應(yīng)君裕,郭 鵬,沈 誠(chéng),王 宇,劉 斌,章一萍

(湖北華中電力科技開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430000)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展使得其在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用,有效克服了傳統(tǒng)采集系統(tǒng)存在的問(wèn)題。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具備了自主感知、高效實(shí)時(shí)傳輸、智能數(shù)據(jù)分析等優(yōu)點(diǎn)。但存在不足,如當(dāng)設(shè)備資源有限且功耗要求高的情況下如何實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)采集和傳輸是一個(gè)難題;數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)問(wèn)題亟待解決;如何智能化分析和利用采集數(shù)據(jù)提供更精準(zhǔn)的決策支持?；诖?在對(duì)相關(guān)技術(shù)分析基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)高效的數(shù)據(jù)采集和傳輸方案,保護(hù)數(shù)據(jù)安全和隱私,并采用人工智能技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。

1 關(guān)鍵技術(shù)概述

1.1 嵌入式系統(tǒng)

其屬于專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng),但是比普通計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要求高。其基于計(jì)算機(jī)技術(shù),可以對(duì)硬件、軟件進(jìn)行裁剪,應(yīng)用于應(yīng)用系統(tǒng),滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)功能、成本、能耗等方面的需求。由硬件、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序所構(gòu)成,其中硬件負(fù)責(zé)提供計(jì)算和控制功能,操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)資源和提供運(yùn)行環(huán)境,應(yīng)用程序根據(jù)具體需求開(kāi)發(fā)軟件,完成特殊定制的功能和任務(wù)[1]。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是借助溫度傳感器、RFID技術(shù)、激光掃描儀等信息傳感設(shè)備來(lái)檢索監(jiān)控對(duì)象及被連接對(duì)象的相關(guān)信息,并進(jìn)行信息關(guān)聯(lián),構(gòu)建一個(gè)物-物、物-人、物-網(wǎng)連通,可以識(shí)別與管控目標(biāo)的整體網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層組成。感應(yīng)層負(fù)責(zé)識(shí)別和采集信息。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上。應(yīng)用層則是基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和應(yīng)用,對(duì)物體狀態(tài)監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和控制。核心技術(shù)是射頻識(shí)別技術(shù)和傳感技術(shù),射頻識(shí)別(RFID)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的標(biāo)識(shí)和跟蹤,傳感技術(shù)對(duì)物體的參數(shù)和環(huán)境信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集[2]。

2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)搭建

2.1 硬件整體結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件平臺(tái)節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知,中央處理器是物聯(lián)網(wǎng)硬件平臺(tái)的最核心部件,選擇韓國(guó)三星公司生產(chǎn)的S3C2240R微處理器,實(shí)現(xiàn)內(nèi)存和閃存管理。S3C2240R微處理器可以與物聯(lián)網(wǎng)硬件平臺(tái)所有功能模塊建立聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)不同功能模塊的不同功能。物聯(lián)網(wǎng)硬件平臺(tái)包含無(wú)線傳輸模塊、顯示與操作模塊、GPS模塊、射頻(RFID)模塊、電源模塊等。中央處理器無(wú)線傳輸通過(guò)無(wú)線傳輸模塊中的無(wú)線網(wǎng)卡來(lái)實(shí)現(xiàn),相關(guān)信息通過(guò)顯示與操作模塊中的觸屏展示與觸屏操作來(lái)實(shí)現(xiàn)。GPS模塊、射頻(RFID)模塊、條碼模塊分布于外接模塊,與中央微處理器連接,實(shí)現(xiàn)其功能。聚合物電池與芯片均分布于電源模塊,為中央微處理器提供電源,使其能夠正常運(yùn)行[3]。

2.2 供電模塊設(shè)計(jì)

供電模塊為系統(tǒng)提供動(dòng)力,將電源轉(zhuǎn)換成各模塊所需的電壓和電流,考慮功率和電流匹配。在物聯(lián)網(wǎng)信息采集系統(tǒng)中,使用5、3.3和1.25 V直流電壓供電。采用8.4 V鋰聚合物電池通過(guò)220 V交流電源適配器充電,并通過(guò)3級(jí)電源轉(zhuǎn)換為不同電壓[4]。第1級(jí)將8.4 V轉(zhuǎn)換為5 V,使用LM2596-5.0芯片給總線和觸摸屏供電;第2級(jí)將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V,使用AS2815AR-3.3芯片給外圍電路供電;第3級(jí)將3.3 V轉(zhuǎn)換為1.25 V,使用MAX8860EUA18芯片給微處理器供電。

