在工業生產中，數據采集和監控為提高產品質量、降低成本提供了信息和手段,成為工業生產中不可缺少的部分。與傳統有線數據采集系統相比，無線數據采集系統具有靈活、輕便、工作范圍大，環境適應能力強等優勢[1],解決了傳統數據采集系統在一些特殊的環境中布線難的問題。無線采集模塊的供電和能耗一直是整個系統設計的重點。在電池供電的系統中，系統的能耗決定整個系統的工作時間長度，電池的更換頻率直接關系著整個系統的維護成本。在以收集自然能源的無源系統中，更低的功耗能減少無源電源的設計難度。因此，降低無線數據采集節點的能耗是整個系統設計的首要問題之一。

1 系統的優化方向和方案
1.1 系統的優化方向
    無線數據采集的網絡拓撲結構分為樹形網絡、星形網絡和對等網絡三種，其中樹形網絡和星形網絡應用比較廣泛。在這兩種網絡的數據采集系統中，數據采集模塊是非簇頭節點。這類節點受供電模塊約束較為嚴重，因此，在實現功能的前提下硬件設計要盡可能采用低功耗元件和簡潔的電路，以達到降低功耗的要求。在無線通信平臺已經確定的情況下，電路設計相對固定，硬件上的優化空間較小。
    數據閱讀器這類簇頭節點的設計受功耗的限制相對較小，將整個系統的優化重點放在數據收集節點的通信方式上相對較容易。將整個數據采集過程中的大部分工作盡可能多地安排在簇頭節點，減少終端節點的通信工作時間是整體設計的優化方向。
1.2 優化方案
    輪詢是系統收集數據的常用方法。在無線網絡中，非簇頭節點受到功耗的限制，除上傳數據以外，其他時間都會處于休眠狀態。為了保證握手與通信成功，簇頭節點會增加通信范圍內的每個終端節點的詢問次數，導致停留在單節點的時間變長。假設采集節點A和F在某一時刻同時喚醒，傳統輪詢機制在A點上傳數據完成后，F點需要歷經B、C、D、E 4個節點的輪詢時間才能進行通信。將系統對終端節點的輪詢和數據傳輸功能分離，輪詢節點時發現某一節點需要進行通信，將該節點信息通知數據采集的模塊，負責數據采集的模塊收到信息后,立即與該節點進行數據交換。簇頭節點在進行數據通信的同時,也進行著輪詢。若在A節點數據通信完成之前，輪詢已發現F節點數據需要傳輸，則系統在完成A節點的數據交換后，會立刻進行F節點的通信。這種通信設計方式將提高閱讀器找尋工作狀態設備節點的效率[2]。尤其在系統中存在數據量較大的單節點時，優勢會更加明顯。
2 實驗平臺的硬件結構
2.1數據采集終端
    數據采集終端結構如圖1所示,分為無線模塊、控制芯片、Flash存儲、對基模塊及串口數據輸出5個部分。時基模塊用來測量無線模塊工作時間，控制芯片通過脈沖信號鎖定起始時刻和終止時刻，將時間數據讀出并存入Flash中。Flash中的實驗數據通過串口上傳給電腦。

    時基模塊能給多個采集終端提供分辨率為1 μs的時間基準信息。時基模塊由硬件邏輯完成，內部結構圖如圖2所示，TIME_LOCK信號的下降和上升沿鎖存時間點，其他信號為CPLD與控制芯片的通信接口。

2.2 數據閱讀器
    數據閱讀器的硬件結構如圖3所示。本設計使用了雙通信模塊來實現輪詢和數據接收的分離,輪詢和數據接收分別工作在兩個不同的無線信道上。通信模塊1使用CH1信道進行握手，通信模塊2使用CH2信道接收數據。公共存儲區域用于存放輪詢到的節點信息，2個通信模塊均能對該區域存儲的數據進行修改和讀取。

