后勤物资采供信息远程采集系统设计

缪晓斌

(福建商学院 后勤管理处，福州 350012)

后勤物资主要为各部门提供各项物资存储与采供信息。随着“智慧城市”的快速发展，物联网逐渐渗透到各个工作领域，后勤物资采供与更多部门之间建立了共同关系，后勤物资采供信息数据量迅速增加，同时数据种类也发生了改变。

设计全新的远程采集系统。更新系统硬件，设计控制和驱动电路；另外，设计一个辅助硬件的采集软件，减少不必要的采集程序，缩短系统的工作时间，降低系统总体功耗[1]。

1 设计采集终端的电压信号采集前端

电压信号采集前端通过放大弱电压信号、滤除高频噪声以及AD转换，实现对后勤物资采供信息的采集。图1为设计的采集终端信号放大以及滤波电路。

图1 信号放大的电路

当电路的单级放大倍数过大时，闭环带宽会限制该电路，同时引发自身振荡。设计一个三级放大电路，将采集信号放大最值，设置在-10 V～+10 V之间。第一级采用AD620放大器。第二级、第三级电路主要功能为放大和滤波，因为AD620电路只能滤除高频噪声，无法处理频率较低的噪声，所以设计了一个二阶低通滤波器电路，利用电阻电容值，确定低通滤波器截止频率。由于后勤物资采供信息类型多样、数据体量极大，针对这一实际情况，共设计了6路数据采集通道，为保证数据的真实性，不采用多通道共用AD转换器的方式，而是令每个通道都拥有属于自己的独立AD，实现多个通道的同步采集。

选用的AD转换器型号为AD7663，采样频率最大值为250 KS/s，同时该转换器的采集电压，在-11 V～+12 V之间，将信号输入AD前，无需抬升电压，也降低了噪声信号的来源。采用总线方式维护通信速率，ADC转换的部分电路，如图2所示[2]。

在以往设计采集终端过程中发现，主控制器与外围ADC转换芯片之间速度不匹配，由于循环控制AD转换器造成主控制器开销浪费，因此，在设计采集终端的电压信号采集前端过程中，使用硬件数据缓冲技术，应用过程如下：ADC芯片转换完成后，将数据不间断填到高速缓冲区，直至FIFO被装满，此过程中主控制器不执行读取任务，当FIFO将要溢出数据时，系统硬件给出一个信号，然后主控制器再执行读取任务，将转换后的数据读至内存。图3为6个通道及FIFO接口电路图[3]。

图2 ADC转换电路

图3 6个通道及FIFO接口电路图

通过重新设计采集终端电压信号采集前端，增强系统硬件之间的数据连接，在保证采集数据稳定的前提下，增强系统硬件的使用稳定性，延长系统硬件设备的使用寿命。

2 后勤物资采供信息远程采集系统软件设计

信息远程采集系统软件的设计目标，是在系统硬件优化升级的基础上设计系统软件的多路并行数据采集模式。将系统采集后勤物资采供信息的过程，看作是一个周期为Dm的冲激串函数f(t)，被待测信号x(t)调制幅值的过程，调制后的幅值为：

(1)

公式中：xm(t)表示第m时间段内的调制结果；μ表示调制系数；n表示数量。此时的x(t)只在t=nDm处取值，所以可以得到：

(2)

公式(2)将连续时间信号x(t)离散化，得到全新的xm(t)，将xm(t)|t=nDm记为x[n]。利用该值恢复原始采集信号的波形。假设采集信号x(t)的频谱是带限的，最大频率为ω，幅度为1，采用下列公式恢复采集的原始信号：

(3)

图4 并行采集系统界面

将结果带入公式(2)，保证采集数据的完整性[4]。远程同步采集系统的并行采集模式，采用分层设计思想规划采集，设计的采集层包括三个方面：底层调用、中层调度、上层界面。令底层负责采集卡的驱动，中层对采集到的数据和图像进行调度处理，上层为使用人提供操作界面。但采集节点受空间分散影响，其启动采集时间不同步，晶振工作产生的累积误差，也会影响并行采集结果，设计一个同步启动程序，如图4所示[5]。

该程序以目前具有代表性的TPSN时间同步协议为基础，采用星型网络拓扑结构，直接组网连接各采集节点与发送节点，得到如图4所示的程序界面。当发送节点向各采集节点发送启动采集指令时，各采集节点同步接收采集指令，立即触发采集模块，实现多路并行数据的同步采集模式。当需要启用跨层采集功能时，系统的中央管理控制中心令通信模块实时处理各个调度任务，通过无线通信执行组网、收发指令、数据采集、数据上传、数据传输任务；利用实时操作控制模块中的API函数，对采集任务进行直接管理，完成采集、处理、传输、存储等数据处理工作；再利用中央管理控制中心，协同运作通信模块和采集模块，让他们既能独立工作，又能同时完成各自的任务，保证采集过程的完整性。根据上述设计的同步程序，发送启动采集指令，减少不同路径采集的启动误差。通过设计的同步多路径并行数据采集模式实现对后勤物资采供信息的快速采集，在系统硬件设计的基础上，实现对后勤物资采供信息远程采集系统的软件设计。

