变速率无线实时最优路径数据精确采集系统及其采集方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及实时数据采集技术，具体涉及一种变速率无线实时最优路径数据精确 米集系统及其米集方法。
【背景技术】
[0002] "工业4.0"包含了由集中式控制向分散式增强型控制的基本模式转变，目标是建 立一个高度灵活的个性化和数字化的产品与服务的生产模式。在这种模式中，传统的行业 界限将消失，并会产生各种新的活动领域和合作形式。创造新价值的过程正在发生改变，产 业链分工将被重组。
[0003] "工业4. 0"项目主要分为两大主题，一是"智能工厂"，重点研究智能化生产系统及 过程，以及网络化分布式生产设施的实现；二是"智能生产"，主要涉及整个企业的生产物流 管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。该计划将特别注重吸引中小企业 参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工 业生产技术的创造者和供应者。
[0004] 无论是建设"智能工厂"，还是实现"智能生产"，都离不开精确的数据采集。只有对 建筑、设备、物流、生产过程、工业过程，实现精确的实时数据采集，才能进一步对数据传输、 分析、转化、决策，最终实现"智能工厂"和"智能生产"。
[0005] 现有数据采集设备及数据采集方法，大多基于有线网络传输，设计安装过程中需 要考虑供电及信号线架设及信号因干扰导致精度下降等等问题。
【发明内容】
[0006] 鉴于以上现有技术中存在的这些问题，本发明提出一种变速率无线实时最优路径 数据精确采集系统及其采集方法，旨在实现无线通讯、电池续航10年以上、高精度。
[0007] 本发明的一个目的在于提供一种变速率无线实时最优路径数据精确采集系统。 [0008] 本发明的变速率无线实时最优路径数据精确采集系统包括多个智慧数据采集单 元，多个智慧数据采集单元同时在一个区域内工作，组成网状网络，通过无线通讯向外部的 远端数据平台发送数据；每一个智慧数据单元包括电池、无线采集装置和传感器探头，无线 采集装置和传感器探头分别与电池连接，传感器探头采集物理数据，转化成电压信号后传 输至无线采集装置，无线采集装置将数据传输至外部的远端数据平台；其中，无线采集装 置包括依次通过内部总线连接的模数转换器、数据过滤器、变速率传输器和最优路径自组 网无线通讯器，模数转换器将来自传感器探头的电压信号转换为数字信号传输至数据过滤 器，数据过滤器将非正常数据以及不符合正常趋势的数据过滤掉，将符合正常趋势的数据 传输至变速率传输器，变速率传输器将超过发射阈值的数据传输至最优路径自组网无线通 讯器，最优路径自组网无线通讯器通过计算路径能耗、信号质量和路径寿命的加权值，选择 出多个智慧数据采集单元构成的网状网络中的最优路径，将数据通过最优路径传输至外部 的远端数据平台。
[0009] L个智慧数据采集单元I、W2、W3、同时在一个区域里工作，其中L为彡3的 自然数，组成网状网络，对于第k个智慧数据采集单元W k进行数据采集，将数据发送至外部 的远端数据平台，第k个智慧数据采集单元Wk将数据直接发送至外部的远端数据平台；或 者，W k通过除自身以外的一个其他智慧数据采集单元作为路由将数据发送至外部的远端数 据平台，即1以^作为路由，数据由^传输至Wp再由W廣输至外部的远端数据平台，完成 数据传送，其中，r为彡L的自然数，且r辛k ;或者，Wk通过除自身以外的两个其他智慧数 据采集单元作为两级路由将数据发送至外部的远端数据平台，即W k&Wp和Wq作为路由，数 据由Wk传输至W p，再由Wp传输至W q，最后由Wq传输至外部的远端数据平台，完成数据传送， 其中，p和q分别为彡L的自然数，p和q辛k，且p辛q。
[0010] 本发明的另一个目的在于提供一种变速率无线实时最优路径数据精确采集方法。
[0011] 本发明的变速率无线实时最优路径数据精确采集方法，L个智慧数据采集单元I、 W2、W3、···[同时在一个区域里工作，其中L为彡3的自然数，组成网状网络，实现数据传输， 对于第k个智慧数据采集单元Wk进行数据采集，包括以下步骤：
[0012] 第一步：数据高精度采集：
[0013] 传感器探头采集物理信号，传输至模数转换器，生成当前时刻Ts的数据DATA[Ts]， 通过无线采集装置的内部总线传至数据过滤器，其中，Ts为当前时刻，Ts距离0点的毫秒数 为s，S为毫秒数；
[0014] 第二步：高效数据过滤：
