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关键词: 时间间隔测量; TDC?GP22; 高精度脉冲激光测距; 光电探测器
中图分类号: TN835?34; TP212.9 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2017)04?0155?04
Design of high?precision time interval measuring system for pulsed laser range finding
TIAN Haijun, YANG Ting, ZHAO Yanghui
(School of Automation Engineering, Northeast Electric Power University, Jilin 132000, China)
Abstract: In the time interval measurement system, the time digital converter chip TDC?GP22 is adopted to realize the high?precision pulsed laser range finding, the high?performance microcomputer STM32 is taken as the main controller, and the semiconductor laser diode SPLLL90?3 and AD500?9 are served as the receiving photoelectric detectors. The measured results are transmitted to the microcontroller through SPI communication interface, and then the processed data is transmitted to the display LCD12864. The test results indicate that the precision of the measuring method can reach up to 65 ps, and the system has simple structure and high feasibility.
Keywords: time interval measurement; TDC?GP22; high?precision pulsed laser range finding; photoelectric detector
0 引 言
脉冲激光测距具有测距精度高、探测距离远、峰值功率高、对光源相干性要求低等特点,广泛用于工业、民用、航天、医药等领域。目前激光测距方法有脉冲测距法、光子计数测距法和三角测距法。相比后两者,脉冲测距法测程长、精度高、反应时间短及没有光圈。脉冲的工作波长、上升时间、宽度、占空比、峰值功率及大气折射率影响时间间隔测量精度,其中脉冲宽度越窄精度越高,脉冲功率越大测程越长。在火电厂激光煤矿地质测量系统中需要对煤堆高度进行精确测量。实践中,通过时间间隔测量仪器测量激光飞行的时间间隔,测量占空比和功率会限制时间间隔的测量。因此,在激光煤矿地质测量系统中时间间隔测量单元在整个系统中起着关键作用。本文提出了一种脉冲激光测距中高精度时间间隔测量系统的设计,TDC?GP22[1]芯片记录激光接收和发射的时间信号差值,单片机STM32通过接口技术读取测量结果并将结果送入显示器,以实现距离测量。
1 脉冲激光测距系统
脉冲激光测距系统工作原理即单片机控制激光发射装置发射占空比一定的激光脉冲,其中一小部分能量到达接收电路,然后光电探测器将微弱的光脉冲信号变成电脉冲信号并看作Start信号触发时差测量。激光的大部分能量在空间中传播,遇到目标物后反射传播到达接收电路,看作Stop信号结束测量,至此完成时差测量[2]。TDC?GP22芯片记录Start脉冲到Stop脉冲之间的时差,用于计算目标物到发射端的距离[3?4]。在上面的测量中,除了TDC?GP22芯片的时间间隔精度外,还有很多因素影响距离测量精度[5],比如光的传输介质、光束的散射程度以及接收单元的灵敏度等。图1为激光测距系统的结构框图。
2 TDC?GP22芯片的工作原理
德国ACAM公司生产的TDC?GP22芯片是CMOS结构设计的高精度时间数字转换芯片,时间间隔由逻辑门的传输延迟来量化,通过测量两个或多个脉冲之间的时间间隔进行精确测量[6]。TDC?GP22芯片的系统结构主要由TDC模块、温度测量模块、ALU算术逻辑模块、控制时钟模块及串行接口模块等组成。TDC?GP22芯片有两种测量范围,每个测量范围的分辨率均能达到65 ps,测量范围1为0~1.8 μs;测量范围2为500 ns~4 ms。根据本系统测量要求,选择芯片的测量范围1实现高精度时间间隔测量。
TDC时间数字转换单元由信号通过门电路的传输延迟实现高精度时间测量[7?9]。首先进行系统初始化,由Start接收到有效脉冲信号触发,并在接收到Stop有效脉冲信号后结束工作。Start信号和Stop信号之间的时间间隔由粗值计数器的计数值和环形振荡器的位置计算出来。
