基于多維感知技術(shù)的智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：多維感知技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)；智能系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN391.44；TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

5G時(shí)代，萬(wàn)物互聯(lián)的概念迅速發(fā)展，相較于傳統(tǒng)的感知設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)用和回溯。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)感知設(shè)備感知有限的物理量，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)中，如農(nóng)業(yè)、礦山、隧道等。但是，在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的發(fā)展中仍然存在諸多問(wèn)題，如無(wú)法實(shí)現(xiàn)后續(xù)功能、智能化低等。本文設(shè)計(jì)了基于多維感知技術(shù)的智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)置系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)周?chē)奈锢砹浚邮諗?shù)據(jù)并且解算。利用外部觀測(cè)終端對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用，并且判斷系統(tǒng)信息，從而使系統(tǒng)性能和后續(xù)功能得到優(yōu)化[1]。

1 智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)方案

本文所設(shè)計(jì)智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的架構(gòu)（圖1）主要包括以下方面。

（1）多維感知層。其主要包括傳感器和相關(guān)適配模塊，滿足多傳感器數(shù)據(jù)接口需求，實(shí)現(xiàn)傳感器輸出數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變，兩者結(jié)合能夠感知多信息，實(shí)現(xiàn)周邊環(huán)境物理量的實(shí)時(shí)獲取。

（2）計(jì)算決策層。通過(guò)此層能夠接收數(shù)據(jù)解算層中的數(shù)據(jù)，還能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行全面分析，以數(shù)據(jù)數(shù)值判斷是否存在問(wèn)題。如果存在問(wèn)題，能夠及時(shí)報(bào)警，讓用戶知曉。創(chuàng)建本地Web 服務(wù)器和服務(wù)器外部訪問(wèn)端口以展現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)解算層。此層能夠?qū)崿F(xiàn)多維感知層模擬量、數(shù)字量等數(shù)據(jù)結(jié)算，減少數(shù)據(jù)干擾信號(hào)，使數(shù)據(jù)可用性提高。

（4）網(wǎng)絡(luò)通信層。使用Wi-Fi 或者有線網(wǎng)絡(luò)對(duì)Web 服務(wù)器進(jìn)行訪問(wèn)，并且讀取處理結(jié)果，進(jìn)而得到系統(tǒng)中的感知數(shù)據(jù)[2]。

在設(shè)計(jì)智能物聯(lián)網(wǎng)多維感知網(wǎng)絡(luò)時(shí)，通過(guò)本地感知節(jié)點(diǎn)能夠解決計(jì)算任務(wù)量大的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理的本地化，使數(shù)據(jù)中心運(yùn)算量得到降低。利用邊緣計(jì)算降低數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延，使系統(tǒng)運(yùn)算性能增強(qiáng)，提高多傳感器物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。

2 智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 射頻收發(fā)端

基于EPC Gen2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計(jì)超高頻射頻識(shí)別（radio frequency identification，RFID），實(shí)現(xiàn)閱讀器與標(biāo)簽之間進(jìn)行非接觸式的數(shù)據(jù)通信，設(shè)置工作頻率為860 MHz ～ 960 MHz，其主要由天線、射頻收發(fā)端、主控制模塊等構(gòu)成。射頻收發(fā)端包括信號(hào)放大電路、解調(diào)電路、濾波電路等，系統(tǒng)利用主控制器能夠?qū)崿F(xiàn)主控制模塊功能，包括數(shù)據(jù)處理、防碰撞算法的運(yùn)算等，還能夠?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)軟件通信[4]。

2.2 感知集成模塊

為了能夠全面感知周邊的物理量，要求集成多種類(lèi)型的傳感器。本文采用ATmega328 微控制器設(shè)計(jì)多擴(kuò)展、小體積的感知驅(qū)動(dòng)電路，具有多個(gè)模擬輸入/ 輸出（input/output，I/O）口和數(shù)字I/O 口。表1 為驅(qū)動(dòng)傳感器種類(lèi)和參數(shù)。ATmega328 微控制器能夠利用軟件模擬多線程庫(kù)調(diào)用接口，進(jìn)而對(duì)傳感器收集的數(shù)值信息進(jìn)行邊緣計(jì)算。

2.3 AS3992射頻芯片

超高頻RFID 讀寫(xiě)芯片實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)器與接收系統(tǒng)中數(shù)字與模擬功能的集成，滿足了相應(yīng)協(xié)議規(guī)定。相較于AS3991 射頻芯片，AS3992 射頻芯片接收的靈敏度比較高。AS3992 射頻芯片通過(guò)主機(jī)接口、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（digital to analog converter，DAC）和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter，ADC）設(shè)計(jì)，在配置工作寄存器后，能夠提高芯片的工作效率。

