPRS網上的遠程無線採集系統必將與移動通信技術的發展同步，具有非常廣闊的前景。

優點

有線通信是一種通信方式，狹義上現代的有線通信是指有線電信，即利用金屬導線、光纖等有形媒質傳送信息的方式。光或電信號可以代表聲音，文字，圖象等。這種有線數據通信方式可以傳輸數位訊號或模擬信號，它有著自身的優點：一般受干擾較小，可靠性，保密性強。但是，通信建設費用大，很多偏遠的地區或現場有線的通信方式比較難於實現，甚至很多情況下根本不能實現，這是有線通信方式的弊端，成為有線通信發展的一個瓶頸，導致有線通信方式發展受阻。那么採用有線通信方式的數據採集的發展相應就會受到嚴重的影響。基於有線通信方式有自身安全性比較好的優點，使得有線的通信方式、以及採用有線方式通信的數據採集限制在外界環境比較好、或者數據採集任務比較容易的場合。

在這種情況下，也隨著計算機和微電子技術的發展，無線通信方式應運而生，相應的採用無線通信的數據採集方式也很快的發展起來並成了數據採集發展的主流趨勢。無線數據採集方式就是採集器通過無線信號把數據上傳，既可以實時的採集數據，也可以批處理，並且採集數據時大大的減少了環境上的限制，上傳數據時也非常方便。無線數據採集有其自身的優點：

1.安裝便捷，只要安裝一個或多個接入點AP ( Access Point)設備，就能很快的安裝好。投資少，一個工業用的AP價格在幾百到幾千元之間，覆蓋範圍為半徑30~300m；
2.使用靈活，在無線網的信號覆蓋區域內任何一個位置都可以接入網路；
3.經濟節約，有線網路缺少靈活性，不能適應發展，而無線網路卻能夠靈活的進行配置，負載多的區域可以多加幾個接入點，從而節約用戶的前期投資；
4.易於擴展，無線網路有多種配置方式，能根據需要靈活選擇；
5.速度快，目前可以達到幾十Mbps，而且傳輸距離遠，技術成熟，能夠
滿足大多數需要。

有線、無線數據採集方式對比

從表中可以看出，有線、無線數據採集系統各有優劣，無線數據採集穩定性和抗干擾能力與有線數據採集系統相比略遜一籌，但是，無線數據採集有其使用方便、成本相對較低的突出優點，憑藉這些優點，它在工程檢測或監測系統中占據重要的地位，由此也得到了較快的發展。據研究了解，目前各學科的人才都在利用自己的學科優勢，開始這個方面的研究工作，並且得了一些成就，比如，無線數據採集系統用於工業過程控制、油田鑽井監測，城市自來水管網檢測、甚至醫學上人體健康監測等。但是，總的來說，目前的這些套用還處於初級階段，在套用的過程中也存在著不少問題和困難。但是，隨著各種技術的綜合發展和套用，無線數據採集必將有更大的發展空間。