基于嵌入式的物聯網信息技術采集系統

中海油天津化工研究設計院有限公司 張少鋒

近年來物聯網技術飛速發展，被應用到眾多領域中。通常物聯網系統的最基礎的組成部分就是感知層，主要是運用了這一層的信息采集作為依附，通過有線或無線的網絡進行信息傳遞，最后信息數據被統一收集、控制以及處理，實現物體與物體之間、人和物體之間，甚至是網絡和物體之間的相應連接。物聯網系統中物物相連的基礎是感知層部分的信息采集，文章就是將信息采集作為切入點，選擇的信息傳輸方式是無線自組織網，選擇嵌入式系統對信息采集模塊進行管理與控制，幫助實現物聯網信息采集系統的作用。

當前，在運用計算機方面人們的需求越來越多。隨著人們對個人計算機(PC)應用多樣性的要求，專業應用方面出現了為之專門定制的計算機，這種專用計算機技術逐漸發展起來，也就是平常通常所說的嵌入式系統。事實上，這種系統的關鍵部分是應用，其基礎一般都是計算機技術，而且軟件硬件都可以裁剪。嵌入式系統一般會運用在專用計算機系統里面，其主要部分通常由兩方面組成，一方面是硬件部分，這部分常常由電源、模塊、定時器以及微處理器等器件組成；另一方面則是軟件部分，這部分常常由固化在操作系統上面的應用軟件或者是作用在存儲器上面的微型操作系統等組成[1]。當嵌入式技術越發朝著高科技發展，其未來的發展方向將隨著融合物聯網技術的嵌入式而進發。要想讓信息采集的效率得到極大地提升，可以選擇運用嵌入式系統的方式來采集數據信息，然后將數據用網絡的方式去傳輸，最終采用遠程應用服務中心來進行監控。

1 常見的嵌入式操作系統

在嵌入式系統里面，最重要的系統就是嵌入式操作系統，因為它是由很多的功能組成，例如：內存管理、系統調用、對任務產生調度等。常見的嵌入式操作系統是由多個種類組成的，但大體上可分為實時操作系統（Real Time Operating System，RTOS）和非實時操作系統。所謂實時操作系統，其實是指對于變化了的外界事件或者是外界數據，這些變化的信息，該系統能夠以最快的速度去接受且處理，而且實時任務也能夠統一運行被控制。對實時操作系統來說，一個最大的特點就是能夠及時響應，以及可靠性不低[2]。一般該系統還可以分成兩大類，一類是硬實時；另一類則是軟實時。所謂硬實時，其實就是讓預期的任務能夠在確定好的時間里面順利完成，這是操作系統的時候極其必要以及重要的；而軟實時只需要讓任務能夠在最快的時間里面順利完成就行了，不過任務在完成的時候，通常是一句優先級別來計算的。通常，我們所用的嵌入式操作系統是由以下四種類別組成：（1）Windows CE，這一類別與Windows系統的圖形界面特別類似，這是其一大特點之一，用戶在使用這一類別系統的時候會更容易操作，與Windows比較起來，其應用程序也是有一定兼容性的。（2）Vxworks，從當前的情況來看，在所有的嵌入式操作系統里面，其被運用的行業以及領域是最廣的，常常都能看到其蹤影。該類別的系統擁有的可靠性并不低，也有很好的實時性，在很多領域都被運用，例如：通信、航空等。（3）uC/OS-II，該類別的系統結構十分的精巧，擁有極高的執行效率，在空間里占據并不大，其發展的基礎是uC/OS。（4）嵌入式Linux，該模式作用下的系統在當前國內的嵌入式操作系統里面，是運用最為廣泛的。本篇文章主要體積的嵌入式物聯網系統就是這類系統。之所以會選擇這種類別的系統，是因為其優點特別多：1）該系統擁有開放源代碼，在幾大社區里面常常會發現很多的學習資料以及研究資料等；2）Linux效率相比而言會更高，而且內核十分的小，最小的內核大概只是134KB左右；3）Linux系統其實是免費的系統，能夠有效降低成本，從價格上來看，其競爭力極其強大[3]。嵌入式操作系統軟件開發過程中的主要功能模塊有以下幾個：引導程序加載程序（Bootloader)、嵌入式Linux內核（Kernel)、根文件系統（Filesvstem)。當真正運行系統時候，以上所提及的模塊是擁有前后關系的。內核要想順利運行，就可以在引導程序加載程序里面運行，而且能順利讓內核加載起來。而這里的內核同樣也為其他的系統提供了較大的環境。

