基于WIA-PA无线网络的采集终端设计概论

刘东 张锋

1. 奥维通信股份有限公司 辽宁 沈阳 110179；2. 沈阳中科奥维科技股份有限公司 辽宁 沈阳 110179

1 技术背景

近年来物联网技术的迅速发展，针对物联网技术的采集终端应运而生，这些采集终端主要提高人的泛在感知，为自动控制或人工干预控制提供识别数据。可以说物联网中的采集终端是将自动化技术、通信技术、信息技术进行的一个融合。

工业无线网络WIA技术是由中科院沈阳自动化所推出的具有自主知识产权的高可靠、超低功耗的自组织多跳智能无线传感器网络技术[1]。工业无线网络WIA技术具有的低成本、低功耗及中短距离通信等特点[2]。

目前的采集终端设计没有将各个硬件单元进行统一的管理；或者无线单元只是无线收发功能或者只有简单的网络管理功能，没有很好的网络管理来避免干扰带来的数据重传进而引起的能耗增加；或者采集板卡和无线单元始终是一个并行的工作关系，在软件上没有很好的管理机制导致能耗的增加。

2 采集终端硬件设计

采集终端主要由WIA-PA无线通信单元（以下简称“无线通信单元”）、主控单元、传感器单元、显示单元、电池组成。

无线通信单元通过GPIO触发主控单元启动AD采集；主控单元通过GPIO通知无线通信单元AD采集完毕并启动主控单元串口进入发送模式、无线通信单元进入接收模式；无线通信单元触发主控单元进入休眠状态、从休眠状态唤醒、串口数据交互。

主控单元通过串口连接到无线通信单元，主控单元内部通过信号调理电路将模拟信号进行放大处理，再进行AD转换。主控单元内部具有温度采样功能，根据温度区间、AD转换的数字量、采集终端的校准表，主控单元计算出当前采集的物理量大小。主控单元通过GPIO连接显示单元，控制显示单元显示物理量和相关的告警信息、采集终端的仪表参数信息等。主控单元通过供电接口连接电池。

图1 采集终端原理框图

电池通过GPIO与无线通信单元连接，通过硬件连接，接受无线通信单元的控制实现对主控单元、传感器单元、显示单元的供电控制，电池通过电源接口与无线通信单元、主控单元、传感器单元、显示单元连接并供电。

3 采集终端软件设计

采集终端上电后无线通信单元上电程序启动，无线通信单元根据既定的采集间隔T判断采集模式是属于间断采集还是密集采集，采集间隔T小于Tth采集间隔门限值，则认为采集终端进入密集采集模式。

无线通信单元采集任务启动后将启动定时器，定时器定时到达后，无线通信单元判断此次采集是否为上电初次采集。如果是初次采集，无线通信单元控制供电控制电路给主控单元供电，同时控制电池的传感器单元供电控制电路给传感器单元供电；如果不是初次采集，无线通信单元控制主控单元从休眠模式唤醒，同时控制电池的传感器单元供电控制电路给传感器单元供电。

主控单元将AD采集来的数字量转换成物理量并控制显示单元显示当前采集的物理量。主控单元通过串口将转换完成的物理量发送到无线通信单元，无线通信单元通过中断触发的方式控制主控单元进入休眠模式。无线通信单元将主控发送来得数据通过无线的方式转发到无线网络，此次采集任务结束。

如果采集间隔T大于Tth采集间隔门限值，则认为采集终端进入间断采集模式。定时器定时到达后，无线通信单元控制主控单元供电，同时控制传感器单元供电。

上电完成后，无线通信单元触发主控单元启动采集任务。主控单元采集完毕后，触发通知无线通信单元；无线通信单元控制电池的传感器单元供电控制电路关闭传感器单元供电。主控单元将AD采集来的数字量进行查表计算转换成物理量并控制显示单元显示当前采集的物理量。

主控单元通过串口将转换完成的物理量发送到无线通信单元，关闭主控单元的供电。无线通信单元将主控发送来得数据通过无线的方式转发到无线网络，此次采集任务结束。

4 结束语

WIA-PA无线通信单元对采集终端的工作任务进行统一管理，可以降低采集终端的工作能耗和待机能耗，提高电池的放电容量，延长采集终端的电池使用寿命。可以准确可靠的预测剩余电量和剩余电池使用时间，延长电池的使用寿命，可以进而减小采集终端的体积。该设计方案目前使用在石油、化工等行业的温度、压力等无线仪表上，有效降低了产品的生产成本和工程维护成本，带来巨大的经济效益和社会效益。