（岩土工程专业论文）基于wifi的无线数据采集系统研究.pdf

原创性声明 i i iiii i1 1 1 1i iiii iiiiil y 18 3 3 8 6 9 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：王甬荫 日期：2 _ o o 年歹月弓9 日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州 大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或者其他复制于段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学 位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑 州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：王阳阳日期：2 _ o o 年- 5 月, 3 0 日 摘要 摘要 数据采集是测量、测控的基础，广泛应用于各类工程领域。传统的数据采 集手段多利用数据采集仪进行数据采集，采集仪笨重，功耗高、携带不便。目 前的研究成果多局限于有线的数据采集系统，适用于采集环境较好的数据采集 任务，而对环境恶劣的实时数据采集已不能胜任。随着社会需求的发展，数据 采集的环境更加多元化，采集的数据量更加庞大，数据分析更趋复杂。因此， 探究一种新的数据采集手段显得尤为重要。 本文针对现行数据采集中存在的问题，在日趋成熟的计算机技术、通信技 术以及虚拟仪器技术支撑下，从数据采集的现实需求出发，对基于w i f i 的无 线数据采集系统进行探索和研究： 1 在对有线与无线通信技术性能进行全面分析对比的基础上，确定采用无 线方式进行数据通信，并在当前几种主流无线通信技术的范围内，选取优势突 出的w i f i 无线通信技术。 2 在虚拟仪器理念的指导下，从系统设计开发的软硬件环境着手，分别探 究了系统的开发平台和前端数据采集模块。鉴于l a b v i e w 是目前发展最快、 使用最广、功能最强的图形化软件开发集成环境，其提供的工具和函数较适用 于数据采集、分析、显示和存储，其图形数据显示尤其适合测量、测试领域应 用的特点，选取n i 公司提供的l a b v i e w 开发平台。针对n iw l s 9 2 3 4 数据采 集模块主要应用于声音和振动领域的数据采集，并且可以通过i e e e8 0 2 1 l g ( w i f i ) 通信协议将数据以无线方式传输到分布式监控系统的特点，确定采用 n iw l s 9 2 3 4 数据采集卡作为系统前端数据采集模块。 3 通过m a x 软件驱动控制数据采集卡的硬件操作，分别对计算机和数据 采集卡的属性信息进行了无线通信配置，经由i e e e8 0 2 1 l g ( w i f i ) 通信协议 i 摘要 建立了两者之间的无线连接。在搭建起数据采集系统整体框架的基础上，采用 “化整为零，合零为整的思想，对数据采集系统软件进行设计开发，先设计 系统各个功能的前面板，然后设计各个功能相应的程序框图，用程序框图代码 “g 代码实现前面板中的各个功能，进而集成整个系统软件的功能数据 采集、数据分析、数据处理等。 4 现场进行了无损检测实验锚杆锚固质量检测，在多个测量结果中， 选出2 个具有代表性的检测分析波形，以便对本无线数据采集系统进行检验。 实验结果显示，系统数据采集、检测结果与实际情况吻合良好。表明：本无线 数据采集系统具有一定的可靠性、实用性和先进性。 5 本文探究了一种新的数据采集方法，并将这种新的数据采集手段在无损 检测领域进行了有益的尝试。表明这种基于虚拟仪器的无线数据采集系统将会 成为无损检测的一个发展方向。 关键词：数据采集w i f i 无线技术虚拟仪器l a b v i e w 开发平台 a b s t r a c t a b s t r a c t d a t aa c q u i s i t i o ni st h ef o u n d a t i o no fm e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ，a n dw i d e l yu s e d i nv a r i o u se n g i n e e r i n gf i e l d s i nt r a d i t i o n , d a t aa c q u i s i t i o nw a sc a r r i e do u tm o s t l y w i ld a t a l o g g e r , w h i c hi sc u m b e r s o m e ，o fh i g hp o w e rc o n s u m p t i o n a n d i n c o n v e n i e n tt oc a r r y t h ec u r r e n tr e s e a r c hr e s u l t sa r em a i