基于嵌入式的物联网信息技术采集系统

中海油天津化工研究设计院有限公司 张少锋

近年来物联网技术飞速发展，被应用到众多领域中。通常物联网系统的最基础的组成部分就是感知层，主要是运用了这一层的信息采集作为依附，通过有线或无线的网络进行信息传递，最后信息数据被统一收集、控制以及处理，实现物体与物体之间、人和物体之间，甚至是网络和物体之间的相应连接。物联网系统中物物相连的基础是感知层部分的信息采集，文章就是将信息采集作为切入点，选择的信息传输方式是无线自组织网，选择嵌入式系统对信息采集模块进行管理与控制，帮助实现物联网信息采集系统的作用。

当前，在运用计算机方面人们的需求越来越多。随着人们对个人计算机(PC)应用多样性的要求，专业应用方面出现了为之专门定制的计算机，这种专用计算机技术逐渐发展起来，也就是平常通常所说的嵌入式系统。事实上，这种系统的关键部分是应用，其基础一般都是计算机技术，而且软件硬件都可以裁剪。嵌入式系统一般会运用在专用计算机系统里面，其主要部分通常由两方面组成，一方面是硬件部分，这部分常常由电源、模块、定时器以及微处理器等器件组成；另一方面则是软件部分，这部分常常由固化在操作系统上面的应用软件或者是作用在存储器上面的微型操作系统等组成[1]。当嵌入式技术越发朝着高科技发展，其未来的发展方向将随着融合物联网技术的嵌入式而进发。要想让信息采集的效率得到极大地提升，可以选择运用嵌入式系统的方式来采集数据信息，然后将数据用网络的方式去传输，最终采用远程应用服务中心来进行监控。

1 常见的嵌入式操作系统

在嵌入式系统里面，最重要的系统就是嵌入式操作系统，因为它是由很多的功能组成，例如：内存管理、系统调用、对任务产生调度等。常见的嵌入式操作系统是由多个种类组成的，但大体上可分为实时操作系统（Real Time Operating System，RTOS）和非实时操作系统。所谓实时操作系统，其实是指对于变化了的外界事件或者是外界数据，这些变化的信息，该系统能够以最快的速度去接受且处理，而且实时任务也能够统一运行被控制。对实时操作系统来说，一个最大的特点就是能够及时响应，以及可靠性不低[2]。一般该系统还可以分成两大类，一类是硬实时；另一类则是软实时。所谓硬实时，其实就是让预期的任务能够在确定好的时间里面顺利完成，这是操作系统的时候极其必要以及重要的；而软实时只需要让任务能够在最快的时间里面顺利完成就行了，不过任务在完成的时候，通常是一句优先级别来计算的。通常，我们所用的嵌入式操作系统是由以下四种类别组成：（1）Windows CE，这一类别与Windows系统的图形界面特别类似，这是其一大特点之一，用户在使用这一类别系统的时候会更容易操作，与Windows比较起来，其应用程序也是有一定兼容性的。（2）Vxworks，从当前的情况来看，在所有的嵌入式操作系统里面，其被运用的行业以及领域是最广的，常常都能看到其踪影。该类别的系统拥有的可靠性并不低，也有很好的实时性，在很多领域都被运用，例如：通信、航空等。（3）uC/OS-II，该类别的系统结构十分的精巧，拥有极高的执行效率，在空间里占据并不大，其发展的基础是uC/OS。（4）嵌入式Linux，该模式作用下的系统在当前国内的嵌入式操作系统里面，是运用最为广泛的。本篇文章主要体积的嵌入式物联网系统就是这类系统。之所以会选择这种类别的系统，是因为其优点特别多：1）该系统拥有开放源代码，在几大社区里面常常会发现很多的学习资料以及研究资料等；2）Linux效率相比而言会更高，而且内核十分的小，最小的内核大概只是134KB左右；3）Linux系统其实是免费的系统，能够有效降低成本，从价格上来看，其竞争力极其强大[3]。嵌入式操作系统软件开发过程中的主要功能模块有以下几个：引导程序加载程序（Bootloader)、嵌入式Linux内核（Kernel)、根文件系统（Filesvstem)。当真正运行系统时候，以上所提及的模块是拥有前后关系的。内核要想顺利运行，就可以在引导程序加载程序里面运行，而且能顺利让内核加载起来。而这里的内核同样也为其他的系统提供了较大的环境。

