專利名稱：一種無線數(shù)據(jù)采集與處理方法及其系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及嵌入式無線數(shù)據(jù)采集與處理方法及其系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)測量采用有線傳輸方式。數(shù)據(jù)采集現(xiàn)場布線復(fù)雜，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)采集的結(jié)果發(fā)送到計算機進行數(shù)據(jù)分析后才可得到所需結(jié)果。為減小現(xiàn)場布線復(fù)雜度，現(xiàn)傾向于將傳輸方式改為無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。比較流行的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議為802.11b/g和802.15.4協(xié)議。802.11b/g協(xié)議可以為系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸提供較寬帶寬，但功耗大，成本高，不適于用電池供電的低功耗的設(shè)備使用。802.15.4協(xié)議功耗低，具備組成龐大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的能力，但提供的數(shù)據(jù)傳輸帶寬較小，不能滿足大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)男枰?，無法組成有寬頻帶采集要求的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
此外，如果要實現(xiàn)高精度動態(tài)數(shù)據(jù)采集，用低功耗的16位單片機配合24位AD只能實現(xiàn)1KHz左右的采樣率。而現(xiàn)有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不具備數(shù)據(jù)處理功能，也沒有辦法使用數(shù)字濾波器，所以為了防止混疊現(xiàn)象，必須采用高階低通抗混疊濾波器。但不可能在對功耗，體積有嚴(yán)格要求的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中設(shè)計高階濾波器硬件，濾波器不能達到足夠的衰減率時，將大大降低數(shù)據(jù)采集的精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種無線數(shù)據(jù)采集與處理方法及系統(tǒng)，可以大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?br> 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種無線數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于，包括依次相連的數(shù)據(jù)調(diào)理器、模擬低通濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、主處理器、無線通信模塊和收發(fā)天線，與主處理器連接的存儲器以及為系統(tǒng)中有源器件供電的電源模塊，所述主處理器對采集的信號進行數(shù)字濾波并對濾波后的時域信號進行處理，包括壓縮和特征提取，所述無線通信模塊實現(xiàn)對處理后數(shù)據(jù)的無線傳輸。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明又提供了一種無線數(shù)據(jù)采集與處理方法，包括以下步驟(a)先對傳感器的信號進行調(diào)理，用模擬低通濾波器進行濾波，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；(b)對所述數(shù)字信號進行數(shù)字濾波后，按定制算法對濾波后的時域信號進行壓縮處理和特征提取；(c)由無線通信模塊實現(xiàn)處理后數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。
進一步地，上述方法還可具有以下特點所述步驟(a)中采用巴特沃茲模擬濾波器進行濾波，并采用過采樣技術(shù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，所述步驟(b)中采用高階的有限長沖激響應(yīng)濾波器進行數(shù)字濾波。