n l yl i m i t e dt ow i r e dd a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m s ，w h i c hi ss u i t a b l ef o rd a t ac o l l e c t i o ni nt h eb e t t e re n v i r o n m e n t , n o ti nt h ep o o r - c o n d i t i o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a ln e e d s ，t h ec o l l e c t i o n e n v i r o n m e n ti sm o r e d i v e r s i f i e d ，t h ed a t av o l u m em o r ee n o r m o u s ，a n dt h ed a t a a n a l y s i sm o r ec o m p l e x s ot h ee x p l o r a t i o no fan e wm e t h o df o rd a t ac o l l e c t i o ni s v e r yi m p o r t a n t i nt h i sp a p e r , o r i g i n a t i n gf r o mt h er e a ln e e do ft h eo n - g o i n gd a t aa c q u i s i t i o n ，t h e e x p l o r a t i o na n dr e s e a r c hf o rw i f i - b a s e dw i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ma r et ob e p e r f o r m e di nt e r m so ft h ec u r r e n td a t ac o l l e c t i o np r o b l e m s ，w i t ht h ei n c r e a s i n g l y s o p h i s t i c a t e dc o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o na n dv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y 1 i ti sd e t e r m i n e dt oa d o p tw i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o no nt h eb a s i so ft h e c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o no nt h ep e r f o r m a n c e so fw i r e da n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y a n da m o n gt h es e v c r a lp o p u l a rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s ，w i - f iw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hh a st h eo u t s t a n d i n g a d v a n t a g e s ，i ss e l e c t e d 2 o nt h ec o n c e p to ft h ev i r t u a li n s t r u m e n t t h es y s t e md e v e l o p m e n tp l a t f o r m a n df r o n t e n dd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e sa r ee x p l o r e db a s e do nt h es o f t w a r ea n d h a r d w a r ee n v i r o n m e n ti n s y s t e md e s i g na n dd e v e l o p m e n t l a b v i e wi s t h e i n t e g r a t e dg r a p h i c a ls o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tw i t hf a s t e s tg r o w t h ，w i d e s t u s ea n dm o s tp o w e r f u lf u n c t i