无线传感器网络分布式数据高速采集系统设计

2021-09-10任远林李艳华聂凯

廊坊师范学院学报(自然科学版) 2021年1期

任远林李艳华聂凯

【摘要】为了提高无线传感器网络分布式数据采集能力，设计基于集成DSP的无线传感器网络分布式数据高速采集系统。系统由传感信息融合模块、时钟控制模块、电源模块、DSP集成控制模块和人机交互模块等组成。构建无线传感器网络分布式数据高速采集的信息处理模型，通过VIX总线处理技术对采集到的数据进行交互控制，在ARM嵌入式微处理器和集成DSP中实现数据的高速处理，在AD模块中实现数据转换和自动控制指令加载，在此基础上进行采集系统的接口设计和人机交互设计，以提升数据采集效率与质量。仿真结果表明，采用该系统进行无线传感器网络分布式数据高速采集的输出稳定性较好，数据采集准确性较高，抗干扰性较强。

【关键词】无线传感器;分布式数据;高速采集;微处理器;人机交互

Design of Distributed High-speed Data Acquisition System

for Wireless Sensor Network

Ren Yuan-lin，Li Yan-hua，Nie Kai

（School of Applied Engineering，Anhui Business and technology College，Hefei 231131，China）

【Abstract】 In order to improve the distributed data acquisition capability of wireless sensor networks， a high-speed distributed data acquisition system based on integrated DSP is designed. The system consists of sensor information fusion module， clock control module， power supply module， DSP integrated control module and human-computer interaction module. This paper constructs an information processing model of high-speed distributed data acquisition in wireless sensor networks. The collected data are controlled interactively by VIX bus processing technology. The high-speed data processing is realized in ARM embedded microprocessor and integrated DSP. Data conversion and automatic control instruction loading are realized in AD module. On this basis， the interface design and human-computer interaction design of the acquisition system are carried out In order to improve the efficiency and quality of data collection. The simulation results show that the system has good output stability， high data acquisition accuracy and strong anti-interference performance.

【Key words】wireless sensor; distributed data; high-speed acquisition; microprocessor; human-computer interaction

〔中图分类号〕 TN710 〔文献标识码〕 A 〔文章编号〕 1674 - 3229（2021）01- 0000 - 00

0 引言

采用无线传感器网络采集环境数据，以此为基础构建环境信息的实时监测和传感融合跟踪模型，能够提高对环境信息和物理信息的感知识别能力，通过无线传感网络的自适应重组，并进行环境信息的实时监测和探测，构建无线传感器网络分布式数据高速采集系统，实现对数据的信息融合和特征提取，研究无线传感器网络分布式数据高速采集系统，在提高无线传感器网络数据分布式融合特征重組和数据输出的稳定性方面具有重要意义[1]。

对无线传感器网络数据自动采集是通过无线传感器网络输出的可靠性参数分析和特征量化参数寻优实现的[2-3]，在ARM Cortex-M3内核中进行无线传感器网络分布式数据采集系统的嵌入式开发，能够提升数据采集质量。当前文献[4]通过对ZigBee路由协议进行研究，通过对优化ZigBee网络中传感器节点间的传输时延、均衡节点的能耗提出相应的改进意见。然后利用改进后的ZigBee路由协议设计了一个无线传感器网络数据采集系统。文献[5]设计一种新的基于无线传感网络的数据采集系统，该系统由电源模块、无线模块和控制模块组成。电源模块为无线模块和控制模块提供电能，无线模块使用智能总线协议或低功耗射频协议从传感器中采集数据，控制模块利用MSP430F4250微处理芯片控制无线模块的采集工作，并对所采集到的传感器数据进行处理，将处理后的数据将传回无线模块，通过控制模块设置数据交互标准，对无线模块中处理后的传感器数据进行提取。但传统的数据采集系统进行无线传感器网络分布式数据高速采集的输出稳定性差，可靠性不高，针对上述问题，本文提出基于集成DSP的无线传感器网络分布式数据高速采集系统设计方法。设计的数据高速采集系统有传感信息融合模块、时钟控制模块、电源模块、DSP集成控制模块和人机交互模块等，最后通过仿真实验验证本文系统设计方法在提高无线传感器网络分布式数据高速采集稳定性和输出可靠性方面的优越性能。