温度和电压对TDC时间测量系统有较大影响,因此通过测量一个时间间隔和外部脉冲,对比两者之间的测量值校准消除温度和电压变化带来的误差。在校准时,TDC?GP22芯片能产生稳定的时钟信号,当其对外部信号测量完成后,再测量1倍的Cal1内部基准时钟周期和2倍的Cal2内部基准时钟周期。参考时钟周期值分别为Cal1,Cal2,参考时钟信号是RefClk,即可得出Cal1, Cal2的值。
通过下式计算可得出校准之后的精确时间差:
式中:RES_X为TDC时间间隔计数值;t为TDC校准时间测量值。
3 系统硬件设计
3.1 激光发射电路设计
采用DALLLA公司生产的DS1040可编程脉冲发生器,DS1040芯片的P0~P2引脚分别与单片机的PA4~PA6引脚相连,通过单片机的I/O口输出高低电平控制DS1040。驱动芯片采用东芝公司的EL7104C芯片,具有高速、响应时间短、供电电流小、单通道的特点,通过内部电路集成的增压电路来增大输入电压。电容C1,C2滤除电源带来的杂波。为了防止大电流烧坏芯片,电阻R1起限流作用。激光二极管采用OSRAM公司的SPLLL90_3,它是一款集成度高、体积小、低功耗的激光器,中心波长为905 nm、输出峰值功率为70 W,主要应用在激光测距领域内。激光发射电路如图2所示。
3.2 激光接收电路和鉴时电路设计
激光接收电路和鉴时测量电路设计如图3所示,光电探测器选择Silicon Sensor公司生产的AD500?9雪崩二极管[10]实现光电转换,它具有响应时间快、探测灵敏度高、增益大的特点,可提高测量精度和减少噪音干扰,因此把它看作脉冲计数单元的触发信号。为保证探测器采集的数据不丢失,采用德州公司生a的UA733放大器将雪崩二极管转换的电脉冲信号放大,它具有较高的稳定性、低相位失真和快速的信息处理能力,能够对信号放大10~400倍。为了提高信噪比,在接收模块中采用MAX913比较器,它是一款高速低耗的电平输出比较器,通过设定电平值滤波。
在鉴时电路中,时间数字芯片TDC?GP22通过外接32.768 kHz基准时钟和4 MHz的石英晶振来控制和校准时钟。微控制器选用STM32F103C8T6单片机,工作最高频率为72 MHz,FLASH程序存储器是64 KB和高达20 KB的SRAM,多达9个通信接口,其中包括2个I2C接口和2个SPI接口。支持2种JTAG接口调试模式和串行单线调试,能满足低功耗要求。STM32系列单片机具有丰富的库函数、成本低、功耗低、性能高的优点,因此易于开发产品。单片机主要对TDC?GP22芯片的时间控制和寄存器配置,时间测量结果通过SPI接口技术送入单片机,对整个系统进行控制。
在图3中TDC?GP22芯片的Stop1和Stop2端口控制脉冲的接收和发射信号,RSTN中断输入信号引脚和单片机的PA9引脚相连,低电平有效,未工作前芯片要复位。TDC?GP22的SSN,SO,SI,SCK引脚分别与单片机的PA4~PA7引脚相连,使用SPI1接口进行数据通信。EN_START,EN_STOP1,EN_STOP2引脚分别与单片机的PC13~PC15引脚相连,INTN引脚接地。JTCK,JTMS,JNRST,JTDI,JTDI,RET引脚看作JTAG的引脚,为单片机调试和下载程序使用。在使用STM32系列单片机时需注意,所有VSS引脚须接地、VDD引脚须接VCC。
4 软件设计
系统软件设计流程图如图4所示,系统初始化包括LCD初始化、寄存器配置、TDC?GP22初始化。在未工作前,TDC?GP22芯片的en_start和en_stop引脚低电平有效,未选通Start和Stop通道。在对TDC?GP22寄存器配置完成之后,分别设置每个通道的采样个数和测量范围并确定ALU的计算方法。单片机给TDC?GP22发送开启命令,确保TDC?GP22进入测量状态,一旦TDC?GP22的start通道接收到有效信号时,此信号看作激光的一部分能量。
当反射的激光信号到达接收单元时,反射光线对信号进行处理后,TDC?GP22的Stop通道开始测量,在完成一次测量之后关闭Start和Stop通道。校准TDC?GP22之后,单片机在中断响应到来后会读取寄存器数值,若没溢出,则TDC?GP22会记录出时间间隔测量值。数据校准格式是16进制的32位浮点数,每8位数据通过单片机的SPI口读取一次,即分4次读出校准值。若有6次的数据一样,则认为测量结果正确,若不正确则删除,重新校准TDC?GP22并继续测量。为了提高测量精度,在整个测量系统中需要每次对TDC?GP22初始化。在单片机系统设计中,C语言编写的特点是易于维护、编写代码的效率及其重复率高等,因此C语言在单片机系统设计中得到了广泛的应用。
5 实验结果
文中实现了脉冲激光测距中高精度时间间隔测量系统的设计,基于 TDC?GP22的测量范围1和测量范围2
进行了大量的实验测试。
分别计算出每组数据的平均值和标准差,绘制脉冲时间?测量误差曲线如图5所示。
6 结 论