o n i tp r o v i d e st h et o o l sa n df u n c t i o n s ，e a s yt oa p p l yi n d a t ac o l l e c t i o n ，a n a l y s i s ，d i s p l a ya n ds t o r a g e ，a n di t sg r a p h i c a ld a t ad i s p l a y , e s p e c i a l l yi nm e a s u r e m e n ta n dt e s tf i e l d s t h e r e f o r e ，t h el a b v i e wd e v e l o p m e n t p l a t f o r l i li st h eb e s tc h o i c e n iw l s 一9 2 3 4i sm a i n l yu s e di nt h ef i e l do fs o u n da n d v i b r a t i o nd a t aa c q u i s i t i o n ，a n dt h ed a t ac a nb ew i r e l e s s l yt r a n s m i t t e dt ot h e d i s t r i b u t e dm o n i t o r i n gs y s t e mb yt h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，i e i e e e8 0 2 1 1g ( w i f i ) ，a sar e s u l t ，t h en iw l s 9 2 3 4d a t aa c q u i s i t i o nc a r dc a nb ec h o s e na st h e s y s t e mf r o n t e n dd a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e 3 w i t ht h en 【a xs o f t w a r ed r i v i n gc o n t r o ld a t aa c q u i s i t i o nc a r d a t t r i b u t e i n f o r m a t i o no ft h ec o m p u t e ra n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r di sw i r e l e s s l yc o n f i g u r a t e d a n dt h ew i r e l e s sc o n n e c t i o ni se s t a b l i s h e d b y t h ei e e e8 0 2 1 lg ( w i - f i ) c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 a f t e rt h eo v e r a l lf r a m e w o r ko ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m i ss e tu p t h ei d e ao f ”f i r s td e c o m p o s i t i o n ，l a s ti n t e g r a t i o n ”i si n t r o d u c e di n t ot h e a b s 仃a c t c o u r s eo fd e s i g na n dd e v e l o p m e n ti nt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e ms o f t w a r e f i r s t , d e s i g nt h es y s t e mf r o n tp a n e l sw i t hd i f f e r e n tf u n c t i o n s ，t h e nt h ec o r r e s p o n d i n gb l o c k d i a g r a m s ，i nw h i c ht h ev a r i o u sf u n c t i o n sc a nb ea c h i e v e db yt h ec o d e ”g ”f i n a l l y i n t e g r a t et h ew h o l es o , w a r es y s t e mw i t hd a t ac o l l e c t i o n , a n a l y s i s ，p r o c e s s i n g ，a n ds o o n 4 i no r d e rt og i v et h ei n s p e c t i o nf o rw