通過(guò)系統(tǒng)芯片的不同電源狀態(tài)，能夠提高系統(tǒng)工作能力，降低功耗。在工作過(guò)程中，能夠?qū)拇嫫髦颠M(jìn)行計(jì)算，芯片掉電后接收主控制器的指令后待機(jī)，查詢讀寫(xiě)范圍內(nèi)是否存在標(biāo)簽。如果有標(biāo)簽，就能夠?qū)ζ溥M(jìn)行回應(yīng)，讀寫(xiě)器能夠以指令開(kāi)展操作，工作正常。如果沒(méi)有回應(yīng)，讀寫(xiě)器就會(huì)出現(xiàn)掉電的情況。

2.4 射頻發(fā)射電路

設(shè)置AS3992 射頻芯片的差分輸出方式，在高功率模式中設(shè)置，連接扼流電感和阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，將BL3216 平衡轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閱味溯敵瞿Ｊ剑瑢?shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)的發(fā)送。利用ADS 仿真軟件創(chuàng)建匹配網(wǎng)絡(luò)的模型，在仿真過(guò)程中要充分考慮微帶連接線的長(zhǎng)度，微帶線長(zhǎng)度設(shè)置為4 mm。利用型號(hào)為T(mén)CD-13-4的定向耦合器設(shè)計(jì)隔離器，覆蓋頻帶的范圍設(shè)置為5 MHz ～ 1 000 MHz。

2.5 接口電路

設(shè)計(jì)系統(tǒng)的接口電路、上位機(jī)通信USB 接口電路和下拉電阻，利用此接口實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試，另外設(shè)置射頻收發(fā)和數(shù)字接口電路。

2.6 身份證卡設(shè)計(jì)

在對(duì)數(shù)據(jù)感知采集過(guò)程中，可以通過(guò)身份證卡信息進(jìn)行收集，其能夠收集人臉多角度信息，并且對(duì)金屬物品進(jìn)行探測(cè)。利用專(zhuān)用遠(yuǎn)距離射頻讀卡器和射頻天線讀寫(xiě)多種角度的身份證卡信息。將金屬探測(cè)的專(zhuān)用線圈安裝到感知位置中，其能夠有效改進(jìn)緩沖電路、濾波設(shè)計(jì)和整流電路，以避免在讀取過(guò)程中出現(xiàn)電磁干擾，有效解決天線讀取和探測(cè)過(guò)程中存在的問(wèn)題，利用身份證卡和金屬探測(cè)同步收集信息。在收集人臉圖像過(guò)程中，利用紅外熱成像機(jī)能夠?qū)崟r(shí)收集通行人員的體溫信息，從而解決攝像機(jī)的圖形圖像邏輯關(guān)系，使用手機(jī)天線收集同行人員信息。

2.7 無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以對(duì)GPRS 網(wǎng)絡(luò)和Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的上下行數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、封裝，并傳輸協(xié)議，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)后發(fā)送攝像頭控制命令，這對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性具有較高的要求，所以對(duì)硬件的處理、運(yùn)算、存儲(chǔ)等能力要求也較高。系統(tǒng)的控制核心可以使用S3C2440 微處理器，主要包括Zigbee 無(wú)線收發(fā)模塊。電源電壓穩(wěn)定性能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定地運(yùn)行，在數(shù)據(jù)啟動(dòng)、接收與發(fā)送的過(guò)程中，GPRS 模塊的瞬時(shí)電流較大，所以電流瞬時(shí)電流也大，這要求電壓穩(wěn)定性良好。本文網(wǎng)關(guān)的負(fù)載性能良好，并且開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的輸出電流較高，網(wǎng)關(guān)控制核心能夠轉(zhuǎn)換不同的協(xié)議，利用串口交換GPRS 模塊數(shù)據(jù)，并且提供了不同的供電模式，接收器具有較高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾性。網(wǎng)關(guān)利用無(wú)線遙控器對(duì)自身工作模式進(jìn)行設(shè)置，能夠?qū)?bào)警信號(hào)進(jìn)行接收和報(bào)警，或者能夠針對(duì)兒童、老人實(shí)現(xiàn)專(zhuān)門(mén)報(bào)警模式的設(shè)置，只需要按下系統(tǒng)按鍵就能夠發(fā)送報(bào)警信息。