2 系统设计目标及功能需求分析

当嵌入式物联网系统所运用的类别是在Linux基础上时，如果单单以体系架构的层面去分析能发现该技术的体系能被分作三层，而如果依据其所处的位置来分，能够被分成两部分，一部分是应用服务中心;另一部分则是感知终端。所谓感知终端，其实通俗点说就是4G无线通信模块以及信息采集终端，而所谓的应用服务中心，主要是由三部分组成的，一部分是数据库模块;另一部分是界面程序模块；最后一部分则是数据信息接收存储现实模块。该系统在设计时，其设计的一个目标是让各种从终端传来的数据信息可以实时被呈现出来，最终让监测远程的状况能够顺利实施。要想让系统达到这样的目的，那么系统就需要拥有以下这些特征：需要有极高的安全性、拥有良好的实用性、能够稳定去运行、其在被携带时能更加灵活等[4]。

3 系统设计方案

通常物联网数据采集终端是由以下几部分组成的，包括物体动态检测模块、系统安全升级模块以及实时视频模块等。与此同时，运用通信协议将有关的数据信息都做了设定，依据自定义的方式，把数据信息以通信协议的方式打包，然后再运用4G无线通信模块来传输这些数据信息，随后这些数据信息将会直接转移到Internet网络里面，最终这些信息会一路被运输到PC里面，该系统里面的应用服务中心就会对收到的数据信息做分析以及处理，将最终的结果储存到服务器的数据库里面。当然在最开始的时候，这些数据信息会在实时以及历史数据表里面被存储，以上的这一系列其实就是数据信息在物联网数据采集系统里面的整体传输以及存储的过程。能够被感知终端所感知的数据信息，例如图像或者视频等，是能够在应用服务中心的作用下得以显现的，至于温度与湿度和PM这类数据，也能够运用实时以及历史数据表来做分析以及处理。

3.1 现场信息采集感知终端

所谓的物联网数据采集终端，其实通俗点说也就是现场信息采集感知设备，其组成部分通常由摄像头以及传感器等，其最终的作用就是将现场有用的数据信息有所采集，然后利用4G无线通信模块的方式来传输数据信息。所以，在设计以及选择感知终端的硬件方面以及软件方面的时候，会按照下面的方式来选择。首先当选择感知终端软件结构时候。由于本篇文章所分析的物联网系统都是嵌入式模式的，而且该系统拥有特别广泛的应用。不管是在家庭、医疗还是制造方面等都由被用到。所以在设计该系统的时候需要考虑不少特殊的地方，再加上当前环境问题越发严重，PM2.5就是其中较为严重的问题之一。如果人们在较长的时间内都不断将PM2.5吸收到体内，那么人们将会有极大的概率出现呼吸道疾病或者是心血管疾病等。所以感知终端软件结构要采集的数据信息是很广泛的，不光是对温度以及湿度有所采集，也需要对PM2.5的情况去采集，当然还需要拥有对实时视频信息和物体动态监测信息的数据。不仅如此，在物联网数据采集终端的硬件模块方面，所选用的结构是较为独立化的，如果应用环境不一样时，硬件设备自然也会发生改变，这种独立化的结构从某方面来说也对成本有所降低[5]。按照当前所需要的数据信息的实际需求，将最实用的功能模块做了归纳与总结，最终的功能模块如图1所示。

通常，感知终端的硬件结构由以下几部分组成：数据传输模块、信息采集模块以及信息处理模块。运用无线的方式对数据做传输主要是数据传输模块所负责的，而另外两个模块从名字就能够知道，主要是对获得的数据信息做收集以及简单的处理。