i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，a n o n - d e s t r u c t i v et e s t i n ge x p e r i m e n t - a n c h o r i n gq u a l i t yd e t e c t i o ni sc a r r i e do u to nt h e s i t e t w or e p r e s e n t a t i v et e s t i n gw a v e f o r m sa r es e l e c t e df r o man u m b e ro fm e a s u r i n g r e s u l t s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed a t ac o l l e c t i o na n dt e s tr e s u l t sa r ei ng o o d a g r e e m e n tw i t ht h er e a l i s t i cs i t u a t i o n , p r o v i n gt h a tt h ew i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o n s y s t e mi sr e l i a b l e ，p r a c t i c a la n da d v a n c e d 5 i nt h i sp a p e r , an e wm e t h o do fd a t ac o l l e c t i o ni se x p l o r e d a n du n d e r g o e sa b e n e f i c i a l e x p e r i m e n t i nt h ef i e l do fn o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g ，s h o w i n gt h a tt h e w i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n tw i l lb eap o t e n t i a l d e v e l o p m e n ti nn o n - d e s t r u c t i v et e s t i n g k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ；w i - f iw i r e l e s st e c h n o l o g y ；v i r t u a li n s t r u m e n t s ； l a b v i e w d e v e l o p m e n tp l a t f o r m i i 目录 目录 1 引言1 1 1 课题背景及意义1 1 2 国内外现状3 1 3 本文研究内容4 2 数据采集及无线通信6 2 1 数据采集的发展6 2 2 有线、无线数据采集7 2 3w i - f i 无线通信9 2 3 i 几种主流无线通信技术9 2 3 2w i _ f i 的突出优势v 1 2 3 系统软硬件环境1 4 3 1 虚拟仪器支撑环境1 4 3 2l a b v i e w 开发平台1 6 3 3w l s - 9 2 3 4 数据采集卡2 1 4 系统设计与实现2 7 4 1 建立无线连接2 7 4 1 1 硬件驱动2 7 4 1 2 仪器控制3 0 4 i 3 无线连接3 1 4 2 前面板设计4 2 4 3 程序框图设计4 7 4 4 功能模块实现4 9 目录 5 工程应用5 7 5 1 锚杆锚固质量检测5 7 5 2 检测实验6 0 5 3 实验结果6 3 6 结论6 4 参考文献6 6 致谢6 9 个人简历7 0 i v l 引言 1 引言 1 1 课题背景及意义 数据采集，又称数据获取，是利用一种装置将系统外界事物的特征获取之 后输入到系统内部的一个过程。数据采集的含义很广，数据采集技术也广泛应 用在各个领域，本课题中所涉及的数据采集是指工程检测或监测中的数据采集。 在现代的实际工程领域中，存在着大量检测问题，如混凝土板材厚度检测、锚 杆锚固检测、灌浆密实度检测等，在众多的检测技术中，无损检测更是当今工 程检测技术领域中发展最有优势的检测技术。然而，无论哪一种检测技术和方 法，都离不开数据采集，这些方法也正是在数据采集基础之上进行进一步的研 究和讨论的，进而才能确定工程人员想要的结果，即数据采集是检测技术的基 础。 提及数据采集，我们不禁要感谢计算机技术的发展。计算机技术的日新月 异的发展改变了我们的生产生活。单单就数据通信这个领域来说，计算机技术 的发展使得数字设备正逐渐取代模拟设备。在现代的生产过程控制和科学研究 等广泛的领域中，计算机测控技术正发挥着举足轻重的作用。数据采集是计算 机在检测、管理和控制系统的过程中，取得原始数据的主要于段。