2.3 NRF24L01無線模塊
    NRF24L01是挪威NORDIC公司生產的一款低成本，工作在2.4～2.5 GHz ISM頻段的射頻收發芯片[3]。芯片的操作和數據讀寫通過SPI完成。接收模式下，芯片可以同時接收相同信道下6個不同地址的信息。NRF24L01常用模式的工作電流為：(1)發射模式,功率為0 dBm時,工作電流為11.3 mA；(2)接收模式,速率為2 000 kb/s，工作電流為12.3 mA；(3)Standby-I模式，工作電流為32 μA；(4)Power_down模式，工作電流為900 nA。芯片自帶的增強型ShockBurstTM模式使執行雙向鏈接協議更為容易、有效，從而保證數據發送可靠性的同時， 降低功耗, 實現在-6 dBm功率下發送數據，平均工作電流可以減小到0.05 mA。
3 程序設計和細節優化
3.1 程序設計
    數據閱讀器模塊1、模塊2的程序流程如圖4所示。模塊1完成初始化后，使用信道CH1進行輪詢操作，收到握手信號后，將記錄終端編號，刷新公共存儲區數據。模塊2使用信道CH2收集數據，控制芯片不斷循環檢測公共存儲區的數據更新。發現更新后將數據讀入，根據終端編號設置無線模塊的地址，并完成握手、數據接收和數據校驗。

    數據采集終端的程序流程如圖5所示，開機后控制芯片從內部集成的Flash中讀出機器的無線地址，上傳數據時間間隔及數據長度等系統參數，完成對無線模塊和定時器的初始化。主程序中控制芯片不斷對時間標志進行檢查，上傳數據時間到達，激活時基模塊開始計時，使用CH1信道發送握手信號。當信號發送成功后，轉換使用CH2信道等待握手，握手成功后發送數據。數據傳送完成后，結束計時，從時基模塊中讀取時間數據并存儲到Flash中。主程序將對RS232口進行監視，檢測PC機的指令。
    為方便對實驗的監控,在PC機上針對實驗平臺設計了控制軟件，軟件使用Delphi編譯環境完成。PC機可以通過該軟件對采集終端、數據閱讀器進行監控，完成系統參數設置以及對上傳的時間數據進行分析。
3.2 細節優化
    從NRF24L01無線模塊的工作模式電氣參數可知，發射模式的功耗比接收模式低很多,因此數據采集終端采用主動呼叫握手[4]方式進一步降低功耗。數據閱讀器的輪詢模塊一次可同時監視6個終端的握手信號，縮小了輪詢周期，減少了終端的握手等待時間。在程序設計方面，合理性設計無線模塊每個單位數據發送時間間隔長度、系統睡眠和喚醒、優化系統時鐘和工作時序、精簡指令[5]都是降低設備功耗的有效方法。
4 實驗設計和實驗結果
4.1 實驗設計
    實驗僅為驗證優化方案能否達到縮短采集終端工作時間的效果。實驗平臺采用51單片機作為數據閱讀器和數據采集器的控制芯片，一塊CycloneII的FPGA核心板作為時基模塊給數據采集終端提供時間測量。
    實驗中的數據采集終端節點為24個,其中5個為實物節點，其他為虛節點。實驗完成了兩組測試，一組采用傳統的輪詢方式，另一組采用優化后的輪詢方式，兩次實驗對其中3個實物節點的工作時間數據進行分析比較。
    實驗中設備的高層通信協議如圖6所示，其中幀參數包括幀長度及幀校驗信息，校驗方式為和校驗。NRF24L01模塊通信設置為自動應答方式，啟動自動重發功能。數據重載次數為10次，重發時間間隔為(250+86) μs。

    經實驗測量， 無線模塊一次性成功發送一單位幀(4 B)的時間為880 μs左右，單位幀發送失敗耗時(MAX_TR時間)約為5.65 ms。由此確定單位幀的發送耗時范圍是880 μs～5.65 ms。根據單位幀的發送時間，將輪詢分配給每個設備的握手等待時間設置為20 ms。數據采集終端的上傳時間間隔設置為3 s，每次上傳數據長度為40 B。
4.2 實驗結果
     兩次實驗的結果如表1、表2所示。實驗數據表明,本文提出的優化方法降低了無線數據網絡中非簇頭節點的工作時間，減少了模塊的功耗。

參考文獻
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