大型物聯(lián)網(wǎng)設備中智能嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)設計

田建立　李立

摘 要： 當前智能監(jiān)測系統(tǒng)由于尺寸較大，導致生產(chǎn)成本過高，且安裝維護非常復雜。為此，針對大型物聯(lián)網(wǎng)設備，設計一種智能嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)。給出系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，將S3C2440處理器作為核心控制器，依據(jù)傳感器采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)對大型物聯(lián)網(wǎng)設備進行異常檢測，當傳感器向處理器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)值高于報警閾值時，處理器將利用LCD液晶屏對結(jié)果進行顯示，發(fā)出蜂鳴報警，把高于閾值的數(shù)據(jù)保存至嵌入式數(shù)據(jù)庫中。詳細介紹S3C2440處理器、RS 232串口、蜂鳴器、SD卡、NAND FLASH存儲器和傳感器的硬件結(jié)構(gòu)。軟件設計時，給出系統(tǒng)的程序開發(fā)流程和建立Qt/Embedded項目文件的詳細代碼。實驗結(jié)果表明，所設計系統(tǒng)不僅監(jiān)測精度高，且實時性強，整體性能優(yōu)越。

關鍵詞： 大型物聯(lián)網(wǎng)設備； 智能嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)； Qt/Embedded； S3C2440處理器

中圖分類號： TN926?34； TP39 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）24?0071?04

Design of intelligent embedded monitoring system in large?scale IOT equipment

TIAN Jianli1， LI Li2

（1. School of Information Engineering， Huanghe Science and Technology College， Zhengzhou 450063， China；

2. Department of Information Engineering， Zhengzhou Chenggong University of Finance and Economics， Zhengzhou 451200， China）

Abstract： The current intelligent monitoring system has high production cost， and complicated installation and maintenance due to its large size， therefore， an intelligent embedded monitoring system was designed for large?scale IOT equipments. The overall structure of the system is given. The S3C2440 processor is taken as the core controller of the system to perform the anomaly detection of the large?scale IOT equipment according to the monitoring data acquired by the sensor. When the data value t transmitted by sensor to the processor is higher than the alarm threshold， the processor will display the result by means of LCD screen， give a buzzing alarm， and save the data higher than the threshold into the embedded database. The hardware structures of S3C2440 processor， RS 232 serial port， buzzer， SD card， Nand Flash memory and sensor are introduced in detail. The program development process of the system is given and the detail code of the Qt/Embedded project file is established in software design. The experimental results show that the system has high monitoring precision， good real?time performance and superior overall performance.

Keywords： large?scale IOT equipment； intelligent embedded monitoring system； Qt/Embedded； S3C2440 processor

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)就是利用局部網(wǎng)絡或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術把傳感器、控制器、機器、人員和物等通過新的方式聯(lián)系在一起，形成人與物、物與物相聯(lián)，實現(xiàn)信息化、遠程管理控制和智能化的網(wǎng)絡[1?3]。大型物聯(lián)網(wǎng)設備涉及的數(shù)據(jù)量較多，易受到惡意節(jié)點入侵，因此，需設計一種有效的監(jiān)測系統(tǒng)，以保證大型物聯(lián)網(wǎng)設備的安全性[4?6]。

目前，有關智能監(jiān)測系統(tǒng)的研究有很多，相關研究也取得了一定的成果。文獻[7]提出一種模擬信號監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括攝像機、監(jiān)視器、視頻矩陣等，以模擬信號的形式對圖像信息進行輸送，通常應用于小區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測；但該系統(tǒng)受到傳輸距離的限制，不能入網(wǎng)，監(jiān)測方式過于單一。文獻[8]提出一種基于PC的監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在監(jiān)控終端安裝若干個攝像機和視頻采集設備，通過視頻壓縮卡對采集到的圖像信息進行處理后，傳輸至監(jiān)測中心；該系統(tǒng)功能較多，適用于現(xiàn)場操作，然而其穩(wěn)定性較低，視頻前端較為復雜，可靠性不高。文獻[9]分析了一種閾值監(jiān)測方法，將隨機采集的數(shù)據(jù)點作為基本單位完成對事件的監(jiān)測，依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)之間的關系對容錯進行檢測，避免錯誤數(shù)據(jù)產(chǎn)生的負面影響；但該方法需要監(jiān)測對象的先驗知識，且無法根據(jù)實際情況自適應調(diào)整檢測狀態(tài)。針對上述方法的弊端，設計了一種智能嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，詳細介紹了S3C2440處理器、RS 232串口、蜂鳴器、SD卡、NAND FLASH存儲器和傳感器的硬件結(jié)構(gòu)。軟件設計時，給出了系統(tǒng)的程序開發(fā)流程和建立Qt/Embedded項目文件的詳細代碼。實驗結(jié)果表明，所設計系統(tǒng)整體性能優(yōu)越。