由于外部世 界的大部分信息是连续变化的物理量，如温度、压力、位移、速度等，所以要 将这些信息送入计算机进行处理，首先必须将这些连续变化的物理量离散化， 并进行量化编码，从而变成数字量，这个过程就是数据采集。 多年以来，国内外各领域都对数据采集进行了研究，也针对数据采集开发 了许多适合自己领域的数据采集系统或者数据采集仪。计算机技术的发展不仅 为数据采集提供了方便，创造了优越的条件，更赋予了数据采集新的意义。将 被测对象的各物理量经信号调理、采样、量化、编码、传输等步骤，最后送到 控制器进行数据处理或存储，此控制器一般均有计算机来承担，计算机成了数 据采集系统的核心，它对整个系统进行控制，并对采集的数据进行加工处理。 这种用于数据采集的成套设备即称为数据采集系统( d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ， d a s ) 【。这种基于计算机的数据采集系统与传统的数据采集仪相比有了变革 性的发展。 1 引言 基于p c 机的数据采集系统已经成为目前应用最为广泛的数据采集系统之 一，广泛应用于如机械设备监测，电力设备监控、遥感遥测等测控领域。其中， 数据采集电路完成信号的获取与控制，p c 机完成信号的处理、存储与显示功能。 由数据采集电路、p c 机、测试系统软件即可构成一台虚拟仪器( v i r t u a l i n s t r u m e n t ，简称) ，可替代传统仪器完成测量测试功能。 虚拟仪器这个概念最早是由美国国家仪器公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t sc o r p ， n i 公司) 提出来的，它是计算机技术在仪器仪表领域的应用过程中，慢慢发展 形成的一种新型的仪器种类( 也被称为第四代仪器) ，是计算机硬件资源、仪器 测控硬件和用于数据分析、过程通信及图形用户界面的软件之间的有效结合【2 】。 虚拟仪器( v i ) 的核心是：以计算机作为仪器的硬件平台，充分利用其计算、 存储、回放、调用、显示及文件管理等功能，将传统仪器的专业化功能和面板 控件软件化，使之与计算机融为一体。这样就形成了一台外观和功能与传统仪 器相同，但能充分利用计算机智能资源的全新的仪器系统。虚拟仪器将“由生 产厂家设定、面向固定对象、完成确定任务的传统仪器”转变为“由用户自定 义、由计算机软件和多种功能模块组成的专用仪器”。由于虚拟仪器应用软件集 成了仪器所有的采集、控制、数据分析、结果输出和图形用户界面等功能，使 传统仪器的某些硬件以至整个仪器都被计算机软件所代替，这种仪器的功能已 不再像传统仪器那样由按键和开关的数量来限定，而是取决于存储器内软件的 多少。 在许多实际的工程应用中，以往多数采用的是有线接口的数据采集系统， 但是，这种有线连接的数据通信方式适合在测量点较为集中的现场和i n t e m e t 能够覆盖到的地方。然而随着时代的进步，在许多特殊工作场合( 比较危险、 比较困难达到的场合) 有线的连接方式已经刁、= 能满足科技的高速发展。如对于 分散测控系统，由于测量点比较分散，远程线路铺设及维护均需较高的代价， 对于运动构件上的传感器信号的采集，由于传感器空间位置不固定，使得通过 电缆引出信号变得彳i 可靠、甚至彳可能。再如隧道工程中使用有线的传感器布 置在环境恶劣的隧道中，对于工程人员来说是比较困难和麻烦的事情，如果还 是采用有线连接方式的数据采集系统是需要耗费很大的人力、物力的，甚至， 采用有线的数据采集系统是4 i 可能实现的，采用无线数据传输技术进行数据采 集已经是现代数据采集系统的发展趋势。基于这种现状，本文提出了对无线的 数据采集系统的研究。 2 l 引言 这种无线数据采集系统解决了传统的数据采集系统所不能解决的工程问 题，与传统的有线数据采集系统有着无与伦比的优势。由于本系统的开发研究 采用w i f i 无线通信技术，所以，相比很多无线数据采集系统来说，也有很突 出的优点。 总之，本文研究的基于w i f i 的无线数据采集系统有别于以往大众的有线 数据采集系统。现代工程技术的越来越高的要求和越来越困难的现状为本课题 的提出提供了研究的必要性；计算机的发展、虚拟仪器的诞生与发展为无线数 据采集系统的实现提供了可能性，使得广大的工程师、技术人员开发无线数据 采集系统有非常好的环境，也有非常重要的社会、生产价值。 1 2 国内外现状 虚拟仪器技术的优势在于用户可以自定义仪器的功能和结构，并且构建容 易，转换灵活，所以应用领域十分广阔。目前，国内外许多部门、公司都在积 极地开展这方面的研究、应用工作。比如，近年来，国内外许多大学都在尝试 将虚拟仪器应用到试验教学和计算机辅助教学中，如美国斯坦福大学的机械工 程系要求三年级、四年级的学生在实验室应用虚拟仪器进行数据采集和试验控 制工作；美国的g e o m a t i c s 和g o l d s m i t h 等公司利用虚拟仪器作为开发工具研制 开发了农业自动化灌溉系统和秧苗分析系统；虚拟仪器的开发和研究在国内尚 属于起步阶段，从2 0 世纪9 0 年代以来，清华大学、重庆大学、西安交大以及 中科泛华电子科技公司、东方振动以及噪声技术研究所等高校和公司，在研究 和开发虚拟仪器产品和虚拟仪器设计平台以及消化吸收n i 产品等方面做了大 量工作，清华大学利用虚拟仪器技术构建发动机检测系统，比汽车发动机出厂 前的自动检测优先很多；虚拟仪器已在超大规模集成电路测试、模拟电路数字 电路测试、现代家用电器测试、电子元件电力电子器件测试以及军事、航天、 生物医学、工厂测试、电工技术等领域的可移动式现场测试工作中得到应用。”