2.3 無(wú)線通信儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線網(wǎng)卡在物聯(lián)網(wǎng)中有著舉足輕重的作用,選擇EDIMAX公司生產(chǎn)的EW-7711HPn無(wú)線網(wǎng)卡,在設(shè)計(jì)中按照802.11 b/g通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安置,具體的運(yùn)用過(guò)程中頻率在2.4 GHz[5]。

2.4 GPS接收模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用高精度模塊,作用是讀取導(dǎo)航衛(wèi)星數(shù)據(jù),同時(shí)模式化操作后再以特定格式輸出。該模塊的特點(diǎn)是兼?zhèn)淙p工串行接口,可直接連接到微處理器,無(wú)需轉(zhuǎn)換。

3 物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集終端軟件模型設(shè)計(jì)搭建

物聯(lián)網(wǎng)采集系統(tǒng)平臺(tái)選取S3C2440處理器,能夠操控各類模式的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)相關(guān)信息如圖2所示。

圖2 嵌入式系統(tǒng)相關(guān)信息示意圖

WindowsCE、Vx'Works成本比較高,限制了其使用,μC/OS-II太過(guò)精簡(jiǎn),不適合應(yīng)用[6]。嵌入式Linux具有代碼開(kāi)放、擁有超強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)功能、內(nèi)核穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì),因此選擇嵌入式Linux作為終端操作系統(tǒng)。

3.1 搭建交叉編譯環(huán)境

Linux的特點(diǎn)是其在編譯器的支持下能夠移植。如果一種架構(gòu)得到諸如gc此類具備多種功能的編譯工具的支持,Linux才可以運(yùn)行在該硬件架構(gòu)上的二進(jìn)制代碼。通常因?yàn)橘Y源限制,把含有g(shù)cc編譯器的GNUI具鏈安置在PC機(jī)上。Linux系統(tǒng)中并沒(méi)有編譯器,采用PC機(jī)將代碼下載到開(kāi)發(fā)板上就可以進(jìn)行操作[7]。應(yīng)用交叉工具鏈進(jìn)行嵌入式應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)需要搭建交叉編譯環(huán)境。

通常將PC機(jī)叫宿主機(jī),開(kāi)發(fā)板叫目標(biāo)機(jī)。前者在系統(tǒng)中的作用是開(kāi)發(fā)、編譯應(yīng)用程序,完成的映像文件運(yùn)用NFS掛載或FTP下載至開(kāi)發(fā)板上運(yùn)行。如果想展現(xiàn)目標(biāo)板上的內(nèi)容,同時(shí)對(duì)這些內(nèi)容開(kāi)展操作、控制等相關(guān)流程,可以在串口線的支持下,運(yùn)用像Windows下的SecureCRT、Linux下的minicom等來(lái)完成。

3.2 系統(tǒng)引導(dǎo)代碼My-Boot的編寫(xiě)設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)主要由4部分構(gòu)成,如圖3所示。

圖3 嵌入式系統(tǒng)的軟件構(gòu)成及相關(guān)信息

在Flash 存儲(chǔ)器中,嵌入式Linux系統(tǒng)的分區(qū)結(jié)構(gòu),具體如圖4所示。

圖4 嵌入式Linux系統(tǒng)的分區(qū)結(jié)構(gòu)圖

按照系統(tǒng)中Mini2440開(kāi)發(fā)板所需硬件的實(shí)際情況,對(duì)系統(tǒng)中的軟件My-Boot在架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行部署,通常情況下列成2部分,第1階段的工作重心是S3C2004處理內(nèi)部的核心初始化,具體如圖5所示;