1 智能嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)總體設計

本設計將S3C2440處理器作為核心控制器，在嵌入式平臺上，依據(jù)傳感器采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)對大型物聯(lián)網(wǎng)設備的異常進行監(jiān)測。當傳感器向處理器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)值高于報警閾值時，處理器將利用LCD液晶屏對結(jié)果進行顯示，同時發(fā)出蜂鳴報警，把高于閾值的數(shù)據(jù)保存至嵌入式數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 S3C2440處理器設計

S3C2440處理器是整個系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)主要通過S3C2440處理器對大型物聯(lián)網(wǎng)設備中的數(shù)據(jù)進行接收、顯示與處理，以達到實時監(jiān)測的目的。S3C2440處理器的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

S3C2440是一種性能非常高的32位微控制器，外圍設備接口充分，能夠使系統(tǒng)能耗達到最低。S3C2440處理器外擴FLASH和64 MB存儲芯片，通過I/O接口擴展LCD屏、蜂鳴器和存儲卡等設備，和JNS121模塊共同完成無線通信。

2.2 RS 232串口設計

為了提供一個良好的硬件平臺，本文選用由三星公司提供的YC2440開發(fā)板。通過YC2440開發(fā)板的擴展串口，利用S3C2440處理器的內(nèi)部寄存器與UART接口有效實現(xiàn)RS 232串口功能，RS 232串口電路圖如圖3所示。

圖3中，S3C2440芯片的管腳電平C401是1.8 V，因此，I/O口的邏輯電平C402最大只能達到3.3 V。為了使RS 232串口實現(xiàn)通信，還需在硬件上添加TTL電平至RS 232電平的轉(zhuǎn)換電路，YC2440開發(fā)板焊接了SP323EEN芯片以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換電路的添加。

2.3 蜂鳴器硬件設計

本設計采用YC2440開發(fā)板上的蜂鳴器進行蜂鳴報警，蜂鳴器電路如圖4所示。

當傳感器向處理器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)值高于報警閾值時，蜂鳴器被開啟，通過BUZZER發(fā)出各種頻率的聲音，實現(xiàn)蜂鳴器報警。

2.4 SD卡電路設計

S3C2440處理器帶有一個SD主機控制器，其兼容了SD協(xié)會（SDA）的標準規(guī)范，能夠?qū)⑼獠看鎯υO備直接和主機相連。SD卡電路圖如圖5所示。

SD卡的接口性能很強，訪問速率可達50 MHz，具有8位數(shù)據(jù)引腳，其外部存儲功能主要是通過YC2440開發(fā)板焊接的SDMMC芯片實現(xiàn)的，有助于應用程序的開發(fā)。

2.5 存儲電路設計

所設計的大型物聯(lián)網(wǎng)設備中智能嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)的內(nèi)部存儲器選用FLASH存儲器。FLASH主要用于對操作系統(tǒng)與應用程序進行保存，包括NAND FLASH與NOR FLASH兩種。NAND FLASH不僅存儲空間大，且所需費用較低，所以本系統(tǒng)選用K9F2G08U0A型號的NAND FLASH芯片，其電路圖如圖6所示。

K9F2G08U0A的存儲容量是2 GB，能夠滿足系統(tǒng)要求，存儲功能主要通過K9F2G08芯片實現(xiàn)。存儲器輸入電壓為1.5～1.8 V。I/O0～3是芯片的數(shù)據(jù)輸入/輸出端，如果將其看作寫入端，可輸入數(shù)據(jù)與命令，如果將其看作輸出端，可讀取數(shù)據(jù)。CLE與ALE 主要用于命令鎖存使能端與地址鎖存使能端。

2.6 傳感器模塊

傳感器主要用于對大型物聯(lián)網(wǎng)設備中的數(shù)據(jù)進行采集，選用SHT11傳感器，其是一種單芯片傳感器模塊，具有很高的可靠性與穩(wěn)定性，且抗干擾性強，成本較低。將傳感器無縫耦合至一個 14位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器中，發(fā)送至S3C2440處理器上的串行接口電路。SHT11具有2線串行接口與內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)功能，對數(shù)據(jù)的變化敏感，采集精度為±0.4，完全滿足系統(tǒng)要求。圖7描述的是S3C2440和SHT11的接口電路，S3C2440利用I2C總線對SHT11進行管理。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 程序開發(fā)流程

