一种基于蓝牙传输的无线智能采集同步方法及系统与流程

1.本发明涉及蓝牙通信领域，特别是涉及一种基于蓝牙传输的无线智能采集同步方法及系统。


背景技术：

2.随着物联网技术的快速发展，各种数据的实时采集和分析广泛应用于现代工业控制领域，这也为工业自动化贡献了越来越多的积极作用。在工业自动化中，运动件的故障率直接关系着整个自动化系统的可靠性；而为了实时监测运动件的故障率，需要对工业设备各种参数进行实时采集；由于工业环境的多样化，所以需要实时采集设备具有智能化、方便化、快捷化、远距离实时传输变动等特点。
3.目前常见的实时采集方式是采用蓝牙技术，蓝牙是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换(使用2.4—2.485ghz的ism波段的uhf无线电波)；蓝牙具有低功耗，高速度，覆盖范围大，稳定性好等优势，并且蓝牙可连接多个设备，能够实现数据同步。
4.为了保证数据采集的同步性，现有技术中一般采用定时中断的方式来读取数据，然而这种方式不一定能确保不同设备间数据的同步性；同时所采集以及传输的数据量都非常大，十分影响设备的智能采集过程中的实时性和有效性。


技术实现要素：

5.有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于蓝牙传输的无线智能采集同步方法及系统，保证不同运动件数据的同步性，并保证采集数据的实时性和有效性。
6.在本发明的第一方面，本发明提供了一种基于蓝牙传输的无线智能采集同步方法，所述方法包括：
7.温度传感器和噪声传感器通过ad接口与蓝牙芯片连接，三轴磁场传感器和三轴加速度传感器通过spi接口与蓝牙芯片连接；
8.所述蓝牙芯片周期性通过定时器的中断信号周期性的启动所有传感器；
9.响应于所述定时器中断信号，蓝牙芯片启动spi接口的dma，并通过对应的dma通道采集三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据；蓝牙芯片启动ad转换，并通过对应的ad接口采集温度数据和噪声数据；
10.将采集到的三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据采用快速傅里叶变换，得到三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据的频率信息；
11.遍历三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据的频率信息，将中心频率所确定出的初始相位点对齐并将其作为温度数据和噪声数据的起点对四种传感器数据同步；得到该传感器数据对应的中心频率、频率周期和相位信息；
12.基于所述中心频率、频率周期和相位信息，对数据进行分帧处理，将分帧处理后的
传感器数据进行压缩处理，并将压缩处理后的传感器数据通过蓝牙传输至网关。
13.在本发明的第二方面，本发明还提供了一种基于蓝牙传输的无线智能采集同步系统，所述系统包括数据采集模块、数据同步模块、数据分帧模块、数据压缩模块以及数据传输模块；
14.所述数据采集模块通过ad接口与温度传感器和噪声传感器连接，通过spi接口与三轴磁场传感器和三轴加速度传感器连接；
15.所述数据同步模块响应于周期性的定时器中断信号，启动spi接口的dma通道，并通过对应的dma通道采集三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据；启动ad转换，并通过对应的ad接口采集温度数据和噪声数据；将采集到的三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据采用快速傅里叶变换，得到各个传感器数据的频率信息；遍历各个传感器数据的频率信息，将中心频率对应的相位点对齐，并得到该传感器数据对应的中心频率、频率周期和相位信息；
16.所述数据分帧模块基于所述中心频率、频率周期和相位信息，对数据进行分帧处理；
17.所述数据压缩模块将分帧处理后的传感器数据进行压缩处理；
18.所述数据传输模块将压缩处理后的传感器数据通过蓝牙传输至网关。
19.本发明的有益效果是：
20.本发明通过多种传感器来采集运动件在工作时的各种参数，能够帮助用户快速获得对工业使用环境中的各种运动设备进行状态监控，包括设备状态，运作参数，启动时间等信息，通过蓝牙传输的无线通信方式，将传感器采集到的设备信息发送到工厂的数据中心，工厂设备操作人员可以通过监控界面方便的获取设备的各种信息，从而为设备的保养，维修提供辅助意见。同时，本发明还对数据进行了同步处理，能够保证数据尤其是运动数据的准确性，通过数据分帧和数据压缩处理能够在某种程度上增强数据传输速率和减少数据传输量，从而保证设备的智能采集过程中的实时性和有效性。