测试结果表明,系统标准差的均值约为68 ps,与TDC?GP22标准相差3 ps。这是由于传感器的制造工艺及外部因素难免出现一些误差,致使测量误差增加。该系统有效地提高了脉冲飞行时间的测量精度和稳定性,优化了系统的性能和电路结构,满足了脉冲激光测距系统的精度要求。
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【关键词】光纤光栅传感器 无线传输 触指压力 ZigBee 在线监测
目前,高压隔离开关触头发热问题会导致触头发热部位熔化,增加停电次数,影响电网运行结构。经过对现有的高压隔离开关发热问题的分析、统计发现,隔离开关触指发热占到全部发热问题的80%以上,而隔离开关触指压力不足而导致接触部位接触不良引起的触头发热占到隔离开关触指发热缺陷的60%以上,因此,减少高压隔离开关发热的关键是保证隔离开关触指的压力。目前有几种离线方式检测:通过测试刀闸回路的接触电阻来判断接触部位的接触情况,粗略地判断隔离开关触指的压力是否合格;通过模拟触指,设计模具,通过压力传感器的数据采样判断隔离开关触指的压力是否合格;以上方法都缺少预防性的监控手段,无法满足实时监测的需求;为了满足《河北省电力公司输变电设备状态检修导则》9.3.1款“检查动静触头接触压力”以及《河北省电力公司输变电设备状态诊断导则》11.2.2款“隔离开关触指压力不符合技术条件”的检测要求,增加隔离开关状态检测手段,填补工作中无法测量触指压力的盲点,迫切需要隔离开关触指压力的在线监测系统。
1 高压隔离开关
高压隔离开关有多种分类方式。根据极数分为单极和三极;按操作机构可分为手动式,电动式和液压式。按绝缘支柱数目可分为单柱式隔离开关、双柱式隔离开关和三柱式隔离开关,其中单柱式隔离开关结构最为简单,有体积小、接引导线少的优点,在需要节约空间的工况中使用有较大优势。隔离开关在电力系统中主要起安全隔离作用,它的任务是在无负荷下分、合电路,以达到停电检修和转换电路的目的。
1.1 单柱式隔离开关
单柱式隔离开关是只有一个绝缘支柱的隔离开关。它由绝缘支柱、折叠活动臂(动触头)和静触头三部分组成。如图1所示:按折叠活动臂结构的不同可分为剪刀式和半剪刀式两种型式的活动。其中绝缘支柱用来支持和操作上部导电杆和折叠活动臂。通常由两个支柱绝缘子组成,一个是固定的大直径、高强度支柱绝缘子,起支持导电、绝缘支柱单柱式隔离开关部分的作用;另一个是活动的小直径、普通强度的支柱绝缘子,能水平旋转,用以操作活动,完成断开和闭合的动作。折叠活动臂隔离开关的导电部分,又称动触头。它安装在绝缘支柱的上部,沿垂直方向起落,以完成断开和闭合的动作。
活动臂有两种结构:(1)单侧折叠活动臂,非对称结构,简称半剪刀式。(2)双侧折叠活动臂,对称结构,简称剪刀式。折叠活动臂是隔离开关的核心部件,应满足载流量的要求,并具有规定的动、热稳定性,一般用铝合金管或铜管制成。由于单柱式隔离开关的静触头安装在母线上,具有一定的风偏摇摆,故要求折叠活动臂具有足够的长度,使隔离开关在风偏时能可靠的夹住静触头。由于结构不同,半剪式隔离开关的静触头垂直母线安装,剪刀式隔离开关的静触头平行母线安装。
单柱式隔离开关的应用具有以下特点:(1)它是垂直开启的方式,通常用作母线隔离开关,可以直接分布在母线下方,减少高压比电装置的纵向尺寸,节省占地。(2)它的折叠活动臂结构比较复杂,隔离开关的价格交规,通常只在电压等级较高的配电装置中采用,在我国已形成220~500kV单柱式隔离开关的系列产品。(3)剪刀式隔离开关钳夹范围大,与有一定风偏摇摆的软母线配合有利,而半剪刀式隔离开关钳夹范围小,与固定不动的硬母线(支持式)配合有利。
图1 单柱式隔离开关图
1.2 双柱式隔离开关
双柱式隔离开关图2所示,由两个垂直布列的绝缘支柱组成的隔离开关。每极有两个可转动的触头,分别安装在单独的瓷柱上,且在两个支柱之间接触,其断口方向与底座平面平行的隔离开关。按不同的导电结构可分成水平旋转式和水平伸缩式两种类型。双柱水平旋转式隔离开关是由两根绝缘支柱同时起支撑和传动作用,为确保隔离开关和接地开关两者之间操作顺序正确,在产品或结构上装有机械联锁装置,以保证“主分-地合”、“地分―主合”的顺序动作。此种结构的支柱既起支撑作用又起传动作用,所以虽然结构简单,安装方便,但不易向超高压发展。双柱水平旋转式隔离开关具有活动关节少,结构简单,操作力较小的优点,但当断开时,带电的导电活动也跟着旋转90°,增加了隔离开关的相间距离,从而加大了配电装置的间隔宽度。例如采用252kV双柱水平旋转式隔离开关的配电装置的间隔宽度为14m,而其它型式只需要13m。但是由于它操作时只有旋转绝缘支柱的简单动作,且仅有一个断开点,运行安全可靠,具有其它型式隔离开关无法比拟的优点。
图2 双柱式隔离开关图
1.3 三柱式隔离开关
三柱式隔离开关由三个垂直布置的绝缘支柱及其它部件组成的隔离开关。中间支柱的顶部安装水平导电臂,随着中间支柱的旋转而改变位置。两个边侧支柱固定不动,其顶部均安装静触头。合闸时,水平导电臂部分两端的静触头;分闸时中间支柱带动水平导电臂旋转60°。在两侧静触头之间分别形成空气间隙,其隔离作用是由两个串联空气间隙形成的。其结构示意如图3所示。三柱式隔离开关由于其支柱较多,加大了擦洗支柱绝缘子的工作量;中间支柱需要同时操作两个水平活动导电臂,其操作力较大。但它所要求的相间距离较小,故在220~330kV配电装置中应用较多。由于它的纵向尺寸较大,用作母线隔离开关时,需要增加母线相间距离,从而增加配电装置的占地,因此一般都将三柱式隔离开关用作出线或进线隔离开关。在500kV配电装置中,由于它的纵向尺寸太大,水平活动臂太长,操作时会产生抖动,故一般都不采用。