。 无线技术的发展也为无线数据采集系统的开发和应用提供了良好的环境和 条件。目前在全球1 0 0 多个国家共有w i f i 热点超过6 5 0 0 0 个。2 0 0 5 年，美国 是拥有热点最多的国家，共有大约2 7 6 0 0 个热点；英国紧随其后，拥有大约1 0 5 0 0 个热点：德国处于第三的位置，为大约6 2 0 0 个热点。不过，目前伦敦却是拥有 3 1 引言 热点最多的城市，它有大约1 2 0 0 个热点；东京位列第二，有1 0 0 0 多个；巴黎 以7 7 1 的数量处于第三位。美国第一的城市是纽约，有5 4 5 个热点。酒店和旅 游点的热点领先于全球其他地方，汇聚了大约1 8 6 0 0 个热点。大约有1 2 4 0 0 个 热点在餐厅，1 0 6 0 0 个热点在咖啡馆。现在有1 0 0 个国家有w i f i 热点，世界上 的大城市都实现了热点的覆盖叫。短短几年内，w i f i 热点迅速增长，公共w i - f i 已经真正成为人们用于在全球保持联系的一种重要的方法。 2 0 0 7 年9 月，首次登陆中国的全球w i f i 高峰会议在中国北京国宾酒店隆 重召开。英特尔和思科共同宣布w i f i8 0 2 1 1 n 草案2 o 版。8 0 2 1 1 n 带来的 巨大带宽提升正使其成为无线技术领域的最大热点。8 0 2 1 1 n 将成就数字家庭， 覆盖整个房屋提供最佳用户体验：语音电话、视频游戏以及其他多媒体应用； 8 0 2 1 1 n 在企业应用中支持多用户和数据密集型应用( 如视频) 。在目前全世界 已有3 9 0 0 种产品通过w i f ic e r t i f i e d 认证的基础上，w i - f i 联盟推出 8 0 2 1 l n d r a f t 2 0 认证，并预计到2 0 1 2 年大约有9 0 的w i f i 芯片组产品将执 行8 0 2 1 1n 标准h 1 。由此可以看出，国外w i f i 的应用正在以一个潮热化状态 发展。 就国内情况来看，虽然，现在随着计算机的发展出现了许多无线产品，尤 其是与计算机配套的外部设备，比如无线鼠标、无线键盘、无线摄像头等。但 是，真正将“无线技术”应用到实际的工程应用领域，尤其是工程建筑，如桥 梁建设、公路建设等工程领域中的例子，到目前为止还不是很多。因为，在实 际的工程应用中必须要考虑的因素很多，那么对所需的无线数据采集设备的要 求也会更高。本文研究的课题中，使用的无线数据采集设备w l s 一9 2 3 4 采集卡 是n i 公司在2 0 0 8 年8 月新发布的一款针对声音和振动应用的新型无线数据采 集模块，目前在世界上也还处于领先地位。 无论是国内外虚拟仪器的发展还是无线通信技术的发展都为无线数据采集 系统的开发和应用提供了很好的开发应用环境。 1 3 本文研究内容 本文首先提出无线数据采集系统研究课题，基于这种理念分析数据采集原 理和无线通信技术的选择，在此基础之上，提出使用w i f i 无线通信技术进行 数据采集系统的开发研究；然后，分别对系统开发的软件、硬件在支撑环境进 4 1 引言 行分析讨论，为系统的开发做好充分的准备：接下来，在l a b v i e w 开发环境 下，采用“g 语言图形化开发语言，实现系统的设计开发；最后，通过 实例对所开发的系统做进一步的实验研究，证明系统的合理性和实用性。 本文主要的研究内容和方法如下： 1 分析数据采集理论以及数据采集的发展，引出有线数据采集和无线数据 采集的分析讨论，提出无线数据采集的优势，在对比几种主流无线数据采集技 术的基础之上，提出基于w i f i 的无线数据采集。 2 论述系统开发所需的软件、硬件支撑环境，在虚拟仪器发展的背景之下， 提出使用l a b v i e w 开发环境和图形化编程语言“g 语言进行系统开发；基 于前面讨论的无线数据通信技术，提出采用n i 公司2 0 0 8 新发布的无线动态数 据采集卡w l s - 9 2 3 4 卡，进行数据采集。为系统的开发做好充分准备。 3 首先实现数据采集的前提条件无线连接，在m a x 软件中实现采集卡 与计算机的无线连接；然后在l a b v l e w 中开发自己的数据采集系统，实现对数 据采集卡的控制，以及后续的数据处理工作，包括数据采集、数据分析、数据 保存以及数据读取等功能。 4 系统开发完成以后，利用现场进行锚杆锚固实验来进一步研究验证系统 的合理性和实用性。 5 2 数据采集及无线通信 2 数据采集及无线通信 一直以来，数据采集在各个领域中都处于非常重要的地位，它是工程技术 人员以及科学研究人员进行工作的基础与前提。