[0015] 1)数据过滤器判断当前时刻的数据DATA[TS]是否在正常区域，若处于正常区域， 即DATA[Min]〈DATA[Ts]〈DATA[Max]，则判断当前时刻的数据DATA[TS]为正常数据，进入步 骤2)，否则判断为非正常数据，返回第一步，则非正常数据被过滤掉，其中，DATA[Min]为正 常区域的最小值，DATA [Max]为正常区域的最大值；
[0016] 2)对当前时刻的数据DATA[TS]进行趋势比对，若当前时刻的数据DATA[TS]符合 正常趋势，则进入步骤3)，否则返回第一步，则不符合正常趋势的数据被过滤掉；
[0017] 3)数据过滤完成，数据过滤器将正常数据且符合正常趋势的数据DATA通过无线 采集装置的内部总线传至变速率传输器；
[0018] 第三步：数据变速率传输：
[0019] 变速率传输器将数据DATA与上次发送成功的数据％_进行对比，判断是否发生变 化，若发生改变则传输至最优路径自组网无线通讯器，否则返回第一步；
[0020] 第四步：最优路径自组网无线通讯：
[0021] 1)对第k个智慧数据采集单元Wk进行路径测试，Wk安装位置确定后，Wkg动广播 测试数据DATAT，测试数据DATAT通过整个网状网络传输至外部的远端数据平台，根据外部 的远端数据平台收到后返回的应答信号ACK，确定路径表，路径表包括直发路径表、单跳路 径表和双跳路径表；
[0022] 2)智慧数据采集单元之间按预定时间间隔Tx测试路径表中的每个路径上的路径 能耗Ρ、信号质量Q和路径寿命LT的加权值S，找出加权值最低的路径为最优路径，并与当 前选用路径的路径能耗Ρ、信号质量Q、路径寿命LT的加权值S比较，若降低则采用最优路 径为当前路径，若没有降低则不更换路径；
[0023]3)最优路径自组网无线通讯器按照选定的路径，将数据DATA发送至外部的远端 数据平台，完成本次数据采集，返回第一步进行下一个数据采集。
[0024] 其中，在第一步中，数据高精度采集具体包括以下步骤：
[0025] 1)传感器探头将物理信号转化为电压信号，传输至模数转换器，物理信号包括： 压力、温度、流量和电流等；
[0026] 2)模数转换器将传感器探头转化的电压信号转换为数字的当前时刻的数据 DATA[TS]，并通过无线采集装置的内部总线传至数据过滤器，其中，TS为当前时刻，Ts距离0 点的毫秒数为S，S为毫秒数。
[0027] 在第二步的步骤2)中，趋势比对具体包括以下步骤：
[0028] i.数据过滤器在运行过程中记录当前时刻Ts之前N个采集周期连续采集的正常 数据：DATA[TsN]、DATA[TsN+1]......DATA[Ts2]、DATA[TsJ，形成过滤样本库，其中每一个正 常数据为一个样本，其中，N为自然数且5000 ;
[0029] ii.过滤样本库打包成组：将样本库中的N个样本依次步进为1，每Μ个连续的 样本组成一个基准数组六1，从而形成Ν-Μ+1个基准数组，其中i= 1、2、3......N，即A1 = {DATA[TsJ...DATA[TsJ}、A2 ={DATA[Ts2]...DATA[TsMJ}、A3 ={DATA[Ts3]...DATA[T sM2]}......AN={DATA[Ts _J· · ·DATA[TsN+1]DATA[TsN]}，其中，M为彡 2 的自然数；
[0030] iii.数据过滤器趋势对比：将DATA[TSM]、DATA[TSM+1]、DATA[TSM+2]· · ·DATA[TSJ、 DATA[Ts]组成一个当前时刻的数组As={DATA[Ts]、DATA[TsJ、DATA[Ts2]...DATA[TsM+2]、 DATA[TSM+1]};将As中的M个数据依次与每一个Al. . .AN基准数组内的M个数据 进行--对应的求差Dj，其中j= 1、2、3......M，如果存在一个基准数组六1，使得 一一对应的求差Dj的最大值与最小值之间的差值与最小值的比值在趋势阈值内，即
則当前时刻的数据DATA[Ts]符合正常趋势，其中，dd% 为趋势阈值，若遍历整个N-M+1个基准数组，都不存--对应的求差Dj的最大值与最小值 之间的差值与最小值的比值在趋势阈值内，则当前时刻的数据DATA[Ts]不符合正常趋势。
[0031] 在第三步中，数据变速率传输具体包括以下步骤：
[0032] 1)变速率传输器收到数据DATA与上次成功无线发射数据Dsend求差，若差值与Dsend 的比值小于发射阈值，即
，其中，ss%为发射阈值，则认为数据 DATA没有变化，不发送数据，返回第一步重新采集新的数据，否则进入2);
[0033] 2)变速率传输器将数据