附图说明
21.图1是本发明一个实施例中的基于蓝牙传输的无线智能采集同步方法流程图；
22.图2是本发明实施例中定时器中断信号触发示意图；
23.图3是本发明实施例中数据同步对齐流程图；
24.图4是本发明优选实施例中数据同步对齐流程图；
25.图5是本发明实施例中的一种数据分帧流程图；
26.图6是本发明实施例中的一种数据压缩流程图；
27.图7是本发明实施例中一种基于蓝牙传输的无线智能采集同步系统架构图；
28.图8是本发明优选实施例中一种基于蓝牙传输的无线智能采集同步系统架构图。
具体实施方式
29.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，需注意的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必
须具有特定的方位、以特定的方式构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
30.如图1所示，图1是本发明一个实施例中的基于蓝牙传输的无线智能采集同步方法流程图，所述蓝牙数据传输方法包括：
31.101、温度传感器和噪声传感器通过ad接口与蓝牙芯片连接，三轴磁场传感器和三轴加速度传感器通过spi接口与蓝牙芯片连接；
32.在本实施例中，为了保证数据采集的同步性，本发明在蓝牙芯片的ad接口上连接温度传感器和噪声传感器，在蓝牙芯片的spi接口上连接三轴磁场传感器和三轴加速度传感器；
33.在一些实施例中，蓝牙芯片可以通过spi接口以最大10mhz/s的速度读取三轴加速度传感器的数据和三轴磁场传感器的数据，通过ad口来采集温度数据和噪声数据。
34.在一些实施例中，所述三轴加速度传感器中加速度的有效使用范围可以设置为
‑
200g～200g。
35.优选的，本发明还可以在三轴加速度传感器的外围电路中加入了滤波电路。该传感器支持超低功耗模式以及数字spi输出。
36.在一些实施例中，所述三轴磁场传感器的磁场动态范围可以为50高斯。该三轴磁场传感器支持超低功耗模式以及数字spi输出。
37.在一些实施例中，所述噪声传感器的灵敏度可调节，其频段可以为50hz～20khz，模拟信号输出，通过mcu的ad接口进行采集后换算成噪声的强度。
38.在一些实施例中，所述温度传感器的可测温度范围可以是
‑
25℃～140℃。
39.在一些实施例中，所述蓝牙芯片包括复位电路、晶振电路、蓝牙天线电路以及与各个传感器连接的io接口。
40.102、所述蓝牙芯片通过定时器的中断信号周期性的启动所有传感器；
41.在本实施例中，本发明通过dma技术同步采集三轴加速度传感器和三轴磁场传感器的数据，为了保证数据采集的同步同时，本发明都是基于定时中断来读取数据；其中dma技术是指直接依靠硬件在主存和i/o设备之间进行直接数据传送，而传送期间不需要蓝牙芯片的cpu或者mcu干预；鉴于三轴磁场传感器和三轴加速度传感器的相关性较强，而dma本身可以同时控制一台或多台同类设备，因此采用dma技术来实现三轴加速度传感器和三轴磁场传感器的数据同步。
42.103、响应于所述定时器中断信号，蓝牙芯片启动spi接口的dma，并通过对应的dma通道采集三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据；蓝牙芯片启动ad转换，并通过对应的ad接口采集温度数据和噪声数据；
43.通过定时器中断信号，同时打开两个dma的通道，以实现两个传感器采集数据的同步。与此同时，也启动了ad转换中断，采集温度和噪声数据。这里需要特别说明的是，通过定时器中断来同步所有数据的采集过程，因此所有可认为采集的数据在时间上是完全同步的。
44.图2是本发明实施例中定时器中断信号触发示意图，如图2所示，当输入传感器数据时，定时器中断信号触发蓝牙芯片中对应spi模块，启动dma三轴加速度传感器数据采集和三轴磁场传感器数据采集；同时还启动ad中断噪声数据采集和终端温度采集。
45.在本实施例中，为了优化同步过程，本发明还将所述定时器通过时钟源误差比例进行校准，即记录前一时刻中当前定时器计数值和前一时刻真实值之间的比例，将该比例乘以当前定时器计数值得到校正后的当前真实计数值。
46.104、将采集到的三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据采用快速傅里叶变换，得到三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据的频率信息；