3 智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 前端感知模塊

通過(guò)前端感知節(jié)點(diǎn)來(lái)檢測(cè)傳感器報(bào)警信號(hào)，并且將其發(fā)送到路由節(jié)點(diǎn)。前端感知節(jié)點(diǎn)的流程如圖2 所示。在初始化配置后使系統(tǒng)自動(dòng)休眠，觸發(fā)前端傳感器能夠?qū)C2530 模塊喚醒，從而校驗(yàn)其有效性。如果報(bào)警信息有效，就能夠?qū)⑿畔l(fā)送到路由節(jié)點(diǎn)中，之后休眠。

3.2 無(wú)線組網(wǎng)通信設(shè)計(jì)

利用PAN 協(xié)調(diào)器能夠有效管理網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，圖3為系統(tǒng)無(wú)線組網(wǎng)通信的流程。協(xié)調(diào)器設(shè)置射頻信號(hào)后啟動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將周?chē)h(huán)境信息添加到網(wǎng)絡(luò)中。利用射頻信道掃描后與協(xié)調(diào)器連接，判斷節(jié)點(diǎn)數(shù)量，如果節(jié)點(diǎn)大于1，說(shuō)明已經(jīng)成功組網(wǎng)。此過(guò)程實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)回復(fù)，反復(fù)操作以上過(guò)程直到完成組網(wǎng)。

3.3 視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控模塊能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)無(wú)線監(jiān)控的錄像，處理視頻流數(shù)據(jù)，包括無(wú)線信息集成和視頻節(jié)點(diǎn)。該模塊在無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)錄像后壓縮圖像，對(duì)視頻監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行定位，或者將視頻壓縮，使系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間減小。同時(shí)，通過(guò)離散余弦變換的算法計(jì)算視頻圖像，保證圖像的質(zhì)量，降低了圖像存儲(chǔ)的大小。

3.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道

系統(tǒng)數(shù)據(jù)報(bào)告的通道主要包括兩條：①通過(guò)使用Socket 套接字，能夠利用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送到管理平臺(tái)中，對(duì)網(wǎng)關(guān)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行讀取，然后發(fā)送到數(shù)據(jù)分析模塊中。在分析數(shù)據(jù)類(lèi)型之后，對(duì)系統(tǒng)模塊信息進(jìn)行處理。②在互聯(lián)網(wǎng)交互模塊中發(fā)送數(shù)據(jù)，利用IP 路由感知網(wǎng)絡(luò)。

將感知網(wǎng)絡(luò)管理模塊應(yīng)用到平臺(tái)中，生成感知網(wǎng)絡(luò)命令代碼，在網(wǎng)關(guān)配置模塊中實(shí)現(xiàn)文件信息的寫(xiě)入。利用Socket 客戶端模塊將處理的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至服務(wù)器模塊中。如果對(duì)WSN 命令代碼進(jìn)行接收，就可以使用WSN 端生成命令數(shù)據(jù)包，利用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)命令轉(zhuǎn)變內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，并且將其發(fā)送到內(nèi)部路由模塊中。

通過(guò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道還能夠?qū)W(wǎng)關(guān)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并且將指令發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，如請(qǐng)求網(wǎng)關(guān)配置信息、日志信息、打開(kāi)或關(guān)閉目標(biāo)節(jié)點(diǎn)等，從而顯示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浔怼?/p>

3 實(shí)驗(yàn)分析

在某實(shí)驗(yàn)室中開(kāi)展測(cè)試，系統(tǒng)使用Simulink 線性狀態(tài)空間創(chuàng)建動(dòng)態(tài)化集成環(huán)境，以分析本文系統(tǒng)的有效性。在MATLAB 軟件中輸入仿真模型，利用系統(tǒng)能夠有效控制大棚的溫度，并且通過(guò)控制矩陣將溫度的控制方案進(jìn)行展示。將設(shè)備連續(xù)運(yùn)行48 h，感知系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。測(cè)試結(jié)果顯示，系統(tǒng)能夠?qū)χ苓叾辔锢砹窟M(jìn)行測(cè)試，并且運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定、可靠，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)需求。

另外，針對(duì)系統(tǒng)開(kāi)展時(shí)延測(cè)試，系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性。相較于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)云端處理物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)本地處理和邊緣計(jì)算能夠提供智能物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備低時(shí)延的解決對(duì)策。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性良好，并且具有較高的集成度，使系統(tǒng)的功耗和復(fù)雜度得到降低。測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)性能良好，在實(shí)際工業(yè)中應(yīng)用能夠提高結(jié)果可信度，并且控制效果良好。在RFID 技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，物聯(lián)網(wǎng)也在持續(xù)發(fā)展，這對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等方面影響深遠(yuǎn)。