進一步地，上述方法還可具有以下特點所述步驟(c)進行無線收發(fā)時，在發(fā)送通道和接收通道上還分別設(shè)置了射頻功率放大器和低噪聲放大器進行功率放大。
由上可知，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果1)針對低功耗無線數(shù)據(jù)處理及傳輸領(lǐng)域的應(yīng)用，通過采用模擬數(shù)字結(jié)合濾波器，可以實現(xiàn)非常好的濾波效果，使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的高精度寬頻帶采集成為可能。
2)通過對時域數(shù)據(jù)進行數(shù)字信號處理實現(xiàn)了對信號的壓縮處理和特征提取，極大的減少了數(shù)據(jù)傳輸數(shù)量，解決了數(shù)據(jù)在無線傳輸中的帶寬瓶頸問題。
3)數(shù)據(jù)傳輸滿足802.15.4協(xié)議，可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)路由傳輸。
4)本發(fā)明綜合考慮軟硬件的總體系統(tǒng)設(shè)計，在滿足系統(tǒng)要求的前提下，盡可能的簡化設(shè)計，減小了系統(tǒng)的功耗，提高了無線數(shù)據(jù)傳輸帶寬的有效利用率，可以組成龐大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。
5)系統(tǒng)采用24位AD對數(shù)據(jù)進行采集，精心設(shè)計數(shù)據(jù)采樣電路，并盡量減小數(shù)字電路和射頻模塊對模擬端采樣的影響，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高精度采集。
本發(fā)明可主要應(yīng)用于橋梁、建筑和船舶等的振動測量，安防，工業(yè)自動化在線監(jiān)測，機械故障診斷，地震預(yù)報等動態(tài)數(shù)據(jù)測量領(lǐng)域。在測量領(lǐng)域，將用戶算法內(nèi)嵌入系統(tǒng)，在本地進行數(shù)字信號處理，直接傳輸處理好的數(shù)據(jù)，減低無線網(wǎng)絡(luò)的流量負(fù)擔(dān)。


圖1是本實施例系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
圖2是圖1中數(shù)據(jù)采集部分的工作流程圖。
圖3是圖1中無線通信模塊的工作流程圖。
具體實施例方式
第一實施例如圖1所示，本實施例系統(tǒng)包括依次連接的數(shù)據(jù)調(diào)理器、模擬低通濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)、主處理器、無線通信模塊和功率發(fā)送模塊，與主處理器連接的外部存儲器，以及與上述模塊中的有源器件相連的電源模塊。此外，無線通信模塊還與數(shù)據(jù)調(diào)理器相連(未示出)，圖中僅示出了數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕较?，其中?shù)據(jù)調(diào)理器可采集處理各種動態(tài)傳感器信號，包括壓力、加速度、應(yīng)變，扭矩等?？梢园迅鞣N傳感器嵌入數(shù)據(jù)調(diào)理器內(nèi)部，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，也可以把現(xiàn)有的傳感器連接到數(shù)據(jù)調(diào)理器的接口，共同構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。
模擬低通濾波器采用5階的巴特沃茲濾波器(型號MAX7410)，以實現(xiàn)輸入信號的抗混疊濾波。巴特沃茲濾波器是全極型濾波器，且其幅頻特性最大平坦。評價濾波器相頻特性最重要的概念是線性相移。對于巴特沃茲濾波器來說，其相頻特性在模擬濾波器中最接近線性相位(在模擬濾波器中不存在線性相位濾波器)。這樣在模擬輸入端既保證了對輸入信號在相對平坦代內(nèi)抗混疊濾波，又保證信號的相位失真最小。濾波器截止頻率可以通過調(diào)節(jié)時鐘頻率任意設(shè)定。在濾波器不工作時通過DSP管腳GPIO11將其自身Shutdown引腳拉低，關(guān)閉濾波器電源，使其進入休眠狀態(tài)，以節(jié)省電力消耗。濾波器電流消耗為1.2mA(工作時)，0.2uA(休眠時)。濾波器的階數(shù)過少，濾波效果不好；階數(shù)過多，耗能太大，本發(fā)明可以選擇2～8階，較佳選擇4～6階。