47.105、遍历三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据的频率信息，将中心频率所确定出的初始相位点对齐并将其作为温度数据和噪声数据的起点对四种传感器数据同步；得到该传感器数据对应的中心频率、频率周期和相位信息；
48.图3是本发明实施例中数据同步对齐流程图，如图3所述，所述同步对齐流程包括：
49.301、将采集到的三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据采用n点快速傅里叶变换(fast fourier transform,简称fft)；
50.302、计算得到三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据的频率信息，并将各个频率信息进行排序确定出对应的中心频率；
51.303、按照中心频率计算出频率周期，对频率周期内的数据排序；
52.304、计算出初始相位为0的位置，按照初始相位为0的位置对传感器数据进行对齐；
53.具体的，考虑到四种传感器数据都是在运动件运动时所产生的信号，因此这四种传感器数据的频率在理论上是一致的，而三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据是最能反映运动件的运动情况，而温度数据和噪声数据只作为辅助数据，在短时间内，温度数据和噪声数据的变化不大，因此其通过快速傅里叶变换后的结果也不一定准确，除此以外，考虑到快速傅里叶变换会占用大量的计算资源，所以本发明仅仅只对三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据采用了快速傅里叶变换，对三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据的频率信息处理后，得到中心频率，利用这个中心频率计算出频率周期，对频率周期中的所有频率信号进行排序，找到其中的初始相位，将初始相位对齐后，将该初始相位对应的时间点作为温度数据和噪声数据的起点，从而对这四种传感器数据完成时间同步。
54.在一些优选实施例中，图4是本发明优选实施例中数据同步对齐流程图，如图4所述，所述同步对齐流程还可以包括：
55.311、确定出中心频率的同时确定出峰值点频率；
56.312、遍历各个传感器数据中的峰值点，并且从这些峰值点中选择出每个传感器数据中的最大峰值点；
57.313、按照每个传感器的最大峰值点对不同传感器的相位点对齐，从而获得同步对齐后的传感器数据。
58.106、基于所述中心频率、频率周期和相位信息，对数据进行分帧处理，将分帧处理后的传感器数据进行压缩处理，并将压缩处理后的传感器数据通过蓝牙传输至网关。
59.图5是本发明实施例中的一种数据分帧方法流程图，如图5所示，所述数据分帧可以包括：
60.601、获取时间轴上同步的传感器数据；
61.602、对同步后的三轴磁场传感器数据中的x轴数据、三轴加速度传感器数据中的y轴数据分别进行快速傅里叶变换。
62.其中，本发明中选择三轴磁场传感器的x轴数据和三轴加速度传感器的y轴原因是：
63.1.这两个方向上的数据体现了数据的变化的主要方向；
64.2.减少计算量，提升效率,快速傅里叶变换对本系统来讲也算是不小的开销。
65.在一些实施例中，为了追求数据信号的全面性和准确性，本发明也可以对所有轴的传感器数据进行快速傅里叶变换。
66.603、将快速傅里叶变换变换后的传感器数据分帧，并将初始相位相同的数据分帧划分到同一个数据帧中。
67.图6是本发明实施例中的一种数据压缩方法流程图，如图6所示，所述数据压缩可以包括：
68.611、获取一个或多个分帧处理后的数据帧；
69.612、从所述数据帧中提取出第一个数据，将所述第一个数据作为压缩数据索引标签，建立出压缩数据长度标签；并确定所述第一个数据为比较数据标准；
70.613、继续从所述数据帧中提取下一个数据，计算提取出的下一个数据与比较数据标准之间的差值；
71.614、根据差值绝对值与预设阈值的大小关系，将对应处理后的差值符号，差值缩小倍数和差值绝对值组成该下一个数据的压缩数据，更新压缩数据长度标签，并根据差值更新比较数据标准；
72.615、反复执行提取和更新操作，直至数据帧的所有数据完成压缩，将压缩后的数据传输至网关。
73.在本发明实施例中，通过差值绝对值跟预设阈值的关系来完成蓝牙数据的核心压缩过程，具体包括：
74.若差值绝对值小于第一阈值，则将差值符号，差值缩小倍数和差值绝对值组成该下一个数据的压缩数据，更新压缩数据长度标签，并根据差值更新比较数据标准；
75.此时的差值符号根据差值的正负情况来判断，差值缩小倍数为1，即没有对差值缩小，差值绝对值即为差值所对应的绝对值，例如假设差值为
‑
2333，那么其差值符号为
‑