2 系統設計目標及功能需求分析

當嵌入式物聯網系統所運用的類別是在Linux基礎上時，如果單單以體系架構的層面去分析能發現該技術的體系能被分作三層，而如果依據其所處的位置來分，能夠被分成兩部分，一部分是應用服務中心;另一部分則是感知終端。所謂感知終端，其實通俗點說就是4G無線通信模塊以及信息采集終端，而所謂的應用服務中心，主要是由三部分組成的，一部分是數據庫模塊;另一部分是界面程序模塊；最后一部分則是數據信息接收存儲現實模塊。該系統在設計時，其設計的一個目標是讓各種從終端傳來的數據信息可以實時被呈現出來，最終讓監測遠程的狀況能夠順利實施。要想讓系統達到這樣的目的，那么系統就需要擁有以下這些特征：需要有極高的安全性、擁有良好的實用性、能夠穩定去運行、其在被攜帶時能更加靈活等[4]。

3 系統設計方案

通常物聯網數據采集終端是由以下幾部分組成的，包括物體動態檢測模塊、系統安全升級模塊以及實時視頻模塊等。與此同時，運用通信協議將有關的數據信息都做了設定，依據自定義的方式，把數據信息以通信協議的方式打包，然后再運用4G無線通信模塊來傳輸這些數據信息，隨后這些數據信息將會直接轉移到Internet網絡里面，最終這些信息會一路被運輸到PC里面，該系統里面的應用服務中心就會對收到的數據信息做分析以及處理，將最終的結果儲存到服務器的數據庫里面。當然在最開始的時候，這些數據信息會在實時以及歷史數據表里面被存儲，以上的這一系列其實就是數據信息在物聯網數據采集系統里面的整體傳輸以及存儲的過程。能夠被感知終端所感知的數據信息，例如圖像或者視頻等，是能夠在應用服務中心的作用下得以顯現的，至于溫度與濕度和PM這類數據，也能夠運用實時以及歷史數據表來做分析以及處理。

3.1 現場信息采集感知終端

所謂的物聯網數據采集終端，其實通俗點說也就是現場信息采集感知設備，其組成部分通常由攝像頭以及傳感器等，其最終的作用就是將現場有用的數據信息有所采集，然后利用4G無線通信模塊的方式來傳輸數據信息。所以，在設計以及選擇感知終端的硬件方面以及軟件方面的時候，會按照下面的方式來選擇。首先當選擇感知終端軟件結構時候。由于本篇文章所分析的物聯網系統都是嵌入式模式的，而且該系統擁有特別廣泛的應用。不管是在家庭、醫療還是制造方面等都由被用到。所以在設計該系統的時候需要考慮不少特殊的地方，再加上當前環境問題越發嚴重，PM2.5就是其中較為嚴重的問題之一。如果人們在較長的時間內都不斷將PM2.5吸收到體內，那么人們將會有極大的概率出現呼吸道疾病或者是心血管疾病等。所以感知終端軟件結構要采集的數據信息是很廣泛的，不光是對溫度以及濕度有所采集，也需要對PM2.5的情況去采集，當然還需要擁有對實時視頻信息和物體動態監測信息的數據。不僅如此，在物聯網數據采集終端的硬件模塊方面，所選用的結構是較為獨立化的，如果應用環境不一樣時，硬件設備自然也會發生改變，這種獨立化的結構從某方面來說也對成本有所降低[5]。按照當前所需要的數據信息的實際需求，將最實用的功能模塊做了歸納與總結，最終的功能模塊如圖1所示。

通常，感知終端的硬件結構由以下幾部分組成：數據傳輸模塊、信息采集模塊以及信息處理模塊。運用無線的方式對數據做傳輸主要是數據傳輸模塊所負責的，而另外兩個模塊從名字就能夠知道，主要是對獲得的數據信息做收集以及簡單的處理。