模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)采用24位低功耗芯片ads1254作為模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，采用過采樣技術(shù)實現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，以提高A/D有效分辨率和抗干擾能力，降低被測頻帶內(nèi)的噪聲電壓。此芯片在保證了數(shù)據(jù)采樣精度的同時，極大的減小了系統(tǒng)功耗，且電路連接方式簡單。
主處理器采用數(shù)字信號處理器(DSP)實現(xiàn)，目的是完成模擬濾波器無法實現(xiàn)的高性能的工作。從功能上又可分為數(shù)字濾波器和信號處理單元，五階模擬濾波器的頻率響應(yīng)曲線中的截止頻率過度帶過寬，會引入信號帶外噪聲干擾。為充分濾除帶外噪聲干擾，在系統(tǒng)設(shè)計中引入高階數(shù)字濾波器(以9階以上為佳)，以提高信噪比和數(shù)據(jù)精度。
數(shù)字濾波器較佳采用有限長沖激響應(yīng)(FIR)濾波器，F(xiàn)IR濾波器可以實現(xiàn)完全的線性相位，這對于保證原始信號的相位特性尤為重要。并且FIR濾波器不會出現(xiàn)IIR濾波器所特有的濾波器振蕩發(fā)散的不穩(wěn)定現(xiàn)象。但在相同的濾波特性條件下，F(xiàn)IR濾波器的計算量大于IIR濾波器，會給DSP帶來額外的計算量。FIR濾波器采用窗函數(shù)設(shè)計法設(shè)計，設(shè)計方法簡單實用，可根據(jù)用戶的需求量身定做，對提高精度有益。
信號處理單元用于對經(jīng)數(shù)字濾波后的時域信號進行處理，實現(xiàn)對信號的壓縮處理和特征提取，可將用戶特殊算法嵌入處理器核心算法中實現(xiàn)，做到實時按用戶需求處理數(shù)據(jù)，并為用戶提供可選信號處理方法，包括FFT、功率譜、均方根、平均等，當(dāng)然也可以直接輸出小數(shù)據(jù)量的時域信號。
無線通信模塊采用802.15.4協(xié)議進行數(shù)據(jù)的無線傳輸，減低了耗電量。除采集到的數(shù)據(jù)外，還可讀取數(shù)據(jù)調(diào)理器、模擬低通濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理器的工作狀態(tài)信息并將已存儲的數(shù)據(jù)文件傳送到網(wǎng)絡(luò)側(cè)主機，此外可以根據(jù)主機下發(fā)的指令和參數(shù)對數(shù)據(jù)調(diào)理器、DSP等模塊進行配置。
外部存儲器用于數(shù)據(jù)的采集存儲。保證在網(wǎng)絡(luò)阻斷的情況下，短時不會丟失數(shù)據(jù)。同時可實現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)關(guān)閉情況下一定時間內(nèi)少量數(shù)據(jù)的存儲功能，便于系統(tǒng)整體節(jié)能。
為滿足部分用戶增大通信距離的需求，無線通信模塊可選配功率收發(fā)模塊，以增大通信距離。功率收發(fā)模塊可細(xì)分為功率放大器和發(fā)射天線。為增大通信距離，本實施例通過附加功率放大器解決，包括發(fā)送通道上的射頻功率放大器HFA3925和接收通道上的低噪聲放大器HFA3424。射頻功率放大器HFA3925實現(xiàn)2.4GHz發(fā)射信號功率放大功能，放大增益最大可達28dB(輸出功率最大可達250mW)。低噪聲放大器HFA3424實現(xiàn)2.4GHz接收信號低噪聲放大功能，放大增益可達14dB。低噪聲放大器的使用極大減低了系統(tǒng)發(fā)射功率(若不使用低噪聲放大器，在最大收發(fā)通信距離為10公里的情況下，系統(tǒng)發(fā)射功率要增大30倍左右)，保證了系統(tǒng)的低功耗設(shè)計?；驹O(shè)備和數(shù)據(jù)調(diào)理器終端通信模塊均采用此相同通信模塊，簡化系統(tǒng)整體設(shè)計。
電源模塊用于實現(xiàn)對系統(tǒng)中有源器件的供電，同時還可以對電池進行充放電管理。電源模塊對各系統(tǒng)分模塊采用獨立的電源管理，在其空閑時使其進入休眠狀態(tài)或關(guān)閉其電源。從而使系統(tǒng)總功耗大大降低。數(shù)字信號處理器通過IIC或UART接口與電源模塊相連，實現(xiàn)對電源部分的電壓、電流和溫度情況的實時監(jiān)控，防止電源過充和欠電現(xiàn)象的發(fā)生，通知網(wǎng)絡(luò)側(cè)主機及時更換電池并為電池充電。