，差值缩小倍数为1，差值绝对值为2333。
76.若差值绝对值大于或等于第一阈值且小于第二阈值，则将差值缩小，将缩小后的差值符号、差值缩小倍数和差值绝对值组成该下一个数据的压缩数据，更新压缩数据长度标签，并根据差值更新比较数据标准。
77.此时的差值符号仍然根据差值的正负情况来判断，假设差值缩小倍数为10，即对原差值缩小10倍，差值绝对值即为差值缩小10倍并整形化后所对应的绝对值，例如假设原差值为
‑
23333，那么其差值符号为
‑
，差值缩小倍数为10，对缩小后的差值整形化，最终确定的差值绝对值为2333。
78.所述预设阈值包括上述的第一阈值和第二阈值，所述第一阈值和所述第二阈值可以通过如下方式计算而得：
79.第一阈值n1的计算公式表示为n1＝2
4x
‑2‑
1；
80.第二阈值n2的计算公式表示为n2＝k
×
n1＝k
×
(2
4x
‑2‑
1)；
81.其中，x表示为数据帧中每一个原始数据占用的字节数，即8x表示原始数据占用的
位数，x/2表示为数据帧中每一个原始数据占用的字节数，即4x表示压缩数据占用的位数；k表示差值缩小倍数。
82.其中，k＝1,2,3,4,
…
,10,k的具体大小可以由收发双方进行约定，例如压缩方设置为k＝3，压缩方可以单独通知解压方k＝3，解压方知道该k＝3时,可以通过k＝3来解压数据。
83.可以理解的是，这里压缩数据占用的位数是针对除第一个数据以外的压缩数据占用的位数,第一个数据由于没有其他参照标准，所以第一个数据并没有被压缩，因此第一个数据仍然占用x个字节。
84.其中，压缩数据的格式表示为符号、倍数和数据差，也就是分别代表差值符号，差值缩小倍数和差值绝对值；所述压缩数据中，差值对应的符号占用1位，表示差值对应的符号为正号或者负号；差值缩小倍数占用第1位，表示差值缩小倍数为1倍或者k倍；差值绝对值占用剩余的4x
‑
2位；x表示为数据帧中每一个原始数据占用的字节数，即8x表示原始数据占用的位数。
85.举个例子，假设原始数据占用4个字节，而压缩后的数据占用2个字节，即压缩后的数据总共有8
×
2＝16位；那么符号可以占用第1位，1可以表示正号，0可以表示符号；倍数可以占用第2位，1可以表示倍数为1,0可以表示倍数为k；剩余的14位就由数据差值占有，因此该数据差值必须的大小必须小于或等于2
14
‑
1＝16383(16进制表示为0x3fff，二进制表示为11111111111111)。
86.可以理解的是，符号、倍数和数据差中，符号可以占用第1位也可以占用第2位，倍数可以占用第1位也可以占用第2位；数据差值一般是占用剩余的位数；对于数值为1或者0所代表的含义，本领域技术人员也可根据实际情况进行对应设置，本发明对此不作具体的限制。
87.举个例子，为该压缩数据分配空间，在上一次分配的基础上，地址加上2字节，将该差值保存在该地址中。这2个字节的存储空间，被分为了以下3个部分：
88.1.符号区，长度为1个bit位，只能表示0～1的数据区间；
89.2.倍数区，长度为1个bit位，只能表示0～1的数据区间；
90.3.差值区，长度为14个bit位，只能表示0～16383的数据区间，换成十六进制即0～0x3fff。
91.在保存压缩数据之前，需要结合上面步骤计算的参数，对该差值做进一步的处理。根据差值的值是否大于等于0来做进一步的划分，如果该差值大于等于0，则该2个字节的最高位为0，即bit15等于0。如果该差值小于0，则该2个字节的最高位为1，即bit15等于1。根据上面获取的倍数参数，如果倍数参数为1，则该2个字节的第14位为0，即bit15等于0。如果倍数参数为10，则该2个字节的第14位为1，即bit15等于1。该2个字节的第0～13位，即bit13～bit0则保存上面计算的差值。至此，新的差值即该压缩数据中所有的bit位都处理完成。
92.在上述实施例中，还需要更新压缩数据长度标签，并根据差值更新比较数据标准，因此，首先需要对压缩数据长度标签加1，即表示增加了一个压缩数据；然后将差值补偿到比较数据标准中。
93.举个例子，在一些实施例中，假设差值绝对值小于16383，原比较数据标准为12383，差值为
‑
11383，那么更新后的比较标准数据表示为1000。
94.在一些实施例中，假设差值绝对值大于或等于16383且小于163830，原比较标准数据为12383，差值为163814；那么在前面的存储过程中，需要对差值缩小，其商即缩小后的差值为16381.4，此时需要对该缩小后的差值整形化，因此缩小后的差值可以表示为16381；将得到整形化后的商16381作为增量，补偿到比较数据标准中，增量也是有符号的，符号与计算得到符号相同。
95.若差值绝对值大于或等于第二阈值，则以该下一个数据作为新的压缩数据索引标签，建立出新的压缩数据长度标签，并确定该下一个数据为比较数据标准，返回步骤603。