数据采集在各行业、各领域的 广泛应用推动着它自身的迅速发展，计算机和通信技术的迅猛发展又给数据采 集带来了变革性的进步。数据采集由以往的有线采集方式发展到今天的无线数 据采集方式就是数据采集变革的一个很好的例子。 2 1 数据采集的发展 广义的数据采集就是从外界获取信息的过程。我们通常所说的、研究比较 多的数据采集( d a t aa c q u i s i t i o n ，d a q ) 是狭义的数据采集，是指从传感器和 其他待测设备等模拟或数字被测单元中自动采集信息的过程。广义的数据采集 伴随着人类的诞生而出现的。而狭义的数据采集是随着社会的发展以及人们的 需求而出现的一种信息技术。 数据采集的发展集中体现在数据采集的方法手段、采集途径的发展，集中 体现在数据采集系统的发展上。数据采集系统起始于2 0 世纪5 0 年代，由美国 首先研究了用在军事上的测试系统，目的是使一些不熟练的工作人员，在操作 过程中比较方便，可以由测试设备自动控制完成。这种数据采集测试系统具有 高速性和一定的灵活性，能够满足在当时的情况下众多传统方法不能完成的数 据采集任务，因此，这种数据采集系统得到了初步的认可。2 0 世纪6 0 年代后 期，在国外就有了成套的数据采集设备产品进入市场，只不过这个时期的数据 采集设备大多用于专门场合【5 】。 2 0 世纪7 0 年代中后期，随着微型计算机的发展，出现了采集器与计算机 融为一体的数据采集系统，这种数据采集系统性能优良，在当时，超过了传统 的数据采集系统，获得了惊人的进步。7 0 年代以后，数据采集系统发展分为两 类：一类是实验室数据采集系统，另一类是工业现场数据采集系统。就当时使 用的总线来说，前者多采用并行总线，后者多采用串行总线。 2 0 世纪8 0 年代随着计算机的普及，数据采集系统得到了极大的发展进步， 开始出现通用的数据采集测试系统。这一阶段的数据采集系统主要有两类：一 6 2 数据采集及无线通信 类是以仪器仪表和采集器、通用接口总线和计算机构成，比如国际标准i c e 6 2 5 ( g p i b ) 接u 总线系统就是一个典型代表；另外一类是数据采集卡、标准总线 和计算机构成，如s t d 总线系统。这种接口系统采用积木式结构，把相应的接 口卡装在机箱内，然后由一台计算机控制。当测试任务改变时，只需将新的仪 器所用的电缆接入系统，或将新的采集卡添加到机箱内，这种系统比专用系统 灵活的多，但是，还是要比较麻烦地来回布线。 2 0 世纪9 0 年代至今，国际上技术先进的国家，数据采集已经在军事、航 空设备以及宇航技术、工业等领域被广泛应用。这一阶段，数据采集系统采用 更先进的模块式结构，系统向高速、模块化以及即插即用的方向发展。传输速 率、采样频率、以及精度和安全性方面都有了很大的发展。 更值得一提的是，随着无线通信技术的发展，数据采集系统最大的、也是 最有意义的一个变化是在以往有线数据采集系统发展的同时，无线数据采集系 统快速的发展起来，并且以很快的速度和发展势头超过有线的数据采集系统的 发展。无线数据采集系统的出现与发展给数据采集带来了很大的变革，以其区 别于有线数据采集的独特优势在社会很多领域得到了广泛的应用。下面分别就 有线的数据采集系统和无线数据采集系统做一介绍。 2 2 有线、无线数据采集 数据采集的有线、无线主要说的是数据通信的方式，采用有线通信方式的 数据采集称为有线数据采集，同理采用无线通信方式的数据采集称为无线数据 采集。 有线通信是一种通信方式，狭义上现代的有线通信是指有线电信，即利用 金属导线、光纤等有形媒质传送信息的方式。光或电信号可以代表声音，文字， 图象等。这种有线数据通信方式可以传输数字信号或模拟信号，它有着自身的 优点：一般受干扰较小，可靠性，保密性强。但是，通信建设费用大，很多偏 远的地区或现场有线的通信方式比较难于实现，甚至很多情况下根本不能实现， 这是有线通信方式的弊端，成为有线通信发展的一个瓶颈，导致有线通信方式 发展受阻。那么采用有线通信方式的数据采集的发展相应就会受到严重的影响。 基于有线通信方式有自身安全性比较好的优点，使得有线的通信方式、以及采 用有线方式通信的数据采集限制在外界环境比较好、或者数据采集任务比较容 7 2 数据采集及无线通信 易的场合。 在这种情况下，也随着计算机和微电子技术的发展，无线通信方式应运而 生，相应的采用无线通信的数据采集方式也很快的发展起来并成了数据采集发 展的主流趋势。无线数据采集方式就是采集器通过无线信号把数据上传，既可 以实时的采集数据，也可以批处理，并且采集数据时大大的减少了环境上的限 制，上传数据时也非常方便。无线数据采集有其自身的优点【6 】： 1 安装便捷，只要安装一个或多个接入点a p ( a c c e s sp o i n t ) 设备，就能 很快的安装好。投资少，一个工业用的a p 价格在几百到几千元之间，覆盖范 围为半径3 0 3 0 0 m ； 2 使用灵活，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络； 3 经济节约，有线网络缺少灵活性，不能适应发展，而无线网络却能够灵 活的进行配置，负载多的区域可以多加几个接入点，从而节约用户的前期投资； 4 易于扩展，无线网络有多种配置方式，能根据需要灵活选择 5 速度快，目前可以达到几十m b p s ，而且传输距离远，技术成熟，能够 满足大多数需要。 