一种分布式数据采集设备的研究

一种分布式数据采集设备的研究

吕建泽

广西交投科技有限公司 530000

摘要：本文主要研究目的在于运用模块式数据采集盒和分布式数据采集系统结构实现多现场、多通道监控、采集与处理实时数据；研究方法为采用网络技术，设计分布式数据采集设备总体结构、数据采集盒原理、系统软件功能、系统实现方案，运用Lora组网连接数据采集盒，分布式协同处理工作站；研究结果表明，分布式数据采集设备结构系统每秒采集频率为1 ~30次，可同时对200个设备进行实时采样、实时监控2000多个数据，实现多通道数据采集、监控、处理功能，同时该设备还具有模拟仿真以及处理数据功能。

关键词：数据采集；多通道；分布式；实时

引言：针对实时海量数据的釆集与监控，传统的单机串行釆样与数据处理的数据釆集方式逐渐暴露出弊端，对于大量数据传输、多通道实时采集、监控和处理数据的工作无法满足，需构建以数据采集盒为基础的分布式数据釆集系统技术方案，结合计算机网络技术及无线通讯技术，连接各个数据采集盒并调配工作站，分布式采集传输处理数据，拓宽采集通道数量及数据处理量，提升数据采集速率。

一、系统总体结构设计

（一）系统设计思想

第一，本文所设计的分布式数据采集设备需具备完善的系统和功能。设备系统组成包含电源、数据采集器和云服务器、计算机等硬件设备，软件系统包含数据库系统、独立的功能软件系统以及网站支持设备系统。结合云服务技术，满足数据存储、计算、仿真、数据采集、监控以及传输等功能；第二，整体系统设备需进行模块化和分布式结构设计。分布式网络可将数据采集监控和处理系统分开且独立工作，模块化结构用于数据采集盒等硬件设施；第三，所设计的采集设备须具备可靠性和可维护性。双CPU和多线程技术用于设计计算机工作站、数据库服务器，模块化结构用于设计系统配置、数据釆集盒；第四，采集设备设计的独立性与可扩充性，其中前者独立性指的是数据釆集盒配置显示器和键盘，可形成自成系统独立运行，后者的可扩充性指的是机柜设计、硬件和软件系统如有实际需要，可扩充空间与性能^[1]。

（二）设备系统总体结构

下图便是分布式数据釆集设备系统简图，整体架构围绕云服务器，一方面连接数据釆集工作站等在内的计算机工作站，另一方面通过Lora组网的数据采集盒。分布式数据釆集设备系统总体结构由数据釆集盒、数釆工作站、云服务器等构成，所有结构组成部分之间采用MQTT数据包进行实时通信^[2]。

首先，数据采集盒分为由电压表、电流表、电能表等组成。数据采集和互相连接并放置于标准工业机柜，可转换模拟信号获取数字信号，传输至局域网形成庞大的数据采集系统；其次，云服务器可储存测量工作参数采集到的数据值，同时还能够提供数据库服务和web访问服务；再次，数据采集工作站不仅能够协调配置数据采集系统和控制系统之间的通信，还可以借助局域网控制维护采集系统，接收采集数据并录入后台数据库服务器，同时还具备执行用户管理、参数配置的相应功能；最后，云服务器作用有两点：第一是向外输出 Web服务，负责实时分析和监控2000个监控通道数据；第二，收集监控工作站可通过局域网节点拓展多量采集渠道。

图1分布式数据采集系统总体结构图

二、数据采集盒设计

（一）数据釆集盒原理

第一，数据采集盒工作方式包含两部分：一是主动工作方式，二是被动工作方式。两者的区别在于前者受控于上级数据采集系统，后者配备显示器和键盘可形成独立数据采集系统；第二，数据采集盒电路包含电源、数据采集电路、通讯电路^[3]。

（二）数据釆集盒设计方案

下图便是本文所设计的能耗数据采集系统图。该系统由具有不同功能的各个部分组成，包含MCU、数据采集及通讯模块、电源等共同组成，对于不同功能的部分介绍，主要有以下几点：