綜上所述，上述裝置的體積小巧，功耗低，在不打開射頻功率放大器的情況下，整個系統(tǒng)平均功耗在15毫安以內(nèi)。需注意的是，上述模塊的選型僅僅是一個示例，并不是對本發(fā)明的限制。另外，上述模塊的劃分是邏輯上的，不排除有兩個模塊在同一硬件上實現(xiàn)，如模數(shù)轉(zhuǎn)換器也可能用主處理器內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，只要其精度足夠。
基于以上系統(tǒng)，本實施例對數(shù)據(jù)進行采集、處理和發(fā)送的方法如圖2所示，首先對傳感器的信號用巴特沃茲模擬濾波器進行濾波，經(jīng)過采樣技術(shù)的AD轉(zhuǎn)換，高階FIR數(shù)字濾波后，由DSP按定制算法對數(shù)字號實施處理，然后與無線通信模塊通信，由無線通信模塊實現(xiàn)處理后數(shù)據(jù)的收發(fā)。
下面將分別對主處理器和無線通信模塊的構(gòu)成進行詳細(xì)的說明。
主處理器在本實施例中，主處理器采用型號為TMS320VC5509A(下面簡稱為VC5509A)的DSP，其特點為低功耗且數(shù)據(jù)處理能力強大。其內(nèi)核采用1.6V的核心電壓以及3.3V的外圍接口電壓，最低可支持0.9V的核心電壓以0.05mW/MIP的低功耗運行。VC5509A支持豐富的外設(shè)接口，可完成數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸以及對其他設(shè)備的控制等功能。
VC5509A內(nèi)部沒有FLASH，其程序加載需要外部存儲器。系統(tǒng)采用的Ramtron公司的SPI接口的低電壓串行FM25L256低功耗串行存儲器加載。串行存儲器相對于并行存儲器可將存儲器模塊功耗降低80％以上，延長系統(tǒng)電池使用時間。FM25L256主要適用于低功耗場合，內(nèi)部按照32k×8位組織，可以工作在3.3V電壓下，最大串行時鐘頻率為20MHz。支持64字節(jié)的頁寫方式以及字節(jié)寫方式。另外，F(xiàn)M25L256可以通過設(shè)置寫保護引腳/WP的電平來設(shè)置芯片的只讀或可寫狀態(tài)。當(dāng)工作電壓為3.3V且工作頻率為1MHz時，低功耗串行存儲器FM25L256的工作電流小于0.3mA，standby電流小于1uA。相同工作條件下同型號AT25256的工作電流小于2mA，standby電流小于2uA。因此，F(xiàn)M25L256較AT25256更省電。
VC5509A具有128K字節(jié)RAM，為擴展數(shù)據(jù)存儲備份，保證無線通信網(wǎng)絡(luò)阻斷的條件下，系統(tǒng)不丟失數(shù)據(jù)，且可在低數(shù)據(jù)采集率的情況下存儲一定時間長度的數(shù)據(jù)。外部還擴展了兩片低功耗串行存儲器數(shù)據(jù)通信的緩沖區(qū)，用于采集存儲。同時，此存儲器也可作為系統(tǒng)在不與外界通信的自主工作條件下的數(shù)據(jù)存儲體。這里選用的是RAMTRON公司的FM20L08。低功耗串行存儲器具有非易失性存儲器的特征，同時具有類似RAM的讀寫操作(非常方便)。FM20L08內(nèi)部按照128K×8位組織，訪問周期為60ns，讀寫操作周期相同。同時它也是一款支持低電壓工作的芯片，3.3V時典型工作電流為20mA，典型靜態(tài)電流為20μA。
主處理器工作在雙電源電壓下，其核心電壓為1.2V，I/O電壓為3.3V。對雙電壓電源系統(tǒng)，常用的有線性穩(wěn)壓電源以及開關(guān)穩(wěn)壓電源，根據(jù)兩者對電壓轉(zhuǎn)換的原理的不同，電壓的轉(zhuǎn)換效率也有很大區(qū)別。對于線性穩(wěn)壓電源，多用在較大的負(fù)載電流場合，其整體系統(tǒng)功耗分為兩部分，一部分為所有低功耗器件消耗，另一部分為線性穩(wěn)壓器件本身所消耗。以輸入5V直流電壓轉(zhuǎn)換到3.3V電壓為例，理論電壓轉(zhuǎn)換效率約為66％。而對于開關(guān)穩(wěn)壓器件，選用合適的器件，電壓轉(zhuǎn)換效率可以達到95％以上，電源器件本身消耗功率可以極少，對相同的系統(tǒng)電流，整體系統(tǒng)功耗極大降低。因此，在低功耗小電流場合，選用開關(guān)穩(wěn)壓電源器件更為適合。
系統(tǒng)選用TI公司的TPS6200x系列開關(guān)穩(wěn)壓器件TPS62000(可調(diào)輸出)和TPS62007(固定輸出3.3V)。TPS6200x系列是專為低功耗CPU而設(shè)計的一系列電源器件，在輸出電流為10mA時，效率可達90％。同時，TPS62000系列工作在低功耗模式時，可根據(jù)負(fù)載電流的大小自動在PWM和PFM模式之間切換，以節(jié)省功耗。在雙電源系統(tǒng)中，核心電壓必須先于I/O電壓上電，后于I/O電壓斷電，這里利用TPS62000的PG信號作為TPS62007的EN信號來實現(xiàn)。
