基于嵌入式物联网技术的智能采集系统模型设计研究

应君裕,郭 鹏,沈 诚,王 宇,刘 斌,章一萍

(湖北华中电力科技开发有限责任公司,湖北 武汉 430000)

物联网技术的快速发展使得其在数据采集系统中得到了广泛的应用,有效克服了传统采集系统存在的问题。物联网技术具备了自主感知、高效实时传输、智能数据分析等优点。但存在不足,如当设备资源有限且功耗要求高的情况下如何实现高效的数据采集和传输是一个难题;数据安全和隐私保护问题亟待解决;如何智能化分析和利用采集数据提供更精准的决策支持。基于此,在对相关技术分析基础上设计高效的数据采集和传输方案,保护数据安全和隐私,并采用人工智能技术进行数据挖掘。

1 关键技术概述

1.1 嵌入式系统

其属于专用计算机系统,但是比普通计算机系统要求高。其基于计算机技术,可以对硬件、软件进行裁剪,应用于应用系统,满足不同应用场景对功能、成本、能耗等方面的需求。由硬件、操作系统、应用程序所构成,其中硬件负责提供计算和控制功能,操作系统负责管理系统资源和提供运行环境,应用程序根据具体需求开发软件,完成特殊定制的功能和任务[1]。

1.2 物联网

物联网是借助温度传感器、RFID技术、激光扫描仪等信息传感设备来检索监控对象及被连接对象的相关信息,并进行信息关联,构建一个物-物、物-人、物-网连通,可以识别与管控目标的整体网络。物联网的架构由感知层、网络层、应用层组成。感应层负责识别和采集信息。网络层负责将采集到的数据传输到互联网上。应用层则是基于物联网数据进行分析和应用,对物体状态监测、预测和控制。核心技术是射频识别技术和传感技术,射频识别(RFID)技术实现对物体的标识和跟踪,传感技术对物体的参数和环境信息进行实时监测和采集[2]。

2 物联网系统硬件平台设计搭建

2.1 硬件整体结构

物联网系统硬件整体结构如图1所示。

图1 硬件平台节点的结构图

由图1可知,中央处理器是物联网硬件平台的最核心部件,选择韩国三星公司生产的S3C2240R微处理器,实现内存和闪存管理。S3C2240R微处理器可以与物联网硬件平台所有功能模块建立联系,实现不同功能模块的不同功能。物联网硬件平台包含无线传输模块、显示与操作模块、GPS模块、射频(RFID)模块、电源模块等。中央处理器无线传输通过无线传输模块中的无线网卡来实现,相关信息通过显示与操作模块中的触屏展示与触屏操作来实现。GPS模块、射频(RFID)模块、条码模块分布于外接模块,与中央微处理器连接,实现其功能。聚合物电池与芯片均分布于电源模块,为中央微处理器提供电源,使其能够正常运行[3]。

2.2 供电模块设计

供电模块为系统提供动力,将电源转换成各模块所需的电压和电流,考虑功率和电流匹配。在物联网信息采集系统中,使用5、3.3和1.25 V直流电压供电。采用8.4 V锂聚合物电池通过220 V交流电源适配器充电,并通过3级电源转换为不同电压[4]。第1级将8.4 V转换为5 V,使用LM2596-5.0芯片给总线和触摸屏供电;第2级将5 V转换为3.3 V,使用AS2815AR-3.3芯片给外围电路供电;第3级将3.3 V转换为1.25 V,使用MAX8860EUA18芯片给微处理器供电。

2.3 无线通信储模块设计

无线网卡在物联网中有着举足轻重的作用,选择EDIMAX公司生产的EW-7711HPn无线网卡,在设计中按照802.11 b/g通信标准进行安置,具体的运用过程中频率在2.4 GHz[5]。

2.4 GPS接收模块设计

本系统采用高精度模块,作用是读取导航卫星数据,同时模式化操作后再以特定格式输出。该模块的特点是兼备全双工串行接口,可直接连接到微处理器,无需转换。

3 物联网数据采集终端软件模型设计搭建

物联网采集系统平台选取S3C2440处理器,能够操控各类模式的嵌入式系统。嵌入式系统相关信息如图2所示。

图2 嵌入式系统相关信息示意图

WindowsCE、Vx'Works成本比较高,限制了其使用,μC/OS-II太过精简,不适合应用[6]。嵌入式Linux具有代码开放、拥有超强网络功能、内核稳定等优势,因此选择嵌入式Linux作为终端操作系统。