1.数据采集模块

本文所选用的是HLW8012功率计量芯片，可以测量有功功率、电量、电压有效值、电流有效值；有功功率在1000:1范围内达到±0.3%的精度，电流或电压有效值，使用SEL选择，在500:1范围内达到±0.5%的精度；MCU通过测量CF、CF1引脚输出高频脉冲的周期来计算功率、电流、电压值。

2.MCU

MCU可以把采集到的电压、电流，电能等数据传输至数据采集工作站，一方面开展数据通信工作，另一方面也可以向数据采集模块采集数据。MCU采用乐鑫科技ESP32芯片，双核32位MCU，2.4GHz双模Wi-Fi和蓝牙芯片，主频高达230MHz，计算能力可达600DMIPS。MCU与通讯模块采用SPI通讯，实时采集设备能耗数据并通过通讯模块将数据传送至数据采集工作站；

3. 系统电源

系统电源运用AD-DC隔离电源进行供电，原因在于可以减少波纹对整体系统的干扰。

图2 数据釆集系统方框图

三、软件系统功能设计

（一）数据釆集子系统

数据采集子系统分为7个功能模块：第一是系统设置，内容包含采样频率采集点、传感器灵敏系数、采集盒通道等；第二，运用网络连接数据采集设备并通过系统连接获取连接结果；第三，系统自检可检查采集盒硬件物理状态、测量点连线；第四，数据通信功能可实现上下级数据传输以及正常通信。采集和接收来自系统传输的配置参数，并将其发送至服务器，完成通讯功能；第五，数据采集。数据采集方式为手动和定时方式，同时数据监控处理分析所需要参考的测量数据会被存储到相应的存储设备，以便为后续工作的开展提供数据依据；第六，数据显示，显示方式包含表格、曲线、直方图等；第七，状态显示可运用动态图标显示的方式，显示状态为采集状态、采集完成状态和等待状态等^[4]。

（二）数据监控子系统

数据监控子系统不仅具有系统设置和连接功能模块，同时还具备监控数据保存及监控数据显示模块。不仅可以储存某时间段内的信息，同时也能对通道数据以及采集点数据变化进行实时监控，并通过表格和图形的方式，将数据变化趋势投影于大屏幕之上；峰谷值保存模块可辨认并实时跟踪监控数据峰谷值；此外，数据监控子系统还具备报警功能和 Web服务功能，前者可对异常报警条件进行警示；后者可实现数据的实时访问。

（三）数据处理子系统

数据处理子系统，可在后台大型数据库系统存入采集数据，实现数据保存功能；此外，数据处理功能模块需进行平均值计算、温度补偿计算、应力换算以及线性归一计算。其中平均值计算，指的是平均处理两个以上数据文件；温度补偿计算，可运用温度补偿片抹除测量数据中温度变化对其影响；线性归一计算可运用最小二乘法线性化处理数据斜率等相关系数；应变类型测量数据可通过计算应变转化为应力数值，完成应力换算；最后，图形显示和数据导出模块。以图形的方式显示处理结果，并通过 Excel文件、TXT文本等格式导出后台数据库资料，以便交换电子数据^[5]。

（四）数据釆集盒模拟仿真子系统

该系统可通过参数设置模块、设定信号发生频率、数据产生方式等参数定值，并结合采集系统所发出的各种指令进行仿真控制模拟；状态反馈模块可向采集系统发送仿真生成数据采集盒运行状况、接收命令状况、命令执行情况等；数据仿真模块可以模仿信号发生频率，将其转化为仿真数据，在网络的帮助下与采集系统和数据监控系统进行数据的实时交换；网络连接显示模块可以连接数据采集系统和监控系统^[6]。

4. 结论

本文为实现分布式采集监控、处理海量数据、仿真模拟数据采集盒等功能，研制出自组网数据采集盒，调试完成后进入批量生产,共生产50个数据釆集盒和1个数据釆集工作站，在高速传输效率下，提升分布式采集设备的可靠性和可拓展性，完善其功能和性价比，在未来将具有广阔的发展前景。

参考文献：

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[3]李红刚，张素萍.基于单片机和LabVIEW的多路数据采集系统设计[J].国外电子测量技术,2014,04:62-67.

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