繆曉斌

(福建商學(xué)院 后勤管理處，福州 350012)

后勤物資主要為各部門(mén)提供各項(xiàng)物資存儲(chǔ)與采供信息。隨著“智慧城市”的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)逐漸滲透到各個(gè)工作領(lǐng)域，后勤物資采供與更多部門(mén)之間建立了共同關(guān)系，后勤物資采供信息數(shù)據(jù)量迅速增加，同時(shí)數(shù)據(jù)種類也發(fā)生了改變。

設(shè)計(jì)全新的遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)。更新系統(tǒng)硬件，設(shè)計(jì)控制和驅(qū)動(dòng)電路；另外，設(shè)計(jì)一個(gè)輔助硬件的采集軟件，減少不必要的采集程序，縮短系統(tǒng)的工作時(shí)間，降低系統(tǒng)總體功耗[1]。

1 設(shè)計(jì)采集終端的電壓信號(hào)采集前端

電壓信號(hào)采集前端通過(guò)放大弱電壓信號(hào)、濾除高頻噪聲以及AD轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)對(duì)后勤物資采供信息的采集。圖1為設(shè)計(jì)的采集終端信號(hào)放大以及濾波電路。

圖1 信號(hào)放大的電路

當(dāng)電路的單級(jí)放大倍數(shù)過(guò)大時(shí)，閉環(huán)帶寬會(huì)限制該電路，同時(shí)引發(fā)自身振蕩。設(shè)計(jì)一個(gè)三級(jí)放大電路，將采集信號(hào)放大最值，設(shè)置在-10 V～+10 V之間。第一級(jí)采用AD620放大器。第二級(jí)、第三級(jí)電路主要功能為放大和濾波，因?yàn)锳D620電路只能濾除高頻噪聲，無(wú)法處理頻率較低的噪聲，所以設(shè)計(jì)了一個(gè)二階低通濾波器電路，利用電阻電容值，確定低通濾波器截止頻率。由于后勤物資采供信息類型多樣、數(shù)據(jù)體量極大，針對(duì)這一實(shí)際情況，共設(shè)計(jì)了6路數(shù)據(jù)采集通道，為保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性，不采用多通道共用AD轉(zhuǎn)換器的方式，而是令每個(gè)通道都擁有屬于自己的獨(dú)立AD，實(shí)現(xiàn)多個(gè)通道的同步采集。

選用的AD轉(zhuǎn)換器型號(hào)為AD7663，采樣頻率最大值為250 KS/s，同時(shí)該轉(zhuǎn)換器的采集電壓，在-11 V～+12 V之間，將信號(hào)輸入AD前，無(wú)需抬升電壓，也降低了噪聲信號(hào)的來(lái)源。采用總線方式維護(hù)通信速率，ADC轉(zhuǎn)換的部分電路，如圖2所示[2]。

在以往設(shè)計(jì)采集終端過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，主控制器與外圍ADC轉(zhuǎn)換芯片之間速度不匹配，由于循環(huán)控制AD轉(zhuǎn)換器造成主控制器開(kāi)銷浪費(fèi)，因此，在設(shè)計(jì)采集終端的電壓信號(hào)采集前端過(guò)程中，使用硬件數(shù)據(jù)緩沖技術(shù)，應(yīng)用過(guò)程如下：ADC芯片轉(zhuǎn)換完成后，將數(shù)據(jù)不間斷填到高速緩沖區(qū)，直至FIFO被裝滿，此過(guò)程中主控制器不執(zhí)行讀取任務(wù)，當(dāng)FIFO將要溢出數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)硬件給出一個(gè)信號(hào)，然后主控制器再執(zhí)行讀取任務(wù)，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)讀至內(nèi)存。圖3為6個(gè)通道及FIFO接口電路圖[3]。