3.1 搭建交叉编译环境

Linux的特点是其在编译器的支持下能够移植。如果一种架构得到诸如gc此类具备多种功能的编译工具的支持,Linux才可以运行在该硬件架构上的二进制代码。通常因为资源限制,把含有gcc编译器的GNUI具链安置在PC机上。Linux系统中并没有编译器,采用PC机将代码下载到开发板上就可以进行操作[7]。应用交叉工具链进行嵌入式应用程序的开发需要搭建交叉编译环境。

通常将PC机叫宿主机,开发板叫目标机。前者在系统中的作用是开发、编译应用程序,完成的映像文件运用NFS挂载或FTP下载至开发板上运行。如果想展现目标板上的内容,同时对这些内容开展操作、控制等相关流程,可以在串口线的支持下,运用像Windows下的SecureCRT、Linux下的minicom等来完成。

3.2 系统引导代码My-Boot的编写设计

嵌入式系统主要由4部分构成,如图3所示。

图3 嵌入式系统的软件构成及相关信息

在Flash 存储器中,嵌入式Linux系统的分区结构,具体如图4所示。

图4 嵌入式Linux系统的分区结构图

按照系统中Mini2440开发板所需硬件的实际情况,对系统中的软件My-Boot在架构设计进行部署,通常情况下列成2部分,第1阶段的工作重心是S3C2004处理内部的核心初始化,具体如图5所示;

图5 内核初始化架构设计图

S3C2440处理器内部的核心初始化影响整个系统[8]。使用程序主要有ARM汇编、ARM指令、ARM伪指令等。在研究同时,按照其启动流程图、开发板原理图,芯片手册等来编写第1阶段的Bootloader。第2阶段设计程序主要目标就是要搞好Mini2440开发板外围的硬件操作。运用C与汇编混合编程,按照mini2440开发版的芯片手册和原理图,以及其设计流程图展开编写工作,具体的设计如图6所示。

图6 板载硬件初始化架构设计图

图7 物联网拓扑结构示意图

My-Boot的工作流程:

(1)结束My-Boot的程序编写;

(2)运用My-Boot.lds来链接相应的可执行程序;

(3)编写对应的Makefile;

(4)做好这些程序编写,还得在虛拟机中的RHEL9中make一下;

(5)下载至mini2440开发板中[9]。

4 信息采集系统的功能演示

4.1 演示网络的搭建

4.1.1整体结构

演示系统的功能,包括组网性能、数据采集等。演示系统由一台服务器(节点1)和多个终端节点(节点2、3、4等)组成[10],网络拓扑如7图所示。

4.1.2演示环境搭建

进行信息采集要在系统操作终端节点上设置一个数据发送程序传输和接受相关数据,需在服务器端安装并运行一个程序,用来服务数据发送和网络管理。为达到一定的传输距离,终端节点应该采取无线路由器,完成数据的转发功能。

4.2 物联网系统的演示结果

物联网系统演示网络搭建完成后,进行系统功能演示[11]。

4.2.1网络整体性能演示

网络拓扑图用来展示服务器和终端节点之间的网络关系,系统演示的网络拓扑图如图8所示。

图8 系统演示的网络拓扑图

图8代表某一次演示过程中某一时间内的网络拓扑关系,并没有代表某实际位置,黑色点代表一般的终端节点[12]。如果其中的节点位置发生变化,则网络结构同样不可避免的发生变化。

4.2.2信息采集系统的功能演示

因为篇幅限制,本文只对条码扫描、射频识别数据采集与存储进行演示,展示物联网系统的功能演示[13-15]。具体操作过程中,任何终端皆能够开展RFID和条形码数据的采集,把数据存储在本地数据库中,然后运用无线自组织网络,在网管系统的控制下把数据发送到服务器端。汇总的数据通过服务器界面进行查看,包括:①每个终端入库;②全部终端节点入库[16-17]。

5 结语

对嵌入式物联网的采集系统智能采集系统进行分析,阐述了嵌入式与物联网关键技术、采集系统硬件整体结构等,并围绕着本系统的硬件和软件平台的搭建进行了详细的分析与研究,设计了供电、无线通信、GPS连接等模块,搭建了交叉编译环境,系统引导代码My-Boot的编写设计,Linux内核的移植,Linux根文件系统的移植;对物联网信息采集系统演示网络搭建与信息采集系统的功能演示,为嵌入式物联网智能技术的发展和应用奠定了理论基础。