對整個系統(tǒng)而言，選擇工作在較低電壓下的低功耗芯片可以降低系統(tǒng)功耗；同時，設(shè)置適合的工作方式也可以降低系統(tǒng)功耗。對系統(tǒng)中大多數(shù)芯片(包括濾波器、放大器、DSP，通訊模塊，AD轉(zhuǎn)換器等)而言，都帶有關(guān)斷控制或者自動工作模式切換功能，因此不需人為干預(yù)，系統(tǒng)的功耗最終很大程度上落在DSP上。在不影響系統(tǒng)工作性能的前提下，適當(dāng)降低DSP工作主頻可以降低系統(tǒng)功耗。對于VC5509A來說，每兆赫茲消耗的電流數(shù)約為0.05A，不包括CPU外圍電路的功率消耗。DSP內(nèi)核功耗與DSP工作主頻成正比關(guān)系。例如，將主頻降低到10～40M，這樣內(nèi)核的功耗相應(yīng)也會降低十倍。
VC5509A自帶四路10bit逐次比較型ADC，采樣頻率最高為21.5KHz?？蓪囟?、壓力等對數(shù)據(jù)精度要求不高的信號進行采樣。此外設(shè)可提供給用戶用于系統(tǒng)的靈活配置。但對于采樣精度要求較高的場合，必須外擴AD。
VC5509A采用8兆時鐘作為時鐘源，時鐘采用旁路模式輸入，此方法主要作用為降低系統(tǒng)功耗(相對于鎖相環(huán)模式)。CPU主時鐘分頻數(shù)設(shè)置為一分頻。
VC5509A不提供UART，可以通過多通道緩沖串行口軟件模擬UART，用于和802.15.4無線通信模塊交換數(shù)據(jù)。系統(tǒng)利用多通道緩沖串口McBSP1的三個信號數(shù)據(jù)線DX1和DR1引腳、幀同步線FSR1，來實現(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。VC5509A采用多通道緩沖串口McBSP0的EEPROM模式加載時，默認(rèn)同步串口0的信號引腳來模擬SPI接口與AD通信。
模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ads1254數(shù)據(jù)輸出采用帶SCLK的數(shù)據(jù)輸出模式，與DSP的數(shù)據(jù)接口采用多通道緩沖串口MCBSP2和一根中斷信號線INT0實現(xiàn)(上升延有效)。采用MCBSP的好處為連接關(guān)系簡單高效，多通道緩沖串口數(shù)據(jù)接收寄存器一次可完全接收由AD轉(zhuǎn)換完成的24Bit數(shù)據(jù)(若通過普通單片機的SPI口進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，需接收3次才能完成)。時鐘與幀同步信號都由DSP給出，多通道緩沖串口的時鐘頻率最大為系統(tǒng)時鐘頻率的1/2。INT0接收到上升延信號后，觸發(fā)設(shè)備數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好中斷，再將時鐘幀同步信號由外同步改為內(nèi)同步，在24個MCBSP時鐘周期后接收數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)接收完成后再將時鐘幀同步信號由內(nèi)同步改為外同步等待下一次INT0中斷。
無線通信模塊無線通信模塊實現(xiàn)的功能任務(wù)包括A.建立多數(shù)據(jù)調(diào)理器星型網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)多數(shù)據(jù)調(diào)理器與基站設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信；B.讀取數(shù)據(jù)調(diào)理器工作狀態(tài)(如電源狀態(tài)、Flash剩余空間)；設(shè)置數(shù)據(jù)調(diào)理器開始采集時間、結(jié)束采集時間、采樣率、通道增益、記錄長度和記錄周期的批處理文件；C.讀取指定數(shù)據(jù)調(diào)理器某一數(shù)據(jù)文件。