圖2 ADC轉(zhuǎn)換電路

圖3 6個(gè)通道及FIFO接口電路圖

通過(guò)重新設(shè)計(jì)采集終端電壓信號(hào)采集前端，增強(qiáng)系統(tǒng)硬件之間的數(shù)據(jù)連接，在保證采集數(shù)據(jù)穩(wěn)定的前提下，增強(qiáng)系統(tǒng)硬件的使用穩(wěn)定性，延長(zhǎng)系統(tǒng)硬件設(shè)備的使用壽命。

2 后勤物資采供信息遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

信息遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)目標(biāo)，是在系統(tǒng)硬件優(yōu)化升級(jí)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件的多路并行數(shù)據(jù)采集模式。將系統(tǒng)采集后勤物資采供信息的過(guò)程，看作是一個(gè)周期為Dm的沖激串函數(shù)f(t)，被待測(cè)信號(hào)x(t)調(diào)制幅值的過(guò)程，調(diào)制后的幅值為：

(1)

公式中：xm(t)表示第m時(shí)間段內(nèi)的調(diào)制結(jié)果；μ表示調(diào)制系數(shù)；n表示數(shù)量。此時(shí)的x(t)只在t=nDm處取值，所以可以得到：

(2)

公式(2)將連續(xù)時(shí)間信號(hào)x(t)離散化，得到全新的xm(t)，將xm(t)|t=nDm記為x[n]。利用該值恢復(fù)原始采集信號(hào)的波形。假設(shè)采集信號(hào)x(t)的頻譜是帶限的，最大頻率為ω，幅度為1，采用下列公式恢復(fù)采集的原始信號(hào)：

(3)

圖4 并行采集系統(tǒng)界面

將結(jié)果帶入公式(2)，保證采集數(shù)據(jù)的完整性[4]。遠(yuǎn)程同步采集系統(tǒng)的并行采集模式，采用分層設(shè)計(jì)思想規(guī)劃采集，設(shè)計(jì)的采集層包括三個(gè)方面：底層調(diào)用、中層調(diào)度、上層界面。令底層負(fù)責(zé)采集卡的驅(qū)動(dòng)，中層對(duì)采集到的數(shù)據(jù)和圖像進(jìn)行調(diào)度處理，上層為使用人提供操作界面。但采集節(jié)點(diǎn)受空間分散影響，其啟動(dòng)采集時(shí)間不同步，晶振工作產(chǎn)生的累積誤差，也會(huì)影響并行采集結(jié)果，設(shè)計(jì)一個(gè)同步啟動(dòng)程序，如圖4所示[5]。

該程序以目前具有代表性的TPSN時(shí)間同步協(xié)議為基礎(chǔ)，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直接組網(wǎng)連接各采集節(jié)點(diǎn)與發(fā)送節(jié)點(diǎn)，得到如圖4所示的程序界面。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)向各采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送啟動(dòng)采集指令時(shí)，各采集節(jié)點(diǎn)同步接收采集指令，立即觸發(fā)采集模塊，實(shí)現(xiàn)多路并行數(shù)據(jù)的同步采集模式。當(dāng)需要啟用跨層采集功能時(shí)，系統(tǒng)的中央管理控制中心令通信模塊實(shí)時(shí)處理各個(gè)調(diào)度任務(wù)，通過(guò)無(wú)線通信執(zhí)行組網(wǎng)、收發(fā)指令、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)；利用實(shí)時(shí)操作控制模塊中的API函數(shù)，對(duì)采集任務(wù)進(jìn)行直接管理，完成采集、處理、傳輸、存儲(chǔ)等數(shù)據(jù)處理工作；再利用中央管理控制中心，協(xié)同運(yùn)作通信模塊和采集模塊，讓他們既能獨(dú)立工作，又能同時(shí)完成各自的任務(wù)，保證采集過(guò)程的完整性。根據(jù)上述設(shè)計(jì)的同步程序，發(fā)送啟動(dòng)采集指令，減少不同路徑采集的啟動(dòng)誤差。通過(guò)設(shè)計(jì)的同步多路徑并行數(shù)據(jù)采集模式實(shí)現(xiàn)對(duì)后勤物資采供信息的快速采集，在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)后勤物資采供信息遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。

