一种通用型粮库智能终端产品设计

丁文杰

（中科怡海高新技术发展江苏股份公司运维与质量部，江苏无锡，214024）

一种通用型粮库智能终端产品设计

丁文杰

（中科怡海高新技术发展江苏股份公司运维与质量部，江苏无锡，214024）

粮库信息化领域的物联网终端用途各异，但都没有成型化、系统化、模块化的通用型产品架构设计。本文提出了一种粮库智能终端产品，通过嵌入式智能信息处理技术，实现传感数据采集与嵌入式存储、传感数据分析与预测、数据传输与控制、终端设备远程控制、终端设备可重塑、异质终端自组织组网、终端设备代码更新、多种通信传输方式支持等功能，并进而解决同类系统复制难、成本高的问题。

粮库信息化；智能终端；物联网应用

0　引言

目前粮库信息化领域的物联网终端用途各异，形态及功能多样，如数据汇聚网关、触摸式交互智能终端屏、气体检测装置、熏蒸泄漏检测装置、智能通风控制装置、传送带能耗监测装置等。这些粮库物联网终端都有数据采集、数据上传、远程控制等共性功能需求，但目前市面上主流的粮库信息化领域的硬件产品虽各有所长，但都没有成型化、系统化、模块化的通用型产品架构设计，目前市场上尚无一款专门用于粮库信息化领域的通用型智能终端。

本文提出了一种粮库智能终端产品，该产品通过嵌入式智能信息处理技术，实现传感数据采集与嵌入式存储、传感数据分析与预测、数据传输与控制、终端设备远程控制、终端设备可重塑、异质终端自组织组网、终端设备代码更新、多种通信传输方式支持等功能；并将上述功能无缝集成至粮库信息化领域的物联网终端，解决同类系统复制难、成本高的问题（如图1所示）。

本文提出的智能终端产品，其系统架构如下图2所示：

该智能终端产品将嵌入式智能信息处理技术应用于粮库信息化领域，属于应用创新。其功能包括：

1　通用型粮库智能终端产品架构及功能

图1　

1.1传感数据采集与嵌入式存储

通过传感数据采集适配器，硬件上支持多种传感器的接入与扩展，软件上通过数据采集中间件实现传感器采集数据统一的格式解析和转换，以及对各种传感器参数（如采集周期、运行参数等）的动态配置。通过在终端上建立嵌入式数据库，支持传感数据的存储与本地查询。

1.2传感数据分析与预测

1）数据相关性分析

终端设备支持多种传感器，可以同时采集异质、多元的传感数据。进行异质、多元传感数据之间的相关性分析，一方面可以发现不同传感数据之间的关联，为上层数据挖掘、规律发现以及决策提供初步依据；另外一方面可以将强相关的多种数据进行融合，减少与数据中心数据传输量，降低通信开销。

2）传感数据预测与预警

通过一段时期的传感数据的积累，形成建立预测模型所需的数据集。基于历史数据集，建立传感数据预测模型，预测未来的传感数据数值，并与真实测量得到的传感数据数值进行比较，修正预测模型，提高预测准确度，最后输出传感数据预测结果，当预测值为异常数据时，自主生成预警信息（如图3所示）。

3）异常数据报警

对于有预设报警阈值的传感数据，通过与正常阈值的比较，判断是否发生异常情况，生成报警信息，通知数据中心。对于未预设报警阈值的传感数据，通过异常点检测等算法，自主判断异常的发生。

1.3数据传输与控制

数据传输与控制解决网络传输中数据的可靠性和安全性问题，为终端设备远程数据和指令的传输提供安全、可靠的数据通道，保证数据传输过程中不丢包、不错包。采用信道加密算法，保证终端到数据中心的数据安全，防止数据被破解或篡改。根据数据优先级和通信网络状态，动态进行传输流量控制，在保证数据传输实时性的同时，满足业务需求。

1.4终端设备远程控制

建立数据中心与终端设备之间的远程连接，实现对终端设备的远程控制，包括：1）远程开关控制；2）远程复位控制； 3）远程状态查询；4）远程参数配置；5）远程固件升级；6）远程传感器校准。

1.5终端设备可重塑

粮库物联网智能终端须具备强通用性，能够适应各种粮食物联网应用，从简单的温湿度信息采集，到复杂的智能处理算法，都应该不需要重新进行终端硬件设计。此外，智能终端需要具备强专业性，能定制适合应用需求指标的软硬件，以使得系统成本与应用规模相匹配。为了支持物联网应用的多样性，传统终端为保证其通用性而通常采用具有一定硬件性能冗余度的设计，使其存在高成本、高功耗缺点，导致传统终端无法以较高效能比支持大多数的物联网应用。如果优先保证物联网应用的领域专用性，需要针对不同的物联网应用单独设计专用终端，由于物联网应用的高度多样性和领域专用性，单独设计的终端硬软件资源无法得到有效复用，降低了物联网应用的开发速度，增加了系统的研发成本。本项目通过研发可重塑技术解决上述问题。

