在工業(yè)生產中，數據采集和監(jiān)控為提高產品質量、降低成本提供了信息和手段,成為工業(yè)生產中不可缺少的部分。與傳統(tǒng)有線數據采集系統(tǒng)相比，無線數據采集系統(tǒng)具有靈活、輕便、工作范圍大，環(huán)境適應能力強等優(yōu)勢[1],解決了傳統(tǒng)數據采集系統(tǒng)在一些特殊的環(huán)境中布線難的問題。無線采集模塊的供電和能耗一直是整個系統(tǒng)設計的重點。在電池供電的系統(tǒng)中，系統(tǒng)的能耗決定整個系統(tǒng)的工作時間長度，電池的更換頻率直接關系著整個系統(tǒng)的維護成本。在以收集自然能源的無源系統(tǒng)中，更低的功耗能減少無源電源的設計難度。因此，降低無線數據采集節(jié)點的能耗是整個系統(tǒng)設計的首要問題之一。

　　1 系統(tǒng)的優(yōu)化方向和方案

　　1.1 系統(tǒng)的優(yōu)化方向

　　無線數據采集的網絡拓撲結構分為樹形網絡、星形網絡和對等網絡三種，其中樹形網絡和星形網絡應用比較廣泛。在這兩種網絡的數據采集系統(tǒng)中，數據采集模塊是非簇頭節(jié)點。這類節(jié)點受供電模塊約束較為嚴重，因此，在實現功能的前提下硬件設計要盡可能采用低功耗元件和簡潔的電路，以達到降低功耗的要求。在無線通信平臺已經確定的情況下，電路設計相對固定，硬件上的優(yōu)化空間較小。

　　數據閱讀器這類簇頭節(jié)點的設計受功耗的限制相對較小，將整個系統(tǒng)的優(yōu)化重點放在數據收集節(jié)點的通信方式上相對較容易。將整個數據采集過程中的大部分工作盡可能多地安排在簇頭節(jié)點，減少終端節(jié)點的通信工作時間是整體設計的優(yōu)化方向。

　　1.2 優(yōu)化方案

　　輪詢是系統(tǒng)收集數據的常用方法。在無線網絡中，非簇頭節(jié)點受到功耗的限制，除上傳數據以外，其他時間都會處于休眠狀態(tài)。為了保證握手與通信成功，簇頭節(jié)點會增加通信范圍內的每個終端節(jié)點的詢問次數，導致停留在單節(jié)點的時間變長。假設采集節(jié)點A和F在某一時刻同時喚醒，傳統(tǒng)輪詢機制在A點上傳數據完成后，F點需要歷經B、C、D、E 4個節(jié)點的輪詢時間才能進行通信。將系統(tǒng)對終端節(jié)點的輪詢和數據傳輸功能分離，輪詢節(jié)點時發(fā)現某一節(jié)點需要進行通信，將該節(jié)點信息通知數據采集的模塊，負責數據采集的模塊收到信息后,立即與該節(jié)點進行數據交換。簇頭節(jié)點在進行數據通信的同時,也進行著輪詢。若在A節(jié)點數據通信完成之前，輪詢已發(fā)現F節(jié)點數據需要傳輸，則系統(tǒng)在完成A節(jié)點的數據交換后，會立刻進行F節(jié)點的通信。這種通信設計方式將提高閱讀器找尋工作狀態(tài)設備節(jié)點的效率[2]。尤其在系統(tǒng)中存在數據量較大的單節(jié)點時，優(yōu)勢會更加明顯。

　　2 實驗平臺的硬件結構

　　2.1數據采集終端

　　數據采集終端結構如圖1所示,分為無線模塊、控制芯片、Flash存儲、對基模塊及串口數據輸出5個部分。時基模塊用來測量無線模塊工作時間，控制芯片通過脈沖信號鎖定起始時刻和終止時刻，將時間數據讀出并存入Flash中。Flash中的實驗數據通過串口上傳給電腦。

　　時基模塊能給多個采集終端提供分辨率為1 μs的時間基準信息。時基模塊由硬件邏輯完成，內部結構圖如圖2所示，TIME_LOCK信號的下降和上升沿鎖存時間點，其他信號為CPLD與控制芯片的通信接口。

　　2.2 數據閱讀器

　　數據閱讀器的硬件結構如圖3所示。本設計使用了雙通信模塊來實現輪詢和數據接收的分離,輪詢和數據接收分別工作在兩個不同的無線信道上。通信模塊1使用CH1信道進行握手，通信模塊2使用CH2信道接收數據。公共存儲區(qū)域用于存放輪詢到的節(jié)點信息，2個通信模塊均能對該區(qū)域存儲的數據進行修改和讀取。

　　2.3 NRF24L01無線模塊

　　NRF24L01是挪威NORDIC公司生產的一款低成本，工作在2.4～2.5 GHz ISM頻段的射頻收發(fā)芯片[3]。芯片的操作和數據讀寫通過SPI完成。接收模式下，芯片可以同時接收相同信道下6個不同地址的信息。NRF24L01常用模式的工作電流為：(1)發(fā)射模式,功率為0 dBm時,工作電流為11.3 mA;(2)接收模式,速率為2 000 kb/s，工作電流為12.3 mA;(3)Standby-I模式，工作電流為32 μA;(4)Power_down模式，工作電流為900 nA。芯片自帶的增強型ShockBurstTM模式使執(zhí)行雙向鏈接協(xié)議更為容易、有效，從而保證數據發(fā)送可靠性的同時， 降低功耗, 實現在-6 dBm功率下發(fā)送數據，平均工作電流可以減小到0.05 mA。

　　3 程序設計和細節(jié)優(yōu)化

　　3.1 程序設計

　　數據閱讀器模塊1、模塊2的程序流程如圖4所示。模塊1完成初始化后，使用信道CH1進行輪詢操作，收到握手信號后，將記錄終端編號，刷新公共存儲區(qū)數據。模塊2使用信道CH2收集數據，控制芯片不斷循環(huán)檢測公共存儲區(qū)的數據更新。發(fā)現更新后將數據讀入，根據終端編號設置無線模塊的地址，并完成握手、數據接收和數據校驗。