图3 三柱式隔离开关图
1.4 高压隔离开关触指压力的传统检测方法
(1)弹簧秤拉伸法。由于高压隔离开关的触指压力是由隔离开关的动、静触头之间接触而产生的。采用弹簧秤法是将弹簧秤的一端固定在隔离开关静触头端,其位置在隔离开关的动、静触头之间的接触点上,再用力拉伸弹簧秤直至隔离开关的动、静触头之间刚刚开始出现缝隙时,读取弹簧秤的读数即为隔离开关的触指压力。(2)人工经验法。人工经验法是一种最简单、最直接的用于检测高压隔离开关的触指压力的方法,依靠检修人员的经验,比如数加力手柄摇动的圈数或用双手拉动剪力式开关的两臂来估计接触压力的大小。(3)模拟隔离开关动触头法。模拟隔离开关动触头器件,将传感元件安装在模拟的隔离开关动触头上,在不通电的情况下将模拟动触头插入隔离开关动、静触头实际合闸位置,这样对隔离开关触指压力进行测量。
1.5 高压隔离开关触指压力检测的研究现状
在各类检修规程和标准中都有测量触指接触压力的规定,将弹簧秤作为推荐的测量工具,而在实际工作中,测量触指压力要在高空,用弹簧秤检测触指压力不但不方便、不准确也不安全,且有不少触头由于有外罩遮挡等原因而不能直接测量。模拟隔离开关动触头法都是在不通电的情况下将模拟动触头插入隔离开关动、静触头实际合闸位置,这样对隔离开关触指压力进行测量。这种测量方法必须要在断电的时候进行测量,而且测量的并不是真正的动触头合闸时所产生的触指压力,不能实现隔离开关触指压力的实时在线安全监测,不能及时的反映隔离开关触指压力的变化,不能精确的判断动触头合闸时的安全合闸位置。因此有必要对实现高压隔离开关触指压力的实时在线监测进行研究。
2 基于光栅传感器和无线传输的高压隔离开关触指压力在线监测系统
基于光栅传感器和无线传输的高压隔离开关触指压力在线监测系统可以实时监测隔离开关的触指压力,可以及时分析出现场隔离开关的运行情况,减少由于触指压力不足导致的接触不良进而引起触头发热的现象,可以减少停电次数,提高国家电网运行效率。
2.1 光纤光栅应变传感器介绍
光纤光栅应变传感器是以光纤为载体,在光纤的局部区域写入光栅,利用反射或透射布拉格光栅峰值波长移动的特性来实现对被测结构的应变值的绝对测量。光纤光栅传感器有很多优点,如体积小、灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰、无零漂、易于安装、复用性好、使用寿命长等特点。广泛应用在桥梁、堤坝的安全监测,油库、仓库、高层建筑、矿井和隧道的火灾防护、电力等多个领域。
2.2 光纤光栅应变传感器工作原理
应用光纤光栅进行应变测量,主要通过获得在盈利作用下,光栅反射的中心波长的漂移而间接的得到。大量实验表明,在恒温条件下,光纤光栅均匀轴向应变引起波长移位的纵向应变灵敏度公式:
(1)
其中: (2)
为有效弹光常数;而:
(3)
为光纤光栅相对波长移位应变灵敏度系数。利用纯熔融石英的参数,p11=0.121,p12=0.270,υ=0.17,neff=1.456,可得光纤光栅相对波长移位应变灵敏度系数sε=0.784。如果取波长λ为1541.254则光纤光栅弹光效应单位纵向应变引起的波长移位为1.208pm/με.由(2)式知光栅的应变与波长的变化之间的关系式为: (4)
即通过光栅中心波长的变化,由(4)式求得结构的应变值。
2.3 系统结构组成介绍
高压开关触指压力在线监测系统主要有光纤光栅应变传感器,触指压力光纤解调和无线传输模块,触指压力监控装置构成。
2.3.1 光纤光栅应变传感器
当隔离开关动静触头接触时,光纤光栅应变传感器可以实时采集到应变量值,并通过光纤将数据传到光纤解调和无线传输部分。光纤光栅应变传感器现场安装时,用胶接方式将传感器固定在结构物表面,安装十分简单。同时此传感器精度高,稳定性好,在恶劣环境下性能优越,抗机械疲劳,能消除电回声探测和电火花危险,不受电磁干扰。
2.3.2 触指压力光纤解调和无线传输端
隔离开关触指压力是由隔离开关进行合闸操作后隔离开关动、静触头相挤压所产生的线接触压力。触指压力光纤解调器将光纤光栅应变传感器发来的数据进行分析处理,并将处理后的数据以无线ZigBee的方式传到触指压力监控装置端显示。光纤解调采用低功耗嵌入式处理器设计,性能稳定可靠,同步采样速率可在0~5HZ范围内设定。无线传输模块采用ARM核心处理器,双路ZigBee芯片,AC/DC模块,模具外壳加工时充分探讨磁铁的安装位置和电源出线方式,实现实时传输。
2.3.3 触指压力监控装置
一体化工业平板电脑,USB口转ZigBee通讯接口模块,USB口转GPRS通讯接口模块,通讯收发处理程序软件,一次主接线图和压力数值显示界面,故障处理专家系统软件。
2.4 主要技术指标介绍
(1)光纤光栅应变传感器技术指标表1所示。
表1 光纤光栅应变传感器技术指标
项目
参数值
量程(με)
300
精度(με)
0.5%F.S.