以往的無線微波數(shù)字通信局域網(wǎng)通信模塊(802.11a協(xié)議)由基帶處理器，雙頻合成器，調(diào)制解調(diào)器，上/下變頻器，射頻壓控振蕩器和中頻壓控振蕩器組成。而本實施例采用無線微波數(shù)字通信專用個人網(wǎng)(802.15.4)通信模塊僅由物理層協(xié)議控制與數(shù)據(jù)收發(fā)芯片和協(xié)議解析芯片組成。二者相比，無線微波數(shù)字通信專用個人網(wǎng)具有系統(tǒng)集成度高、功耗低(這是802.15.4網(wǎng)絡(luò)的最大亮點，其能量消耗相對于其他通信網(wǎng)絡(luò)要低很多)和硬件設(shè)計難度小的優(yōu)點。另外無線微波數(shù)字通信專用個人網(wǎng)還具有系統(tǒng)可擴展性強和保密性好等優(yōu)點?？紤]到模塊的通用性和模塊可移植性，基站通信模塊和終端通信模塊使用的是基于802.15.4協(xié)議的相同無線通信模塊，只是軟件編寫內(nèi)容不同。
無線通信模塊集成了作為802.15.4協(xié)議物理層射頻應(yīng)用的主要功能，可以支持多種不同的數(shù)據(jù)傳輸速率，實際有效數(shù)據(jù)傳輸率最高可達125Kbps。設(shè)備的低電壓供電要求工作電壓為3.3V，待機狀態(tài)功耗遠小于1mW，能滿足終端通信模塊低功耗的要求。
本實施例無線通信模塊的硬件結(jié)構(gòu)包括802.15.4物理層協(xié)議控制與數(shù)據(jù)收發(fā)芯片MC13192和802.15.4MAC層協(xié)議解析芯片MC9S08GT60。收發(fā)信機的擴頻編解碼、對信號進行O-QPSK調(diào)制/解調(diào)、基帶信號處理、信號的上/下變頻、數(shù)據(jù)射頻發(fā)送與射頻接收等功能都是通過MC13192完成。MC9S08GT60芯片負(fù)責(zé)802.15.4MAC層協(xié)議解析工作，包括建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接(星型聯(lián)接支持16個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，樹型聯(lián)接最多支持32767個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備)；實現(xiàn)MAC層數(shù)據(jù)打包與解包功能；實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備通過Coordinator和Router點對點數(shù)據(jù)互傳，防止信號碰撞；對數(shù)據(jù)實施保密控制；實現(xiàn)數(shù)據(jù)調(diào)理器和基站設(shè)備間數(shù)據(jù)鏈路的無縫接口，完成數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通功能。
無線通信模塊的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可采用星型網(wǎng)絡(luò)、點對點網(wǎng)絡(luò)、簇狀樹和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)等連接方式?？筛鶕?jù)用戶具體需要，定制網(wǎng)絡(luò)連接。
下面介紹一下無線通信模塊發(fā)送指令的流程以主設(shè)備發(fā)送指令為例。主設(shè)備通過232串口收到其他設(shè)備的指令后，首先經(jīng)過應(yīng)用層對收到的指令進行預(yù)處理，將其放入應(yīng)用層消息隊列中，等待MAC層對這一消息進行進一步處理。MAC層消息指針輪詢到這一消息后，將這一消息經(jīng)MAC層打包發(fā)送到物理層，等待物理層對消息的進一步處理。物理層接到經(jīng)MAC打包發(fā)送過來的消息后，為該包信息設(shè)置幀頭幀尾等物理層信息。該包數(shù)據(jù)擴頻后經(jīng)O-QPSK調(diào)制變成數(shù)據(jù)載波信號。數(shù)據(jù)載波信號經(jīng)2.4GHz功率放大器放大后，由半波長天線發(fā)射到空中，主設(shè)備發(fā)送指令過程結(jié)束。從設(shè)備接受指令過程與主設(shè)備發(fā)送指令過程類似，只是過程相反。圖7為無線通信模塊程序流程結(jié)構(gòu)框圖。該流程和常規(guī)處理相比，增加了功率放大的處理。
第二實施例本實施例與第一實施例的整體結(jié)構(gòu)和方法流程是相同的，均如圖1和圖2所示。只是本實施例的主處理器和無線通信模塊的具體實現(xiàn)與第一實施例不同，下面分別進行詳細(xì)介紹。
主處理器本實施例的主處理器采用型號為BF531數(shù)字信號處理器，特點為低功耗且數(shù)據(jù)處理能力強大。其內(nèi)核采用1.2V的核心電壓以及3.3V的外圍接口電壓，以0.05mW/MIP的低功耗運行。BF531支持豐富的外設(shè)接口，可完成數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸以及對其他設(shè)備的控制等功能。