3.2 4G網絡

該系統的應用范圍較為廣泛，不管是家具行業還是醫療行業，甚至是其他的行業都由該系統運用。所以有時候或許會因為地理因素或其他因素的原因，導致過去常用的有線光纜布線以及短程無線通信沒有辦法順利運用。有時，當應用背景異常復雜時，想要運用有線的方式去監測數據信息就顯得異常艱難，即使最終順利布線成功，也在之后的維護過程中將會耗費極大的人力與物力，所以為了解決這一難題，最終選用的技術是無線傳輸技術。雖然GPRS以及4G也能在遠程無線傳輸技術里面被運用，可前者的寬帶并不高，對于持續的數據傳輸并不能順利使用，況且在運用這個系統采集數據時，常常會碰到圖像或者視頻傳輸的情況，所以GPRS并不能夠勝任。至于4G技術，與GPRS比較起來，明顯數據傳輸的速率會更加快，而且系統容量比較大，再加上其應用范圍廣等特征，也能對較大容量的數據信息實時傳輸，所以在選擇傳輸工具的時候，最終選擇了4G網絡技術。

3.3 物聯網應用服務中心

在該系統中，應用服務中心是非常關鍵的部分，因為其是各感知終端的管理測試，同時也是研究中心的服務器。物聯網應用服務中心主要是由以下幾部分組成：邏輯數據處理程序、用戶信息管理以及數據庫程序等。如圖2所示，能清晰直觀地觀察到應用服務中心軟件的架構。應用服務中心的作用并不小，其不但能夠將數據信息以及指令朝著終端的方向有所發送，也能夠將從各個感知終端獲得的數據信息接收過來，隨后對這些數據信息做解包、處理并且儲存。

圖2 應用服務中心架構圖Fig.2 Architecture diagram of application service center

應用監控程序通常運行的工作有以下幾部分：對實時溫度以及實時濕度有所監測、對PM2.5的數據做收集與處理，讓視頻以及圖像能夠實時被顯示出來，以及能夠智能對物體的動態情況做監測等。數據庫模塊主要與該系統中不斷增長的數據信息的數量有緊密的聯系，過多的因素讓信息存儲變得麻煩，甚至會產生爆炸的情況。不過SOLServer2019擁有的交互性極好，即使數據信息擁有數百TB，運用該技術也能夠順利對其解決，所以當運用了該技術后，就能夠以最快的速度找到所需要的信息。

4 總結與展望

文章主要對物聯網數據采集系統的設計方面作了細致的分析與研究，而且按照人們當前的需求情況作了相應的總體方案架構設計。系統由兩部分所組成的，應用服務中心是其中的一部分，運用應用程序VC++60作為軟件開發平臺，而數據庫管理系統則是SOLServer2019。而另外一個部分組成則是數據信息采集感知終端，其內部的構建中，最核心的部分是ARM開發板，在傳輸數據信息時，所運用的網絡通常是4G網絡。將該系統的兩部分做聯調測試之后，在對數據采集系統做登錄控制測試的時候，只需要運用PC電腦端就能夠實現順利控制。而且運用該電腦端登錄之后，不但可以利用密碼來校驗原本的用戶信息，從而實現注冊以及管理的功能，還可以測試物聯網數據采集系統里面的智能遠程在線安全升級模塊以及智能運動物體檢測模塊等。相信隨著技術的不斷發展，未來5G技術也有待被運用到系統無線通信模塊里面，應用服務中心能夠被開發的更完善與完整，而且在對視頻數據信息存儲時，能運用到云存儲技術。

引用

[1]郭福洲.大數據嵌入式軟件在物聯網技術中的應用[J].信息技術與信息化,2021(12):88-90.

[2]張強.嵌入式物聯網終端的網絡安全[D].西安:西安工程大學, 2021.

[3]張亞林.物聯網中嵌入式終端數據遠程傳輸控制系統設計[J].現代電子技術,2021,44(10):29-33.

[4]陳夫鵬.基于物聯網的企業生產信息采集技術的研究[D].唐山:華北理工大學,2021.

[5]李波,聶增麗,暢君元.嵌入式異構物聯網密文數據動態捕獲方法[J].計算機仿真,2021,38(2):282-286.