分辨率(με)
0.1%F.S.
光栅中心波长(nm)
1528~1563
反射率
≥80%
工作温度范围(℃)
-30~85
尺寸(mm)
25×6×1
尾纤
耐腐蚀PU披覆铠装,两端各1.5m,可定制
(2)触指压力光纤解调和无线传输端主要技术指标表2所示。
表2 触指压力光纤解调和无线传输端主要技术指标
项目
参数值
光通道数
1/4/8/16/24
每通道最大测点数
50,推荐测点数:25
同步采样频率
5HZ
波长测量范围
1525nm~1565nm (1510nm~1590nm可定制)
波长分辨率
0.1pm
波长精度
±1pm
应变测量精度
±2με
应变分辨率
0.1με(典型值)
无线传输距离
≥100m(无阻挡)
(3)触指压力监控装置主要技术指标表3所示。
表3 触指压力监控装置主要技术指标
项目
参数
外形尺寸
10.2寸
前面板尺寸
285mm*163mm
触摸屏
4线高精度电阻式,硬度>3H,单点100万次
内存
64MB SDRAM
功耗
12V,170~400mA
通信串口
2路RS232,1路RS485
电源管理
9V―28V外接电源
对比度
400:1
扩展选配功能
WIFI、GPS、GPRS、蓝牙、Watchdog
3 结语
隔离开关是电力系统中应用范围最广泛的高压开关设备。户外隔离开关容易受到环境气候条件影响。尤其是接触部分容易受雨水、灰尘及有害气体的侵袭产生接触不良而导致发热,弹簧会因发热而退化使压力降低,这样导致触点发热形成恶性循环最终烧坏而酿成事故。而人员在检修时往往对那些压力降低的弹簧无法判断与更换,这样在再次运行中,每个触指电流的分布会因压力不同而不同,差别越大电流分布越不均匀,长期运行后就会发生接触不良而过热。触指的发热会恶性循环,一个触指接触不好就会蔓延整个触头接触不良。光纤光栅应变传感器可以实时监测高压隔离开关触指压力,而且采集的应变数据灵敏度高,精度高。光纤光栅应变传感器采用表面粘贴工艺,经过多方的实验验证,光纤光栅应变传感器的测量结果是真实有效的。因此隔离开关触指压力在线监测系统在一定程度上降低了事故跳闸率,提高了电网运行效率,保障了电力系统的安全运行。
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关键词:云计算;广播电视;监测系统;应用
1云计算技术概述和应用意义
1.1功能
由大量计算机组成大型的资源池,按照需要对计算任务进行分配,同时利用各种应用系统对数据进行计算、存储,并提供相应的软件服务,用户通过此技术可获得大量的计算机资源,可建立自我管理的计算资源平台,并可按需要定制软件架构,且具有易扩展性。此技术主要为用户提供便捷、安全、高效的数据计算、处理、在线存储等服务,并具有无可替代的应用优势[1]。
1.2特征
通过平台、其他设施、软件、效用计算以及虚拟化等概念的结合及不断地演进和升级,最终云计算技术得以实现,其具备的基本特征有分布式、虚拟性、通用性、高可靠性以及高扩展性。通过对各种存储资源的充分整合和利用,对不同应用、运行予以支持,并对服务的可靠性予以保障,使用户的扩展需求得到充分满足。
1.3意义
在广电原有的监测系统中,当新业务增加时,需要有针对性地对原有的监控系统进行升级或更新,不仅需要投入大量资金,同时也会造成资源浪费,系统稳定性受到影响,系统作用无法充分发挥。应用云计算技术,能够有效解决上述问题,实现系统升级或设备更新,降低相关人力资源投入等成本,对监测系统功能进行拓展和丰富,实现管理的统一化技术支持,也为用户带来更多样化的服务,使监测系统所服务的对象范围得到拓宽,提高潜在用户的有效覆盖率。通过应用大数据技术、虚拟化技术等相关关键技术,使原有模式得到彻底改变,使各个系统得到有效整合,构建统一的平台。对整合的硬件资源进行有效利用或压缩,实现资源共享和独立使用。通过应用大数据技术,得到监测挖掘数据、数据交叉分析等技术支持,提高工作效率。利用现有的互联网监管技术,对原有资源进行重新合理分配,与传统技术相比,不再需要利用物理迁移的方式实现,通过统一平台就能简单快捷地完成。同时,利用管理模块,分配时间缩短,迁移工作量得以有效减少。广电监测系统中,通过监听和监看系统可以获取海量的数据信息,通过应用云技术,使数据全面分析得以实现,对数据进行整合、挖掘、分析,对有效数据进行分享利用,并作为作出决策的重要依据和基础,使广电监测系统模式得到全面更新和完善。
2云计算关键技术
2.1数据预处理
