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理解下一代数据采集技术

时间:05-12 来源:中电网 点击:

济。

无线传感器网络的应用已有多年历史,但在其应用中需要采用定制硬件和专属软件。这使得简单应用的构建也变得复杂,并要求极高的成本和工程技术能力。此外,许多现有的无线传感器技术都与单点测量联系在一起,而少有数据流波形采集。理想的无线DAQ方案应提供高性能、易用性、可靠性和安全性。基于以上,NI选择了IEEE 802.11b/g,配以128位AES加密和IEEE 802.11i (WPA2)支持。IEEE 802.11的广泛使用以及其高达56 MB/s的传输速度,提供了易用性和足够的性能来支持100kS/s的数据流采集。

IEEE 802.11也具备足够可靠性。IEEE 802.11标准规定了无线客户端之间、无线客户端和基站或接入点之间的空中接口协议。标准还规定了物理层(PHY)和介质访问控制层(MAC),并针对性地解决了制造商和无线设备之间的兼容问题。连接不符合IEEE标准的无线DAQ设备往往需要大量努力,同时也使测试变得不可靠的。那么,什么是IEEE 802.11标准,为何它对于DAQ来说是必须的呢?

IEEE 802.11的基本连接机制是载波监听多路访问和冲突检测(CSMA/CA)协议,与以太网类似。任何希望传输数据的设备首先监听物理网络;如果网络忙(如其它设备正在传输),就延迟并在之后重新传输。如果网络预定时间段空闲(DIFS – 分布式帧间隔),传输开始。但是当两台设备同时发现网络空闲时就会出现问题。两台设备都开始进行传输,造成冲突。

在线缆式系统如以太网中,这种冲突很容易被监测和计数,因为所有设备都能"听到"其它设备。而在无线网络中,一台设备可能感知到网络空闲,而事实上目标接收机(放置在中心位置)可能正忙于接收来自另一台感知范围之外的设备的数据。在通常的运行中,接收机在信息中添加一个校验和,向设备返回确认(ACK)信息。如果设备没有接收到确认信息,即时检测到的网络仍然是空闲的,但它仍将尝试继续发送请求。

这种数据保护协议是DAQ应用中必须的,不同于无线音乐或视频流,任何数据丢失都将造成异常结果,使测量结果无效。IEEE 802.11标准的无线产品被认为是可靠且灵活的,但400页的标准文档中没有提到任何安全性相关的文字。

许多应用对数据传输提出了安全性要求--出于国家安全的原因或是向潜在竞争对手隐藏数据的原因。无线安全性方面的语言可能非常复杂,且涉及更多缩写。所有安全性都是基于各种数据编码和用户权限的组合。编码标准由多种。首先是WEP(有线等效加密),接下来是WPA(Wi-Fi保护访问),但两种都有可能危及安全性。最新的Wi-Fi产品符合WPA2标准,并使用AES(高级编码标准)。它采用了128位密码,这种密码比WEP和WPA的算法更难破译。事实上,国家标准技术局(NIST)选择了AES作为编码标准,所有美国政府机关都采用该标准。WPA2已被证实是稳定安全的,可用于各类应用包括Wi-Fi DAQ。

SAPHIR公司选择使用NI公司的WLS-9163 Wi-Fi外盒,因为它符合IEEE 802.11协议和WPA2的安全性。他们使用与之前USB系统相同的NI-DAQmx驱动,可以在无需重写代码的前提下升级到Wi-Fi。USB和Wi-Fi外盒都是用相同的C系列平台,作为采集和信号调理模块,因此使硬件成本支出最小化。这也简化并加速了向更实用、功能更强大的Wi-Fi系统的转化。

图3. WLS-9163包含NI-9234动态信号采集模块。

现在,Wi-Fi可以作为简单且安全的DAQ选择,供任何行业内的科学家和工程师使用。在那些采用有线方案会不实际,不能实现或者成本太高的应用中,它已经成功实现动态数据传输。今天的科学家和工程师无需担心总线带来的限制。相反,通过灵活的软件和易用的驱动,开发人员能够可以指定选择适合应用的总线,从高吞吐率的PCI Express到简单即插即用配置的USB、或高度灵活性和移动性的Wi-Fi。现在,领域专家掌握了DAQ系统的选择权,从而更好地满足他们的需要。

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