3.2 4G网络

该系统的应用范围较为广泛，不管是家具行业还是医疗行业，甚至是其他的行业都由该系统运用。所以有时候或许会因为地理因素或其他因素的原因，导致过去常用的有线光缆布线以及短程无线通信没有办法顺利运用。有时，当应用背景异常复杂时，想要运用有线的方式去监测数据信息就显得异常艰难，即使最终顺利布线成功，也在之后的维护过程中将会耗费极大的人力与物力，所以为了解决这一难题，最终选用的技术是无线传输技术。虽然GPRS以及4G也能在远程无线传输技术里面被运用，可前者的宽带并不高，对于持续的数据传输并不能顺利使用，况且在运用这个系统采集数据时，常常会碰到图像或者视频传输的情况，所以GPRS并不能够胜任。至于4G技术，与GPRS比较起来，明显数据传输的速率会更加快，而且系统容量比较大，再加上其应用范围广等特征，也能对较大容量的数据信息实时传输，所以在选择传输工具的时候，最终选择了4G网络技术。

3.3 物联网应用服务中心

在该系统中，应用服务中心是非常关键的部分，因为其是各感知终端的管理测试，同时也是研究中心的服务器。物联网应用服务中心主要是由以下几部分组成：逻辑数据处理程序、用户信息管理以及数据库程序等。如图2所示，能清晰直观地观察到应用服务中心软件的架构。应用服务中心的作用并不小，其不但能够将数据信息以及指令朝着终端的方向有所发送，也能够将从各个感知终端获得的数据信息接收过来，随后对这些数据信息做解包、处理并且储存。

图2 应用服务中心架构图Fig.2 Architecture diagram of application service center

应用监控程序通常运行的工作有以下几部分：对实时温度以及实时湿度有所监测、对PM2.5的数据做收集与处理，让视频以及图像能够实时被显示出来，以及能够智能对物体的动态情况做监测等。数据库模块主要与该系统中不断增长的数据信息的数量有紧密的联系，过多的因素让信息存储变得麻烦，甚至会产生爆炸的情况。不过SOLServer2019拥有的交互性极好，即使数据信息拥有数百TB，运用该技术也能够顺利对其解决，所以当运用了该技术后，就能够以最快的速度找到所需要的信息。

4 总结与展望

文章主要对物联网数据采集系统的设计方面作了细致的分析与研究，而且按照人们当前的需求情况作了相应的总体方案架构设计。系统由两部分所组成的，应用服务中心是其中的一部分，运用应用程序VC++60作为软件开发平台，而数据库管理系统则是SOLServer2019。而另外一个部分组成则是数据信息采集感知终端，其内部的构建中，最核心的部分是ARM开发板，在传输数据信息时，所运用的网络通常是4G网络。将该系统的两部分做联调测试之后，在对数据采集系统做登录控制测试的时候，只需要运用PC电脑端就能够实现顺利控制。而且运用该电脑端登录之后，不但可以利用密码来校验原本的用户信息，从而实现注册以及管理的功能，还可以测试物联网数据采集系统里面的智能远程在线安全升级模块以及智能运动物体检测模块等。相信随着技术的不断发展，未来5G技术也有待被运用到系统无线通信模块里面，应用服务中心能够被开发的更完善与完整，而且在对视频数据信息存储时，能运用到云存储技术。

引用

[1]郭福洲.大数据嵌入式软件在物联网技术中的应用[J].信息技术与信息化,2021(12):88-90.

[2]张强.嵌入式物联网终端的网络安全[D].西安:西安工程大学, 2021.

[3]张亚林.物联网中嵌入式终端数据远程传输控制系统设计[J].现代电子技术,2021,44(10):29-33.

[4]陈夫鹏.基于物联网的企业生产信息采集技术的研究[D].唐山:华北理工大学,2021.

[5]李波,聂增丽,畅君元.嵌入式异构物联网密文数据动态捕获方法[J].计算机仿真,2021,38(2):282-286.