Qt是一種依據(jù)C++的跨平臺GUI系統(tǒng)，可為用戶提供建立圖形界面的強大功能。Qt/Embedded為Qt的嵌入式版本，更加適合嵌入式環(huán)境。建立Qt/Embedded開發(fā)環(huán)境后，需對其程序進行設計，所設計系統(tǒng)的程序開發(fā)流程如圖8所示。

3.2 建立Qt/Embedded項目文件代碼設計

分析上述系統(tǒng)程序開發(fā)流程可知，建立Qt/Embedded項目文件代碼是整個軟件設計的基礎和核心，因此，對其實現(xiàn)代碼進行設計：

#contain

kindQShoveKeypad：

//設置界面設計中涉及的按鈕

kindQWordingChrome；

//編譯框

kindfirst：commonQwidget

//利用QWidget構(gòu)建基礎類

Common：

QShoveKeypad*my?undo??deviee：

QWordingChrome*my??wording??export；

publieslots：

//設置first.epp文件中的槽函數(shù)

fact void my_undoD（）；

first（QWidget*Pareni，eonstehar*name）；

//初始化按鈕對象

myundounit>setWording（ tr（ "UndoUnit"））；

Layout2?>addWidget（ my? undo unit， 0， 0）；

connect（ my undoes unit， SIGNAL（ clicked（）），this，

SLOT（ my_undoD（）））；

4 實驗結(jié)果分析

4.1 實驗環(huán)境

為了驗證本文設計系統(tǒng)的有效性，需要進行相關的實驗分析。實驗將模擬信號監(jiān)測系統(tǒng)作為對比，在表1描述的環(huán)境下進行實驗。

表1 測試環(huán)境

PC機配置如下：Window 8.0，CPU為Intel Pentium Dual Core。

4.2 監(jiān)測精度測試

分別采用本文系統(tǒng)與模擬信號監(jiān)測系統(tǒng)對大型物聯(lián)網(wǎng)設備進行智能監(jiān)測，對兩種系統(tǒng)的查全率與查準率進行比較，結(jié)果如表2所示。

表2 兩種系統(tǒng)查全率與查準率比較結(jié)果 %

分析表2可知，隨著監(jiān)測數(shù)據(jù)量的逐漸增加，本文系統(tǒng)和模擬信號監(jiān)測系統(tǒng)的查全率與查準率均逐漸降低，但和模擬信號監(jiān)測系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)的查全率與查準率下降幅度較小，說明本文系統(tǒng)具有更高的監(jiān)測精度。

4.3 監(jiān)測實時性測試

為了驗證本文系統(tǒng)的監(jiān)測實時性，對本文系統(tǒng)與模擬信號監(jiān)測系統(tǒng)的最大響應時間和最小輸出延遲時間進行比較分析，結(jié)果如表3所示。分析表3可知，和模擬信號監(jiān)測系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)的最大響應時間與最小輸出延時均較優(yōu)，說明本文系統(tǒng)不僅監(jiān)測精度高，而且實時性較強。

表3 兩種系統(tǒng)實時性比較結(jié)果 s

為了進一步驗證本文系統(tǒng)的有效性，對本文系統(tǒng)和模擬信號監(jiān)測系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)進行比較分析，結(jié)果如表4所示。

表4 兩種系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)比較結(jié)果

分析表4可知，當監(jiān)測數(shù)據(jù)量相同時，本文系統(tǒng)的CPU使用率、服務器響應時間、磁盤使用率和服務器響應均明顯優(yōu)于模擬信號監(jiān)測系統(tǒng)，進一步驗證了本文系統(tǒng)的有效性。

5 結(jié) 論

本文設計了一種智能嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，將S3C2440處理器作為核心控制器，依據(jù)傳感器采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)對大型物聯(lián)網(wǎng)設備進行異常檢測，當傳感器向處理器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)值高于報警閾值時，處理器將利用LCD液晶屏對結(jié)果進行顯示，發(fā)出蜂鳴報警，把高于閾值的數(shù)據(jù)保存至嵌入式數(shù)據(jù)庫中。詳細介紹了S3C2440處理器、RS 232串口、蜂鳴器、SD卡、NAND FLASH存儲器和傳感器的硬件結(jié)構(gòu)。軟件設計時，給出了系統(tǒng)的程序開發(fā)流程和建立Qt/Embedded項目文件的詳細代碼。實驗結(jié)果表明，所設計系統(tǒng)不僅監(jiān)測精度高，且實時性強，整體性能優(yōu)越。

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