针对为非结构化和结构化数据采用数据预处理技术,对其进行数据的抽取和清洗。结构化数据可以实现同质化,使数据集成后分析速度得以有效保证。在进行数据抽收和分析时,因部分数据与分析目标之间缺乏相关性,需要将不相关的数据清除,使系统的分析效率和质量得到提高。目前,广泛应用的处理软件主要有Powercenter和Datastage,通过针对性地收集数据,并按数据复杂程度进行次序排列,使数据分析处理效率得到有效提高。
2.2数据存储、管理
对海量数据进行分析和储存,同时通过有效的数据管理使数据处理效率得到有效保证。数据处理的整个过程包括收集、存储、处理等,可对其进行有组织的管理,通过与相应数据库的连接,能够实现数据信息及时分析、更新和修改。另外,对数据还能进行运行保护,避免出现偏差,使传统的管理系统和人工处理方式得到有效改善,使工作效率和数据安全性得到有效提高[2]。
2.3数据智能分析和共享
通过云计算技术能够针对海量数据进行自动信息识别,根据关键词在线搜索,极短时间内能够对数据进行挖掘并进行智能分析,使信息查找效率有效提高。另外,以往的广电监测系统中,普遍存在着信息闭塞的情况,由于缺乏有效沟涌,工作效率受到不利影响。通过应用云技术,信息共享得以实现,监测效率得到提高,同时连接服务器,对监测系统中的数据信息进行及时备份,使信息利用率提高,使数据安全性提高。
3广电监测系统中存在的问题及解决途径
3.1现状分析
在目前的监测系统中,主要采用监管互联网系统、监管的WAP系统、监管广告系统以及安全系统、调度指挥系统、监听及监看系统等,其中普遍存在着业务繁杂、数据较多、系统缺乏备份、资源分配不匀、业务升级困难等情况。系统不同,设备处理的模式和方法不同,加之繁杂的接口和流程,造成数据容易出现偏差;产生故障时,维修需要较长时间;一些轻量级的设备存在闲置时间较长的情况,造成资源浪费以及重复性投资的问题出现;硬件升级对操作系统和数据库环境都带来影响,新平台的业务移植和系统升级的不稳定因素增加,同时软件版本和硬件配置之间较难达到统一协调,对硬件升级性能以及后期系统运行造成了一定阻碍。
3.2解决对策
通过云计算技术的应用,将存储和服务资源池相连接,并根据业务需求对资源进行合理、按需分配,使调整灵活性得以实现和提高,同时使资源利用率提高,管理难度得到有效降低[3]。通过云平台对各支撑系统进行统一管理,使接合的统合得到实现,使信息系统管理过程以及运营中的处理复杂度降低;利用虚拟技术,使物理主机共同统一应用以及资源最大化利用的目的得以实现;业务相关逻辑和主机之间通过云计算技术的应用得以分离,当某台主机出现故障时,其中的业务相关逻辑会自动向其他运行状态良好的主机转移,在云平台中接入新主机,通过系统备份使其可用度得到有效提高。
4云计算技术在广电监测系统中的应用
4.1虚拟化技术
在云计算技术的基础上,拓展延伸形成了现代的虚拟化技术,其在监测系统中的应用,使内部信息资源的高度整合得以实现。数据中心资源通过此技术的整合,使数据计算和存储的整合型平台得以构建,使资源利用率提高,资源管理、维护的服务过程以及资源简单化得以实现,系统运行的复杂性、运行风险得到有效控制和减少;通过将资源整合转化为服务,有效降低运营成本;缩短线上服务时间,使大型基础设备的有效管理工作得到保证。虚拟化技术应实现服务器虚拟化、动态资源分配等,通过存储共享,使数据备份得以实现,对故障进行自动检测,数据自动恢复,使资源泉的安全性得到有效保障[4]。
4.2云存储技术
此技术在应用过程中,能够将业务系统的数据进行分散分布,在多个独立的设备中进行存储。与集中式存储方式不同的是,此技术通过运用网络技术,利用磁盘空间将分散存储资源进行统一链接,使虚拟磁盘得以构建形成。在广电监测系统中,主要采用资源云和视频云的存储形式。
4.3云计算技术
云计算在广电监测系统中主要具有对播出内容进行监控分析的功能,通过应用云计算技术能将内容中冗余的部分删除,对流程进行分析优化。在电视节目播放过程中,应用云计算技术的监测系统可对相关节目进行分析,与数据库中储存信息相结合,对播放内容进行定位;系统还能够实现播放广告时实时对观看数据以及收视率的信息进行采集,作为评估广告效果的重要依据。
4.4大数据技术
传统的技术模式对于广电监测系统的发展需求已无法满足,需要通过云计算技术对监测系统中大数据处理提供有效的解决方案[5]。大数据技术具有可靠性高、性能高、结构多样、变动性强、数据容量大等特征和优势,数据复制可以通过多种方式实现,并分布在整个集群系统中;通过应用大数据技术,可进一步优化和改进系统服务器的性能,也极大地丰富了监测系统所采取的数据形式,其中包括图片、视频、文本、音频等,使信息的多元化展示得以实现,充分发挥了数据存储的价值和作用。另外,当存储过程中设备出现故障时,能够实现数据的自动复制、故障检测以及数据自动恢复等,无须人工操作,同时对其他数据的正常访问不产生影响。