1.6异质终端自组织组网

图2　智能终端的系统架构

由于客观物理环境和待感知对象的复杂性与动态性，应用系统需求的多样性，以及覆盖范围的不同要求，本项目中所涉及的智能终端通常由不同类型、不同性能的异质终端组成。如何部署这些异质终端来高效采集感知信息，以及如何控制这些异质终端在静态、局部动态和全局动态的条件下连接成一个高效的自组织通信网络，是本项目的核心关键技术。

本项目采用可配置、多属性和异质的智能终端，针对终端在属性、构造、配置、性能和覆盖范围等多方面的差异，提出局部区域内异质终端之间的通信机制，以及全网的层次式的通信协议；在此基础上，针对典型的监测传应用需求，形成一套完整的异质终端自组织组网解决方案。

异质终端自组织网络在网络的形成阶段，针对大规模监测网络在网络规模、系统寿命、数据传输质量、系统成本等方面的要求，从异构的网络结构、分簇机制和休眠控制机制等角度出发，为应用提供自适应性的、高效可扩展的组网算法和协议。在网络的运行阶段，针对异质终端网络应用的采样需求高与网络本身计算与能量资源受限严重的矛盾，采取拥塞控制、优化的存取机制和可容迟应用的传输算法，针对具体的应用场景，使用分布式协同优化的理论和方法。同时，使用资源占用低的组网技术，完成软硬件协同的跨层协议设计，使得异质终端网络能够在长时间工作。

1.7终端设备的代码更新

对于粮食物联网应用，需要根据应用的多样性和动态性，及时更新智能终端的运行代码。由于传输更新代码不同于传输普通的传感数据，其具有高突发性和数据量庞大的特点。一般情况下，传输这些代码需要大量的能量开销。并且，当待更新终端收到更新代码后，需要在本地重组并保存这部分代码，这些操作也需要一定的能量开销。这两部分的能量开销统称为代码更新开销。当前的代码更新技术通常只关注传输代码引起的通信开销，而较少关注由于代码重组和存储引起的重组开销，往往造成由于终端的能量随着频繁的更新而迅速被耗尽，从而降低整个监测网络的生命周期。另外，一些终端设备采用的嵌入式芯片，由于电源电压的降低可能导致代码写入时会发生意想不到的错误，严重时会使终端上的程序崩溃。本项目通过研发代码更新机制解决上述问题。

本文提出的智能终端设备采用一种高可靠性的、对资源和能耗要求较低的代码更新机制进行终端设备的软件代码升级。通过新旧代码的对比分析自动生成更新脚本，仅传输更新脚本以有效降低代码更新的传输开销，并通过差异代码函数有效降低重组开销。

1.7多种通信传输方式支持

本智能终端支持终端之间以及终端与数据中心之间的多种通信传输方式，如802.15.4，WIFI，3G等。

2　结论

本文设计的粮库智能终端产品通过嵌入式智能信息处理技术，实现传感数据采集与嵌入式存储、传感数据分析与预测、数据传输与控制、终端设备远程控制、终端设备可重塑、异质终端自组织组网、终端设备代码更新、多种通信传输方式支持等功能；并将上述功能无缝集成至粮库信息化领域的物联网终端，解决同类系统复制难、成本高的问题。

张焕国，罗婕， 金刚， 等..可信计算研究进展[ J] . 武汉大学学报:理学版, 2006, 52( 5) :

A common type of granary intelligent terminal product design

Ding Wenjie
（Department of operation and quality, Jiangsu joint stock company,Wuxi,Jiangsu,214024）

Although the applications of networking terminals in grain depot information field are various, but there is no molding，systematized，modular design for general product architectures.This article introduces an intelligent terminal products for grain depot,which could implement the functions of acquisition and embedded storage of sensor data,analysis and prediction to sensor data,data transmission and control,remote control of terminal equipment,reconstruction of terminal equipment,self-organization of the heterogeneous terminals,updates of terminal equipment codes,the support of several transmission, by way of embedded intelligent information processing technology,and then,the problems of high cost and hard copy to the similar systems could be solved.

Grain Deport Informationization;Intelligent terminal;IOT Application