图5 硬件测试平台

3 实验分析

测试此次设计的远程采集系统性能，对系统进行调试，检验该系统是否具有正常工作的能力。提出对比实验测试，引入两种传统的远程采集系统作为对照，比较不同设计方法下，采集系统的功耗。

3.1 实验准备工作

完成信息远程采集系统的整体设计后，对该系统的硬件使用性能进行测试。图5为系统硬件测试平台。

实验的软件开发环境为Node js、Keil uVision5，硬件设计平台为Altium Designer。实验需要的主要测试设备及其作用，如表1所示。

表1 设备参数列表

系统性能测试过程中，对终端供以直流电，利用调试器连接电脑、配置跳线，测试通信模块能否正常入网，然后恢复跳线，利用电池连接数字万用表和采集终端，测试不同状态下的系统功耗。已知数字万用表对直流电有0.003%的基础精度，读数次数为50 000 次/秒，满足此次实验测试要求。再设置基本测试原则：(1)测试标准建立在客观需求之上；(2)坚持质量第一的标准，若系统效率与质量发生冲突，则以质量为主；(3)做好测试计划，保持测试的客观性和有效性；(4)需要引入对比测试组，不能随意得出结论。系统硬件搭建完毕后，利用JTAG口将系统软件烧录至采集终端，测试此次设计的后勤物资采供信息远程采集系统的功耗、稳定性。测试目标为：测试采集终端是否能够接入网络；测试采集终端网络质量是否满足传输需求；测试采集终端利用电池供电，且采集频率为15 min/次时，系统是否可以运行5年以上，系统是否满足低功耗的采集、传输要求。

3.2 系统性能测试

采用CoAP协议，远程交互采集终端经过基站与上位机的数据。采集终端选择信号较强的网络附着，断开控制单元与网络的连接，根据AT指令，采用串口工具测试通信模块入网状态，测试结果如图6所示。RSRP的显示结果没有低于-1 000；SNR的显示结果为235，可见，目前的取值均在正常范围内。再发送“AT+CEREG？”指令，得到的返回值为0时，说明网络接入正常；当返回结果为1时，说明网络无法接入。而界面中显示OK，可见返回值为0，测试采集终端可以接入网络。

图6 入网测试结果

3.3 系统功耗测试

在系统性能测试完毕的基础上，将远程采集系统作为实验组测试对象，将两个传统设计下的远程采集系统作为对照组测试对象，对他们的功耗进行测试。远程采集系统功耗测试内容包括：睡眠状态下的电流、信息远程采集状态下的电流以及系统上传数据时的电流。利用电压表测试放电电压，将实验组系统进入睡眠状态需要的放电时间，设置为2 min，同时设置3个测试组的睡眠时长均为3 min。为了便于测试，设置3个测试组可以每间隔10 min自动唤醒1次，然后开始采集后勤物资采供信息，设置的传输频率均为10 min/次。实验每隔10 min记录一次数据，表2、表3、表4为3个测试组的测量数据记录结果。

表2 实验组测量数据

表3 对照A组测量数据

表4 对照B组测量数据

以上述3组测试结果为依据，计算不同的测试状态下，10个测试组中电流的算术平均值。表5、表6、表7为不同状态下，3个测试组系统的平均电流计算结果。

表5 实验组系统功耗统计表

表6 实验组系统功耗统计表

表7 实验组系统功耗统计表

假设3个测试组的采集周期为15 min/次，上传周期为6 h/次。计算3个测试组在不同状态下的消耗电能，结果如表8所示。

表8 采集终端功耗测试对比结果

根据上述测试结果可知，实验组每天的总耗能更小。已知实验组中，采集终端可运行的总时间约为2 934天，即约为8.04年。对照A组采集终端可运行的总时间，约为1 989.5天，即约为5.45年；对照B组采集终端可运行的总时间，约为2 126.5天，即约为5.83年。综合上述测试结果可知，三个测试组中的采集终端使用寿命均在5年以上。但此次设计的远程采集系统，其使用寿命比对照组提高了近2.5年，可见此次设计的系统功耗更低，采集终端的功耗相对较小，延长了终端的使用寿命。

4 结语

以传统设计下的采集系统为研究依据，重新设计了系统采集终端的硬件设备和软件功能，通过提高采集终端的功能，增加系统总体使用稳定性。但此次实验测试受设备和时间的限制，未能将该系统在信号条件极差的环境下进行，因此，该系统可能在该环境中没有更好的使用效果，今后的系统研究与功能优化，可以将弱信号作为实验测试环境，以此完善后勤物资采供信息远程采集系统。