1 系统总体设计构架和功能分析

为了实现无线传感器网络分布式数据采集系统的优化设计，需要进行系统的总体设计构架构建。首先分析无线传感器网络分布式数据采集系统的总体结构模型，设计的数据高速采集系统由传感信息融合模块、时钟控制模块、电源模块、DSP集成控制模块和人机交互模块等组成[6]。在无线传感器网络分布式数据高速采集系统的基阵模块中，采用信号放大设计，实现对无线传感器网络分布式数据高速采集输出信息的融合处理，在AD模块中实现对无线传感器网络分布式数据转换控制，提高无线传感器网络分布式数据的输出抗干扰能力，通过模糊度检测和信息融合的方法，实现对无线传感器网络分布式数据高速采集系统的抗干扰调节，根据上述系统设计描述，具体的无线传感器网络分布式数据采集系统的總体设计架构如图1所示。

根据图1所示的无线传感器网络分布式数据采集系统的总体设计架构，通过分块组合控制和DSP集成信息处理的方法，建立无线传感器网络分布式数据采集系统的分组融合和信息处理模型[7-8]，得到无线传感器网络分布式数据采集系统的组网结构模型，具体如图2所示。

采用GPRS SIM300转换器作为采集系统的低功耗信息处理器，实现对无线传感器网络分布式数据采集的输入原始信息跟踪采样[9]。无线传感器网络分布式数据高速采集的传感器节点分布如图3所示。

2 系统算法和硬件设计

2.1 系统算法设计

在上述进行无线传感器网络分布式数据采集系统的总体架构设计与分析的基础上，构建无线传感器网络分布式数据高速采集的信息处理模型，采用多元信息跟踪和特征分布式融合的方法[10-13]，得到无线传感器网络分布式数据高速采集的信道配置参数模型为：

[xi=xm+i-mT⋅Xm+vi，i=1，2，…，m] （1）

其中，[Xm=x1，x2，…，xmT]表示分布式数据高速采集的[k-1]个节点到[k]个节点的信号容量，[vi]表示分布式数据高速采集的隶属度分布误差;[xm]表示同一时刻分布式数据高速采集的信号强度。在最优化的网格聚类下，通过大数据聚类的方法，对采集的无线传感器网络分布式数据进行样本聚类分析，得到无线传感器网络分布式数据高速采集后的输出能量参数为：

[ETxk，d=Eelec∗kxi+εamp∗k∗d2] （2）

其中，[Eelec∗k]表示分布式数据高速采集输出[k]比特数据包的能量消耗;[εamp]表示无线传感器网络分布式数据融合的离散度，[d]表示数据采集所消耗的扩散能量。在不确定模型与外部干扰因素作用下，得到无线传感网络的Sink节点调度下，采用能量均衡配置的方法，构建无线传感网络节点动态寻优模型，得到数据采集后的输出关联参数为：

[x=M-l=1nETxk，dxlpc] （3）

其中，[M]为先验数据分布概率密度，[pc]表示无线传感器网络节点的轮换迭代次数，在时间段[Si-1，Si]内，采用窗口匹配的方法得到无线传感器网络分布式数据采集和调度的自相关匹配集为：

[Exi-x=i=1np2cxi-x2+2i=1npcxi2-x2] （4）

以能耗输出最小为约束参数，在最大发射功率[pi*]的约束下，得到无线传感器网络分布式数据采集的量化参数匹配集为[（xp，yp）]，对任意点[p]，采用自适应参数识别方法，得到数据采集的输出时间延迟为：

[tcomm′=tACK/Exi-x] （5）

其中，[tACK]表示第一个子节点第一个数据包到达的时间。对无线传感器网络分布式数据采集节点Sink，得到节点[i]进行数据采集的有效率为：

[PTX=Exi-xtcomm-tACKPR-start] （6）

其中，[PR-start]表示无线传感器网络分布式数据参数估计误差，向量[x=[x1x2...xk]]表示无线传感器网络分布式数据采集的调制向量，采用阵列内插技术，对采集的传感器数据[M1]，[M2][…][MN]进行输出可靠性调度，得到无线传感器网络分布式数据高速采集的输出功率损失为：