一、紧密结合省局中心工作,充分利用业务专网平台,有效推进行政权力网上公开透明运行信息系统、广告监测系统等重点业务系统建设
坚持贯彻信息化建设“统筹规划、资源共享、应用主导、安全可靠、务求实效”的发展方针,紧紧围绕省局中心工作,以需求为导向,以应用促发展,加快推进信息化基础设施建设和综合业务系统协同应用。
1、认真研究省政府关于行政权力网上公开透明运行系统建设要求,结合本部门实际,完成全省食品药品监管系统行政权力网上公开透明运行系统建设方案规划、资金立项和软件系统开发、监理招投标工作
根据省政府关于行政权力网上公开透明运行信息系统建设要求,积极研究、部署省局相关工作,派员参加了全省行政权力网上公开透明运行信息系统建设培训班,广泛调研,精心谋划,按照省有关部门的建设规范、数据标准和时间进度要求,研究制定全省食品药品监管系统行政权力网上运行系统建设实施方案和技术框架方案,联合监察室、政策法规处落实分解任务,共同推动系统建设。XX年,配合省政府采购中心完成了软件开发项目招标工作;在办公室的大力支持下,中标单位江苏国盾科技有限公司开发人员已进驻现场,抓紧开展系统开发相关工作。为有效控制项目质量和进度,根据国家电子政务建设项目管理规定,报经局领导同意,在该项目建设过程中推行第三方监理制度,已完成监理招标方案制定和监理招标工作。
2、全力配合市场处,做好国家局指定项目“广告监播系统”建设调研,招标方案制定和招标、实施等工作
根据国家局要求,配合市场处认真开展“广告监播系统”建设方案调研,结合我省广告监测工作管理需要,以监测资源共享为目标,以全省业务专网平台为载体,细化、优化“广告监播系统”建设方案,精心组织招标工作,协调推进系统建设。通过与市场处的共同努力,在省政府采购中心已完成项目招标并落实了供应商,南京、南通、苏州、无锡等8个市已完成监测系统设备安装集成和软件联调;在南京对全省13个市局市场处使用人员和系统维护人员50多人开展了专题培训,为更好地开展药品违法广告监测工作,尤其是规范药品市场秩序、保护人民群众的用药安全有效奠定了良好基础。
3、做好医疗器械生产许可审批系统试用和完善工作
继续协调国盾公司做好医疗器械生产许可审批系统试用和完善工作,组织器械处、受理中心、认证中心开展了一次培训工作。
4、协调业务处室认真做好全省药品电子监管专项检查汇总工作,并及时报送国家局。
根据国家局《关于开展药品电子监管工作专项检查的通知》精神,我们统一思想,提高认识,严格按照国家局要求协助市场处、安监处对全省血液制品、疫苗、中药注射剂及第二类精神药品电子监管实施专项检查。督促各市局及时与相关企业沟通,加大了对辖区内相关药品生产、经营企业的入网、赋码、核注、核销等工作的督促检查力度。同时对未按要求操作的企业,及时给予必要的指导和帮助,督促其按要求做好实施电子监管的相关工作。
5、协助省局各处室积极推进应用系统建设和维护,提升监管效率。
关键词关键词:iOS;iPhone;BLE;气象监测
DOIDOI:10.11907/rjdk.161944
中图分类号:TP319
文献标识码:A 文章编号文章编号:16727800(2016)011010303
0 引言
越来越多的手机及可穿戴设备使用蓝牙4.0技术。该技术优点:①低功耗:在静态状态,一节钮扣电池可支持数年之久;②低成本:蓝牙技术逐步成为智能手机标配;③开放性:以2.4GHz频段全球开放。蓝牙4.0技术使可穿戴设备炙手可热,小米手环、苹果公司的iBeacon等产品受到大众欢迎,加速了物联网革命的发展进程[1]。
1 BLE协议架构
气象数据监测系统采集模块使用Nordic自主研发的nRF51822蓝牙低功耗2.4GHz片上系统。nRF51822采用优化的32位ARM Cortex-M0处理器,使BLE模式达到-92.5dBm 敏感度,最高达+4dBm的输出功率,支持256KB片上闪存和16KB RAM,成为行业领先者。
蓝牙低功耗(BLE)协议栈分为应用程序、主机和控制器3个部分,如图1所示[2]。应用程序负责与实际用例相关的逻辑、用户界面和数据处理,实现产品特定功能;主机包含GAP、GATT、SMP、ATT、L2CAP以及HCI层,可管理两个或多个BLE设备相互间的通信;控制器主要用于收发编码过的无线信号,并通过解码这些信号获取内部信息包[3]。
(1)物理层(PHY)。包含模拟通信电路,负责调制解调,将模拟信号转换成数字信号[4]。
(2)链路层(LL)。负责管理设备协议栈状态,此层定义4个角色:①广告者(Advertiser):发送广告包的设备;②扫描仪(Scanner):扫描广告包设备;③主人(Master):启动连接并对连接进行管理的设备;④奴隶(Slave):接受连接请求并与控制者时间同步[5]。