圖5 內(nèi)核初始化架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

S3C2440處理器內(nèi)部的核心初始化影響整個(gè)系統(tǒng)[8]。使用程序主要有ARM匯編、ARM指令、ARM偽指令等。在研究同時(shí),按照其啟動(dòng)流程圖、開(kāi)發(fā)板原理圖,芯片手冊(cè)等來(lái)編寫(xiě)第1階段的Bootloader。第2階段設(shè)計(jì)程序主要目標(biāo)就是要搞好Mini2440開(kāi)發(fā)板外圍的硬件操作。運(yùn)用C與匯編混合編程,按照mini2440開(kāi)發(fā)版的芯片手冊(cè)和原理圖,以及其設(shè)計(jì)流程圖展開(kāi)編寫(xiě)工作,具體的設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 板載硬件初始化架構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖7 物聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

My-Boot的工作流程:

(1)結(jié)束My-Boot的程序編寫(xiě);

(2)運(yùn)用My-Boot.lds來(lái)鏈接相應(yīng)的可執(zhí)行程序;

(3)編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的Makefile;

(4)做好這些程序編寫(xiě),還得在虛擬機(jī)中的RHEL9中make一下;

(5)下載至mini2440開(kāi)發(fā)板中[9]。

4 信息采集系統(tǒng)的功能演示

4.1 演示網(wǎng)絡(luò)的搭建

4.1.1整體結(jié)構(gòu)

演示系統(tǒng)的功能,包括組網(wǎng)性能、數(shù)據(jù)采集等。演示系統(tǒng)由一臺(tái)服務(wù)器(節(jié)點(diǎn)1)和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)2、3、4等)組成[10],網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙?圖所示。

4.1.2演示環(huán)境搭建

進(jìn)行信息采集要在系統(tǒng)操作終端節(jié)點(diǎn)上設(shè)置一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送程序傳輸和接受相關(guān)數(shù)據(jù),需在服務(wù)器端安裝并運(yùn)行一個(gè)程序,用來(lái)服務(wù)數(shù)據(jù)發(fā)送和網(wǎng)絡(luò)管理。為達(dá)到一定的傳輸距離,終端節(jié)點(diǎn)應(yīng)該采取無(wú)線路由器,完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能。

4.2 物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的演示結(jié)果

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)演示網(wǎng)絡(luò)搭建完成后,進(jìn)行系統(tǒng)功能演示[11]。

4.2.1網(wǎng)絡(luò)整體性能演示

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D用來(lái)展示服務(wù)器和終端節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系,系統(tǒng)演示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)演示的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

圖8代表某一次演示過(guò)程中某一時(shí)間內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系,并沒(méi)有代表某實(shí)際位置,黑色點(diǎn)代表一般的終端節(jié)點(diǎn)[12]。如果其中的節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變化,則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)同樣不可避免的發(fā)生變化。

4.2.2信息采集系統(tǒng)的功能演示

因?yàn)槠拗?本文只對(duì)條碼掃描、射頻識(shí)別數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)進(jìn)行演示,展示物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的功能演示[13-15]。具體操作過(guò)程中,任何終端皆能夠開(kāi)展RFID和條形碼數(shù)據(jù)的采集,把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中,然后運(yùn)用無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò),在網(wǎng)管系統(tǒng)的控制下把數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端。匯總的數(shù)據(jù)通過(guò)服務(wù)器界面進(jìn)行查看,包括:①每個(gè)終端入庫(kù);②全部終端節(jié)點(diǎn)入庫(kù)[16-17]。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)嵌入式物聯(lián)網(wǎng)的采集系統(tǒng)智能采集系統(tǒng)進(jìn)行分析,闡述了嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)、采集系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)等,并圍繞著本系統(tǒng)的硬件和軟件平臺(tái)的搭建進(jìn)行了詳細(xì)的分析與研究,設(shè)計(jì)了供電、無(wú)線通信、GPS連接等模塊,搭建了交叉編譯環(huán)境,系統(tǒng)引導(dǎo)代碼My-Boot的編寫(xiě)設(shè)計(jì),Linux內(nèi)核的移植,Linux根文件系統(tǒng)的移植;對(duì)物聯(lián)網(wǎng)信息采集系統(tǒng)演示網(wǎng)絡(luò)搭建與信息采集系統(tǒng)的功能演示,為嵌入式物聯(lián)網(wǎng)智能技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。