BF531內(nèi)部沒有FLASH，其程序加載需要外部存儲器。系統(tǒng)采用存儲器AM29LV040加載程序。
BF531具有84K字節(jié)RAM，為擴展數(shù)據(jù)存儲備份，保證無線通信網(wǎng)絡(luò)阻斷的條件下，系統(tǒng)不丟失數(shù)據(jù)，且可在低數(shù)據(jù)采集率的情況下存儲一定時間長度的數(shù)據(jù)。同樣地，外部擴展了兩片低功耗串行存儲器數(shù)據(jù)通信的緩沖區(qū)，用于采集存儲。同時，此存儲器也可作為系統(tǒng)在不與外界通信的自主工作條件下的數(shù)據(jù)存儲體。也選用RAMTRON公司的FM20L08。
BF531工作在雙電源電壓下，其核心電壓為1.2V，I/O電壓為3.3V。3.3V供電芯片采用TI公司的TPS73133。1.2V供電由DSP內(nèi)部PWM的控制信號通過外部的CMOS管NDS8434產(chǎn)生，不需獨立的電源芯片和電源加電控制邏輯。
BF531提供通用UART接口，其與無線控制模塊的標(biāo)準(zhǔn)UART接口連接，實現(xiàn)與無線接口的數(shù)據(jù)通信功能。
模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片數(shù)據(jù)輸出采用標(biāo)準(zhǔn)SPI同步數(shù)據(jù)輸出模式，與DSP標(biāo)準(zhǔn)SPI同步數(shù)據(jù)接口連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可靠傳輸。
無線通信模塊要完成的功能和任務(wù)與第一實施例相同，硬件結(jié)構(gòu)有所差別，802.15.4物理層協(xié)議控制與數(shù)據(jù)收發(fā)由TI公司的802.15.4協(xié)議集成芯片CC2430完成，功能相同不再贅述。與其它模塊的通信接口為標(biāo)準(zhǔn)串口，簡單易用。
權(quán)利要求
1.一種無線數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)，其特征在于，包括依次相連的數(shù)據(jù)調(diào)理器、模擬低通濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、主處理器、無線通信模塊和收發(fā)天線，與主處理器連接的存儲器以及為系統(tǒng)中有源器件供電的電源模塊，所述主處理器對采集的信號進行數(shù)字濾波并對濾波后的時域信號進行處理，包括壓縮和特征提取，所述無線通信模塊實現(xiàn)對處理后數(shù)據(jù)的無線傳輸。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)調(diào)理器內(nèi)部嵌入有傳感器或通過接口與傳感器連接，共同構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。
3.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述模擬低通濾波器采用2～8階的巴特沃茲濾波器。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)字濾波器采用9階及以上的有限長沖激響應(yīng)濾波器。
5.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于在所述無線通信模塊和發(fā)送天線之間的發(fā)送通道和接收通道上還分別設(shè)置了射頻功率放大器和低噪聲放大器。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述主處理器采用低功耗數(shù)字信號處理器，其核心算法中采用標(biāo)準(zhǔn)算法或同時內(nèi)嵌有用戶定制的算法。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述無線通信模塊采用802.15.4協(xié)議進行數(shù)據(jù)的無線傳輸，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星型、點對點、簇狀樹或網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；除傳輸采集到的數(shù)據(jù)外，還讀取數(shù)據(jù)調(diào)理器、模擬低通濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理器的工作狀態(tài)信息并將已存儲的數(shù)據(jù)文件傳送到網(wǎng)絡(luò)側(cè)主機，并可根據(jù)主機下發(fā)的指令和參數(shù)對上述模塊進行配置。