(3)主机控制接口(HCI)是一个标准协议。允许主机和控制器在串行接口进行通信[6]。
(4)逻辑链路控制和自适应协议(L2CAP)。是一个协议多路复用器,负责将上层的多个协议封装成标准的BLE数据包格式,它支持分段和重组。
(5)安全管理协议(SMP)。既是一个协议也是一系列安全算法,负责为蓝牙协议栈提供生成和交换安全密钥能力,让各节点通过加密链接安全交流,信任远程设备身份[7]。
(6)属性协议(ATT)。是一个简单的客户端/服务器无状态协议,在BLE中,每个设备是一个客户端或一个服务器,或者两者兼有。
(7)通用访问配置(GAP)。允许BLE设备相互操作。它提供一个框架,任何BLE实现必须允许设备发现彼此、广播数据、建立安全连接以及执行其它基本操作标准。
(8)通用属性协议(GATT)。它是基于属性协议(ATT),添加了一个层结构和数据抽象模型,定义数据如何在应用程序之间组织和交换 [8]。
2 蓝牙无线通信原理
对BLE网络中的角色、蓝牙通信过程中广告包类型及通信模式介绍如下。
2.1 BLE网络中的角色
通用访问配置(GAP)定义了BLE网络中4个角色,每个特定设备可同时扮演一个或多个角色。
(1)广播角色(Broadcaster):定期发送广告包数据,不建立连接,使用链路层(LL)广告角色。
(2)观察角色(Observer):优化了广播设备收集数据的应用程序,观察者角色侦听从广播端嵌入在广告包中的数据,使用链路层(LL)扫描仪角色。
(3)中心角色(Central):相当于链路层(LL)主人角色,能够建立多个连接设备,是连接的发起者。中心角色通常由智能手机或平板电脑扮演。
(4)角色(Peripheral):相当于链路层(LL)奴隶角色,这个角色通过广告包使中心角色找到它,随后建立连接[9]。
2.2 广告包分类
蓝牙通讯广告包分3种类型:①是否可连接。扫描仪在接收广告包时是否可开启连接,如果不能,则这个包只用来广播;②是否可扫描。在收到广告包时扫描仪是否可发起扫描请求;③是否定向。定向的广告包只包含广告者和目标扫描仪的蓝牙地址,不允许负载用户数据,所有的定向广告包都可连接,不定向广告包不针对任何特定扫描仪,可包含用户数据[10] 。
3 系统搭建
软件整体设计基于MVC(Model-View-Controller),即模型-视图-控制器,简称MVC。模型提供应用程序所需数据资源。视图是用户可以看到并与之交互的界面。控制器响应视图传递的用户事件,调用模型和视图资源满足用户需求。MVC模式分工明确,降低了模块之间的耦合性,是一种非常流行的设计模式[11]。
3.1 系统框架设计
系统通过蓝牙4.0传输协议接收气象数据采集模块发送的数据,在iPhone上进行气象数据处理分析及显示,系统框架如图2所示。
3.2 模型处理
本系统主要对温度、湿度、气压数据进行实时监测,并绘制相应的变化趋势图,提供气象预测功能。通常,气压随时间增加预示晴天,气压不断减小则更接近阴天或下雨,模型如表1所示。采用滑动均值滤波算法,采样间隔为30分钟。
3.3 数据库设计
数据库采用苹果自带的Core Data框架,它提供了对象-关系映射(ORM)功能,能够将OC对象转化成数据,保存在SQLite数据库文件中,也能够将数据还原成OC对象。本方案创建了两个实体对象:WeatherFob(气象设备对象)和WeatherReading(数据对象),是一对多关系,如图3所示。
3.4 蓝牙模块设计
BLE气象设备信号采集与处理采用CoreBluetooth框架,与第三方蓝牙4.0设备交互。为了减少数据传输开销,方案采用不可连接的蓝牙通信模式,将用户数据封装在广告包中进行广播,过程如图4所示。本方案创建了一个ConnectionManager对象,继承自NSObject类,遵守CBCentralManagerDelegate协议,实现协议中两个方法:
4 系统测试
方案将原始广告包打印在Xcode中的控制台,如图5所示,设备名称是WS,其中气象设备发送的数据包含在KCBAdvDataManufactureData对应关键字中,KCBAdvDataIsConnectable = 0代表该气象设备不可连接。系统将原始数据进行拆分解析显示在iPhone手机上,如图6所示。
5 结语
本方案充分利用了iOS设备强大的计算能力、灵活的
可编程性、足够的存储空间、网络连接功能、便携性等特点,使用蓝牙4.0技术很好地解决了设备能耗问题,使本方案成本更低、速度更快、距离更远,在花费较少的情况下,实现了便携气象监测系统功能。
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