[Ecomm=PTX-PR-starttcomm+tACKExi-x] （7）

假设无线传感器网络分布式数据高速采集节点[i]传输数据到[j]的总到达率为[xiri（x）pji（x）]，无线传感器网络分布式数据高速采集的闭环参数为：

[ηcomm=xiri（x）pji（x）Ecomm] （8）

综上分析，实现对无线传感器网络分布式数据高速采集的可靠性参数识别和融合处理。

2.2 系统硬件设计

在上述建立数据采集和信息处理的算法基础上，在ARM嵌入式微处理器和集成DSP中实现对分布式数据的高速处理，并利用通过VIX总线处理技术实现对无线传感器网络分布式数据高速采集后的数据交互控制设计。

在ARM Cortex-M3内核中进行无线传感器网络分布式数据采集系统的嵌入式开发，以总线接口软件作为I/O控制的底层数据装置，建立无线传感器网络分布式数据采集系统的AD模块，AD模块的硬件电路设计如图4所示。

采用A/D转换器和D/A转换器构建无线传感器网络分布式数据采集的输出控制装置，采用多维传感跟踪识别的方法，实现无线传感器网络分布式数据采集系统的人机交互控制，在AD模块中实现数据转换和自动控制指令加载[14-15]，实现无线传感器网络分布式数据高速采集系统的接口设计，得到系统的硬件集成设计如图5所示。

3 仿真测试分析

实验中，无线传感网络的点分布结构为140m*140m，数据采集的时间间隔为12.68ms，相位补偿为12.5rad，稀疏向量的维度为15，数据采集的节点数目取1、3、5、9，由此得到在VIX总线控制下传感器网络分布式数据采集输出如图6所示。

根据上述输出分析，测试不同系统的无线传感器网络分布式数据高速采集的误差，得到对比结果如图7所示。

分析圖7得知，本文系统的数据采集误差率始终处于0.3以下，且波动幅度较另两种系统小，表明本文所设计系统进行分布式数据高速采集的准确率较高。

4 结语

为提升无线传感器网络分布式数据采集能力，本文设计了一种新的基于集成DSP的无线传感器网络分布式数据高速采集系统。分析无线传感器网络的分布式数据分布特征，实现对数据的信息融合和特征提取，在AD模块中实现数据转换和自动控制指令加载，在此基础上进行系统的硬件优化设计。研究得知，本文系统进行无线传感器网络分布式数据高速采集的误差较小、精度较高，实际应用效果好。

[参考文献]

[1] 侯明星，亓慧，黄斌科. 基于分布式压缩感知的无线传感器网络异常数据处理[J]. 计算机科学，2020，47（1）：282-286.

[2] 王伯槐，李芸芸. 基于无线传感器网络的数据采集系统研究[J]. 榆林学院学报，2020，30（2）：80-82.

[3] 黄定懿. 基于无线传感器网络的电表数据采集与传输方法研究[J]. 南方农机，2018，49（9）：217-229.

[4] 刘少楠. 基于ZigBee的无线传感器网络数据采集系统的设计与实现[J]. 电脑知识与技术，

2017，13（28）：234-236.

[5] 金开军，李疆. 基于无线传感器网络的数据采集系统研究[J]. 现代电子技术，2017，40（10）：80-82+86.

[6] 高翔霄，俞达，任月慧，等. 无线传感器网络数据传输延时分配算法[J]. 计算机测量与控制，2020，28（5）：264-268.

[7] 张淳. 基于移动小车的无线传感器网络数据采集算法[J]. 电脑知识与技术：学术交流，2018，14（15）：55-57.

[8] 徐震，邵波，王云鹏. 无线传感器网络分布式数据采集功率控制研究[J]. 电力信息与通信技术，2017，15（2）：115-120.

[9] 苏杨，杨志军，丁阳洋，等. 基于无线传感器网络的温湿度数据采集平台分析[J]. 国外电子测量技术，2017，36（8）：51-54.

[10] 张屹，陈立军，蒋慧勇. 基于大数据的无线传感网络数据采集的研究[J]. 信息技术与网络安全，2019，38（9）：39-43.