下面我们将有线数据采集和无线数据采集两种方式做简单的比较如表2 1 所示。 表2 1 有线、无线数据采集方式对比 有线数据采集方式无线数据采集方式 不方便。大约7 5 的时问都耗费在安装和比较方便。只要负责数据采集的部分和传 布线上。 感系统相连，通讯部分依靠无线实现 成本高。包括传感器通道和劳动力费用， 成本相对较低。省却了有线部分需要的传 输数据用的光缆，而且由于布线简单很 造价相当高。 多，所以节省劳动力费用。 稳定性较好。稳定性还可以( 相对不如有线系统) 。 抗十扰能力较强。抗十扰能力不如有线系统。 从表2 1 中可以看出，有线、无线数据采集系统各有优劣，无线数据采集 稳定性和抗干扰能力与有线数据采集系统相比略逊一筹，但是，无线数据采集 有其使用方便、成本相对较低的突出优点，凭借这些优点，它在工程检测或监 测系统中占据重要的地位，由此也得到了较快的发展。据研究了解，目前各学 科的人才都在利用自己的学科优势，开始这个方面的研究工作，并且得了一些 成就，比如，无线数据采集系统用于工业过程控制、油田钻井监测，城市自来 8 2 数据采集及无线通信 水管网检测、甚至医学上人体健康监测等。但是，总的来说，目前的这些应用 还处于初级阶段，在应用的过程中也存在着不少问题和困难。但是，随着各种 技术的综合发展和应用，无线数据采集必将有更大的发展空间。 2 3w i - fi 无线通信 本文研究的无线数据采集系统是基于w i f i 无线通信技术的，之所以选择 基于w i f i 技术研究数据采集系统，是因为对比目前几种焦点无线通信技术， w i f i 技术有它自己独特的优势，正能满足本系统的应用要求。 2 3 1 几种主流无线通信技术 随着无线通信技术的崛起，目前涌现出很多种无线通信技术，目前比较热 的几种无线通信技术有：蓝牙、z i g b e e 、u w b 超宽带、r f i d 、n f c 、w i f i 等。 1 蓝牙( b l u e t o o t h ) 蓝牙( b l u e t o o t h ) 是2 0 世纪9 0 年代发展起来的一种支持设备短距离通信 ( 一般1 0 m 内) 的无线电技术。蓝牙的技术优势在于： ( 1 ) 全球可用，蓝牙( b l u e t o o t h ) 无线技术规格供我们全球的成员公司免费使 用。 ( 2 ) 蓝牙设备应用范围比较广。 ( 3 ) 易于使用，蓝牙( b l u e t o o t h ) 技术是一项即时技术，它彳要求固定的 基础设施，并_ 日易于安装和设置。 ( 4 ) 蓝牙( b l u e t o o t h ) 无线技术是当今市场上支持范围最广泛，功能最丰富 并且比较安全的无线标准。 2 z i g b e e 技术 z i g b e e 技术是一种近距离、低功耗、低复杂度、低成本、低速率的双向无 线通信技术。工作在2 4 g h z 的i s m 频段上，传输速率为从2 0 k b s 到2 5 0 k b s 传输距离为1 0 m 到7 5 m 。主要适用于工业控制、传感以及远程控制领域。它依 据i e e e8 0 2 1 5 4 标准，在数千个微小的传感器之间互相协调实现通信。z i g b e e 无线通信技术的特点是【7 】： ( 1 ) 低功耗：由于z i g b e e 的传输速率低，发射功率也仅为l m w ，而目采用 了休眠模式，功耗也很低，因此，z i g b e e 设备非常的省电。据估算，z i g b e e 设 9 2 数据采集及无线通信 备仅仅靠两节5 号的电池就可以维持长达6 个月到2 年左右的使用时间，这是 其他无线设备所不能相比的。 ( 2 ) 成本低：z i g b e e 模块的初始成本在6 美元左右，估计很快就能降到1 5 到2 5 美元，而且z i g b e e 协议是免专利费的，成本就会相对更低。低成本对于 z i g b e e 也是一个关键的因素。 ( 3 ) 时延短：从休眠状态激活的时延以及通信时延都非常短，典型的搜索设 备时延为1 5 m s 。因此，z i g , b e e 技术适用于对时延要求比较苛刻的无线控制( 如 工业控制场合等) 应用。 ( 4 ) 网络容量大：一个星型结构的z i g b e e 网络最多可以容纳2 5 4 个从设备 和一个主设备，而且网络组成非常灵活。 ( 5 ) 可靠：采取了碰撞避免策略，同时，也为需要固定宽带的通信业务预留 了专用时隙，避开了发送信息时的冲突和竞争。m a c 层采用了完全确认的数据 传输模式，发送的每个数据包都必须等待接受方的确认信息。如果传输过程中 出现问题可以进行重新发送。 ( 6 ) 安全：z i g b e e 不仅提供了基于循环冗余校验( c r c ) 的数据包完整性检 查功能，还支持鉴权和认证，并且采用了a e s 1 2 8 的加密算法，各个应用都可 以灵活确定其安全属性。 3 u w b 超宽带 u w b 超宽带是一种使