8.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述存儲器采用串行存儲器，用于保存該數(shù)字信號處理器的程序，以及充當(dāng)數(shù)據(jù)通信的緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)的備份區(qū)。
9.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述電源模塊對各系統(tǒng)分模塊采用獨立的電源管理，在其空閑時使其進入休眠狀態(tài)或關(guān)閉其電源，同時實現(xiàn)對電池的充放電管理；所述數(shù)字信號處理器對該電源模塊的電壓、電流和溫度情況進行實時監(jiān)控，防止電源過充和欠電現(xiàn)象的發(fā)生，通知網(wǎng)絡(luò)側(cè)主機及時更換電池并為電池充電。
10.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)據(jù)調(diào)理器、濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、主處理器和通訊模塊都帶有關(guān)斷控制或者自動工作模式切換功能。
11.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征在于所述數(shù)字信號處理器在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下降低系統(tǒng)主頻，工作在10～40M；與其所連接的模塊之間采用串行總線連接。
12.一種無線數(shù)據(jù)采集與處理方法，包括以下步驟(a)先對傳感器的信號進行調(diào)理，用模擬低通濾波器進行濾波，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；(b)對所述數(shù)字信號進行數(shù)字濾波后，按定制算法對濾波后的時域信號進行壓縮處理和特征提??；(c)由無線通信模塊實現(xiàn)處理后數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。
13.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于所述步驟(a)中采用巴特沃茲模擬濾波器進行濾波，并采用過采樣技術(shù)進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，所述步驟(b)中采用高階的有限長沖激響應(yīng)濾波器進行數(shù)字濾波。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其特征在于所述步驟(c)進行無線收發(fā)時，在發(fā)送通道和接收通道上還分別設(shè)置了射頻功率放大器和低噪聲放大器進行功率放大。
全文摘要
一種無線數(shù)據(jù)采集與處理方法及其系統(tǒng)，包括依次相連的數(shù)據(jù)調(diào)理器、模擬低通濾波器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、主處理器、無線通信模塊和收發(fā)天線，與主處理器連接的存儲器以及為系統(tǒng)中有源器件供電的電源模塊；該方法先對傳感器的信號進行調(diào)理，用模擬低通濾波器進行濾波，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；對所述數(shù)字信號進行數(shù)字濾波后，按定制算法對濾波后的時域信號進行壓縮處理和特征提??；由無線通信模塊實現(xiàn)處理后數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。本發(fā)明可主要應(yīng)用于橋梁、建筑和船舶等的振動測量，安防，工業(yè)自動化在線監(jiān)測，機械故障診斷，地震預(yù)報等動態(tài)數(shù)據(jù)測量領(lǐng)域，在本地進行數(shù)字信號處理，直接傳輸處理好的數(shù)據(jù)，減低無線網(wǎng)絡(luò)的流量負(fù)擔(dān)。
文檔編號H04L12/28GK1972146SQ200610113660
公開日2007年5月30日 申請日期2006年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月11日
發(fā)明者孫巖松, 唐智斌, 代嘯寧 申請人:北京必創(chuàng)科技有限公司