O 引言
數據采集是獲取信息的基本手段，作為信息科學的一個重要分支，數據采集技術是包括了傳感器技術、信號處理、數據通信、微型計算機等技術的一門綜合應用技術。在實際應用中，很多數據采集系統往往很難實現對動態目標進行實時采集和監控。對動態數據采集" title="動態數據采集">動態數據采集系統來說，有著采集范圍大、采集點眾多、布線空間有限、體積小、自動作業等特點，傳統的以總線方式組成網絡的采集系統很難滿足這種應用要求。
在此探討的動態數據采集系統由動態數據采集節點組成，以自組織方式構成的無線網絡。節點軟硬件設計借鑒無線傳感器的節點設計思想，采用MSP430系列微處理器芯片和FLASH芯片分別作為處理和存儲單元；采用USB轉串口芯片FT232BM完成MSP430的BSL下載電路和MSP430與PC的串行通信接口；采用CC2420模塊完成了支持802.15.4／ZigBee" title="ZigBee">ZigBee協議的無線通信模塊設計。開發出的硬件平臺既可以作為終端采集節點，又可以作為通信網關進行數據的收發。軟件系統設計上，移植無線傳感器專門的嵌入式操作系統TinyOS到MSP430微處理器，使用nesC語言編寫應用程序。系統以溫度作為采集變量，建立了一個具有采集溫度數據、預處理、打包無線傳輸功能的動態數據采集系統終端節點的設計。并利用終端節點的PC接口實現網關的功能，完成網關應用程序設計。
1 節點設計
1．1 節點的一般結構
一個典型的無線傳感器網絡" title="無線傳感器網絡">無線傳感器網絡節點設計包括了傳感器單元、數據處理單元、無線通信單元和電源管理單元，以及用戶接口等一些擴展設計單元，如圖1所示。
1．2 節點設計的要求
節點設計主要有3點要求。第一，動態數據采集系統的采集對象往往是目標的溫度、濕度、速度等參數，整個系統需要在無人環境下長期正常工作，因此低功耗設計是動態數據采集系統的首要要素；第二，動態數據采集系統處理數率較低、數據傳輸量少、主要采用無線傳輸的形式，因此選擇無須許可的、合適、低價的通信方式是保證動態數據采集系統正常工作的關鍵。第三，本系統采集的對象主要是針對飛禽走獸等野生動物，為了實現監控的方便，采集節點還必須要滿足體積小、靈活性強等特點。
1．3 節點硬件設計
目前，2種典型的無線傳感器網絡節點研究平臺是mica系列和telos系列節點，它們采用目前應用最廣泛的TinyOS嵌入式網絡操作系統。
本系統的節點硬件是設計參考telos平臺，是telos平臺一次再設計過程。系統設計弱化傳感器部分的設計，對無線通信模塊選用射頻模塊電路，設計重點在微處理器模塊地電路實現上。同時，為了增加動態數據采集系統應用性，添加了PC接口電路，使得本設計可以作為動態終端節點，亦可以作為服務器的網關。在電源管理上，當設計作為網關時選擇USB供電，當作為終端可用干電池供電。
(1)通信模塊采用TI公司的支持IEEE802．15．4協議的CC2420芯片，250 kb／s的數據收發速率可以使節點更快的完成事件的處理，快速休眠，節省系統能量。
(2)采用TI公司的超低功耗微處理器芯片MSP430。
(3)telos本身就有SHTll溫濕度一體化器件，能夠作為獨立的傳感器節點使用。
(4)telos只有1個10腳的接口，可以簡化連接傳感器板。
(5)使用USB-COM的橋連接，可以直接通過USB接口供電、編程和控制，進一步簡化外部接口。
本系統設計的節點硬件原理框圖如圖2所示，與無傳感器網絡節點設計相比，結構上具有一致性，同樣具有采集單元、處理和控制單元、無線通信單元和電源管理單元。
節點硬件實現電路如圖3所示。
1．4 節點軟件
在此節點采用目前應用最廣泛的TinyOs嵌入式網絡操作系統。TinyOS的程序采用模塊化設計，程序核心都很小，一般來說核心代碼和數據在400 B左右。TinyOS的組件有4個相互關聯的部分：1組命令處理程序句柄、1組事件處理程序句柄、1個經過封裝的私有數據幀和一組簡單任務。任務、命令和事件處理程序在幀的上下文中執行并切換幀的狀態。為了易于實現模塊化，每個組件還聲明了自己使用的接口及其要用信號通知的事件，這些聲明將用于組件的相互連接。如圖4所示為一個支持多跳無線通信的組件集合與這些組件之間的關系，上層組件對下層組件發命令，下層組件對上層組件發信號通知事件的發生，最低層的組件直接和硬件打交道。
2 系統軟件測試
在軟件系統設計上，移植無線傳感器專門的嵌入式操作系統TinyOS到MSP430微處理器，使用nesC語言編寫應用程序。系統以溫度作為采集變量，建立了一個具有采集溫度數據、預處理、打包無線傳輸功能的動態數據采集系統終端節點的設計。
在驗證應用程序代碼時，因使用熱敏電阻調試麻煩，選用精密可調電阻代替熱敏電阻，如圖5所示，電阻值容易控制和調整，使結果具有更大可觀察性。
如上圖所示，采集的模擬信號量是電阻R110兩端的電壓值，為了觀察的方便，在測試程序中對數據進行標度變換等初步處理，使得在PC上顯示的數據信息直觀地表示為R110兩端的電壓值。由于精密電阻值最大為10 kΩ，R110=10 kΩ。Vcc=3．1 V，AD參考電平為2．5 V，使得R110兩端電壓只能在1．5～2．5 V之間測量，選擇的測量范圍為1．6～2．4 V。
只要知道當前可調電阻R_adj的電阻值，如下公式所示就可以得到ADC5的電壓值：
VADC5=Vccin[10 kΩ／(10 kΩ+R_adj)] (1)
由于終端設計是采用無線模塊發送的，PC必須通過網關才能得到PC顯示結果(PC上可以觀察范圍為1．5～2．5 V)。在終端機上，同樣用3個LED來表示電壓量的變化，選擇參考電平為1.6 V為參考零點，變化時LED顯示變化一次。如表1所示，需要注意的是只有測量值在1.6～2.4V之間LED指示值才正確。
在無線模塊數據信息的發送中，設定每隔1 000 ms發送一次。因此每過1 000 ms，串口收發指示燈將指示一次，同時在PC上更新一次數據信息。
PC監聽的結果如圖6所示。圖中“7D 04”之后的4個數字為電壓值，例如FF FF 04 7D 04 16 47 01 OO中的16 47表示當前R110兩端電壓值為1．647 V。
為了對比測量結果的正確性，同時用萬用表測量R110兩端電壓值。如表2所示，PC監聽值與萬用表測量值很接近。
3 結語
動態數據采集系統充分借鑒無線傳感器網絡的設計思想，著重探討數據采集節點硬件的設計，完成了硬件模塊的劃分、芯片的選型、軟件系統，并實現了ZigBee協議的無線傳輸，實現的動態數據采集系統具有低功耗、擴展性好、靈活性強、成本低等傳統數據采集系統難以達到的特性。