圖5 硬件測(cè)試平臺(tái)

3 實(shí)驗(yàn)分析

測(cè)試此次設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)性能，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，檢驗(yàn)該系統(tǒng)是否具有正常工作的能力。提出對(duì)比實(shí)驗(yàn)測(cè)試，引入兩種傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)作為對(duì)照，比較不同設(shè)計(jì)方法下，采集系統(tǒng)的功耗。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作

完成信息遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)后，對(duì)該系統(tǒng)的硬件使用性能進(jìn)行測(cè)試。圖5為系統(tǒng)硬件測(cè)試平臺(tái)。

實(shí)驗(yàn)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為Node js、Keil uVision5，硬件設(shè)計(jì)平臺(tái)為Altium Designer。實(shí)驗(yàn)需要的主要測(cè)試設(shè)備及其作用，如表1所示。

表1 設(shè)備參數(shù)列表

系統(tǒng)性能測(cè)試過(guò)程中，對(duì)終端供以直流電，利用調(diào)試器連接電腦、配置跳線，測(cè)試通信模塊能否正常入網(wǎng)，然后恢復(fù)跳線，利用電池連接數(shù)字萬(wàn)用表和采集終端，測(cè)試不同狀態(tài)下的系統(tǒng)功耗。已知數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)直流電有0.003%的基礎(chǔ)精度，讀數(shù)次數(shù)為50 000 次/秒，滿足此次實(shí)驗(yàn)測(cè)試要求。再設(shè)置基本測(cè)試原則：(1)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)建立在客觀需求之上；(2)堅(jiān)持質(zhì)量第一的標(biāo)準(zhǔn)，若系統(tǒng)效率與質(zhì)量發(fā)生沖突，則以質(zhì)量為主；(3)做好測(cè)試計(jì)劃，保持測(cè)試的客觀性和有效性；(4)需要引入對(duì)比測(cè)試組，不能隨意得出結(jié)論。系統(tǒng)硬件搭建完畢后，利用JTAG口將系統(tǒng)軟件燒錄至采集終端，測(cè)試此次設(shè)計(jì)的后勤物資采供信息遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)的功耗、穩(wěn)定性。測(cè)試目標(biāo)為：測(cè)試采集終端是否能夠接入網(wǎng)絡(luò)；測(cè)試采集終端網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量是否滿足傳輸需求；測(cè)試采集終端利用電池供電，且采集頻率為15 min/次時(shí)，系統(tǒng)是否可以運(yùn)行5年以上，系統(tǒng)是否滿足低功耗的采集、傳輸要求。

3.2 系統(tǒng)性能測(cè)試

采用CoAP協(xié)議，遠(yuǎn)程交互采集終端經(jīng)過(guò)基站與上位機(jī)的數(shù)據(jù)。采集終端選擇信號(hào)較強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)附著，斷開(kāi)控制單元與網(wǎng)絡(luò)的連接，根據(jù)AT指令，采用串口工具測(cè)試通信模塊入網(wǎng)狀態(tài)，測(cè)試結(jié)果如圖6所示。RSRP的顯示結(jié)果沒(méi)有低于-1 000；SNR的顯示結(jié)果為235，可見(jiàn)，目前的取值均在正常范圍內(nèi)。再發(fā)送“AT+CEREG？”指令，得到的返回值為0時(shí)，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)接入正常；當(dāng)返回結(jié)果為1時(shí)，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)無(wú)法接入。而界面中顯示OK，可見(jiàn)返回值為0，測(cè)試采集終端可以接入網(wǎng)絡(luò)。