96.其中，所述网关还可以是下一级通信装置，所述下一级通信装置指的是蓝牙数据传输的下一级通信装置，可以包括但不限于存储器、处理器、路由器、手机终端、计算机、服务器、平板电脑、个人数字助理(英文：personal digital assistant，缩写：pda)、移动互联网设备(英文：mobile internet device，缩写：mid)等可以安装存储或/和处理蓝牙数据的设备，本发明对此不作任何限制。
97.图7是本发明实施例中一种基于蓝牙传输的无线智能采集同步系统架构图，如图7所示，所述基于蓝牙传输的无线智能采集同步系统700包括集成于蓝牙芯片中的数据采集模块701、数据同步模块702、数据分帧模块703、数据压缩模块704以及数据传输模块705；其中：
98.所述数据采集模块701通过ad接口与温度传感器和噪声传感器连接，通过spi接口与三轴磁场传感器和三轴加速度传感器连接；
99.所述数据同步模块702响应于周期性的定时器中断信号，启动spi接口的dma通道，并通过对应的dma通道采集三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据；启动ad转换，并通过对应的ad接口采集温度数据和噪声数据；将采集到的三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据采用快速傅里叶变换，得到三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据的频率信息；遍历三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据的频率信息，将中心频率所确定出的初始相位点对齐并将其作为温度数据和噪声数据的起点对四种传感器数据同步；得到该传感器数据对应的中心频率、频率周期和相位信息；
100.所述数据分帧模块703基于所述中心频率、频率周期和相位信息，对数据进行分帧处理；
101.所述数据压缩模块704将分帧处理后的传感器数据进行压缩处理；
102.所述数据传输模块705将压缩处理后的传感器数据通过蓝牙传输至网关。
103.图8是本发明优选实施例中一种基于蓝牙传输的无线智能采集同步系统架构图，如图8所示，所述基于蓝牙传输的无线智能采集同步系统710包括集成于蓝牙芯片中的数据采集模块711、数据同步模块712、数据分帧模块713、数据压缩模块714、通信管理模块716以及数据传输模块715；其中：
104.所述数据采集模块711通过ad接口与温度传感器和噪声传感器连接，通过spi接口与三轴磁场传感器和三轴加速度传感器连接；
105.所述数据同步模块712响应于周期性的定时器中断信号，所述数据同步模块响应于周期性的定时器中断信号，启动spi接口的dma通道，并通过对应的dma通道采集三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据；启动ad转换，并通过对应的ad接口采集温度数据和噪声数据；将采集到的三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据采用快速傅里叶变
换，得到三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据的频率信息；遍历三轴磁场传感器数据和三轴加速度传感器数据的频率信息，将中心频率所确定出的初始相位点对齐并将其作为温度数据和噪声数据的起点对四种传感器数据同步；得到该传感器数据对应的中心频率、频率周期和相位信息；
106.所述数据分帧模块713基于所述中心频率、频率周期和相位信息，对数据进行分帧处理；
107.所述数据压缩模块714将分帧处理后的传感器数据进行压缩处理；
108.所述通信管理模块716控制数据压缩模块与数据传输模块之间的连接通信；所述通信管理模块默认进入连接模式；判断数据传输模块与网关之间是否连接成功，若数据传输模块与网关之间连接成功则启动数据采集后进入传输模式，判断连接状态是否丢失，若丢失则进入休眠模式，否则返回继续启动数据采集；若数据传输模块与网关之间连接不成功则直接进入休眠模式，在进入休眠模式后，关闭数据采集，定时唤醒进入连接模式；
109.所述数据传输模块715将压缩处理后的传感器数据通过蓝牙传输至网关。
110.可以理解的是，本发明中的一种基于蓝牙传输的无线智能采集同步方法和一种基于蓝牙传输的无线智能采集同步系统是属于同一发明构思，其对应的特征可以相互引用，本发明对此不作具体的限定。
111.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。