圖6 入網(wǎng)測(cè)試結(jié)果

3.3 系統(tǒng)功耗測(cè)試

在系統(tǒng)性能測(cè)試完畢的基礎(chǔ)上，將遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)組測(cè)試對(duì)象，將兩個(gè)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)下的遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)作為對(duì)照組測(cè)試對(duì)象，對(duì)他們的功耗進(jìn)行測(cè)試。遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)功耗測(cè)試內(nèi)容包括：睡眠狀態(tài)下的電流、信息遠(yuǎn)程采集狀態(tài)下的電流以及系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)時(shí)的電流。利用電壓表測(cè)試放電電壓，將實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)需要的放電時(shí)間，設(shè)置為2 min，同時(shí)設(shè)置3個(gè)測(cè)試組的睡眠時(shí)長(zhǎng)均為3 min。為了便于測(cè)試，設(shè)置3個(gè)測(cè)試組可以每間隔10 min自動(dòng)喚醒1次，然后開(kāi)始采集后勤物資采供信息，設(shè)置的傳輸頻率均為10 min/次。實(shí)驗(yàn)每隔10 min記錄一次數(shù)據(jù)，表2、表3、表4為3個(gè)測(cè)試組的測(cè)量數(shù)據(jù)記錄結(jié)果。

表2 實(shí)驗(yàn)組測(cè)量數(shù)據(jù)

表3 對(duì)照A組測(cè)量數(shù)據(jù)

表4 對(duì)照B組測(cè)量數(shù)據(jù)

以上述3組測(cè)試結(jié)果為依據(jù)，計(jì)算不同的測(cè)試狀態(tài)下，10個(gè)測(cè)試組中電流的算術(shù)平均值。表5、表6、表7為不同狀態(tài)下，3個(gè)測(cè)試組系統(tǒng)的平均電流計(jì)算結(jié)果。

表5 實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)功耗統(tǒng)計(jì)表

表6 實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)功耗統(tǒng)計(jì)表

表7 實(shí)驗(yàn)組系統(tǒng)功耗統(tǒng)計(jì)表

假設(shè)3個(gè)測(cè)試組的采集周期為15 min/次，上傳周期為6 h/次。計(jì)算3個(gè)測(cè)試組在不同狀態(tài)下的消耗電能，結(jié)果如表8所示。

表8 采集終端功耗測(cè)試對(duì)比結(jié)果

根據(jù)上述測(cè)試結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)組每天的總耗能更小。已知實(shí)驗(yàn)組中，采集終端可運(yùn)行的總時(shí)間約為2 934天，即約為8.04年。對(duì)照A組采集終端可運(yùn)行的總時(shí)間，約為1 989.5天，即約為5.45年；對(duì)照B組采集終端可運(yùn)行的總時(shí)間，約為2 126.5天，即約為5.83年。綜合上述測(cè)試結(jié)果可知，三個(gè)測(cè)試組中的采集終端使用壽命均在5年以上。但此次設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)，其使用壽命比對(duì)照組提高了近2.5年，可見(jiàn)此次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)功耗更低，采集終端的功耗相對(duì)較小，延長(zhǎng)了終端的使用壽命。

4 結(jié)語(yǔ)

以傳統(tǒng)設(shè)計(jì)下的采集系統(tǒng)為研究依據(jù)，重新設(shè)計(jì)了系統(tǒng)采集終端的硬件設(shè)備和軟件功能，通過(guò)提高采集終端的功能，增加系統(tǒng)總體使用穩(wěn)定性。但此次實(shí)驗(yàn)測(cè)試受設(shè)備和時(shí)間的限制，未能將該系統(tǒng)在信號(hào)條件極差的環(huán)境下進(jìn)行，因此，該系統(tǒng)可能在該環(huán)境中沒(méi)有更好的使用效果，今后的系統(tǒng)研究與功能優(yōu)化，可以將弱信號(hào)作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境，以此完善后勤物資采供信息遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)。