大型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中智能嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田建立　李立

摘 要： 當(dāng)前智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于尺寸較大，導(dǎo)致生產(chǎn)成本過(guò)高，且安裝維護(hù)非常復(fù)雜。為此，針對(duì)大型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，設(shè)計(jì)一種智能嵌入式監(jiān)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)對(duì)大型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行異常檢測(cè)，當(dāng)傳感器向處理器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)值高于報(bào)警閾值時(shí)，處理器將利用LCD液晶屏對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示，發(fā)出蜂鳴報(bào)警，把高于閾值的數(shù)據(jù)保存至嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中。詳細(xì)介紹S3C2440處理器、RS 232串口、蜂鳴器、SD卡、NAND FLASH存儲(chǔ)器和傳感器的硬件結(jié)構(gòu)。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，給出系統(tǒng)的程序開發(fā)流程和建立Qt/Embedded項(xiàng)目文件的詳細(xì)代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)不僅監(jiān)測(cè)精度高，且實(shí)時(shí)性強(qiáng)，整體性能優(yōu)越。

關(guān)鍵詞： 大型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備； 智能嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)； Qt/Embedded； S3C2440處理器

中圖分類號(hào)： TN926?34； TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把傳感器、控制器、機(jī)器、人員和物等通過(guò)新的方式聯(lián)系在一起，形成人與物、物與物相聯(lián)，實(shí)現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)[1?3]。大型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備涉及的數(shù)據(jù)量較多，易受到惡意節(jié)點(diǎn)入侵，因此，需設(shè)計(jì)一種有效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以保證大型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全性[4?6]。

目前，有關(guān)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究有很多，相關(guān)研究也取得了一定的成果。文獻(xiàn)[7]提出一種模擬信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括攝像機(jī)、監(jiān)視器、視頻矩陣等，以模擬信號(hào)的形式對(duì)圖像信息進(jìn)行輸送，通常應(yīng)用于小區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)；但該系統(tǒng)受到傳輸距離的限制，不能入網(wǎng)，監(jiān)測(cè)方式過(guò)于單一。文獻(xiàn)[8]提出一種基于PC的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在監(jiān)控終端安裝若干個(gè)攝像機(jī)和視頻采集設(shè)備，通過(guò)視頻壓縮卡對(duì)采集到的圖像信息進(jìn)行處理后，傳輸至監(jiān)測(cè)中心；該系統(tǒng)功能較多，適用于現(xiàn)場(chǎng)操作，然而其穩(wěn)定性較低，視頻前端較為復(fù)雜，可靠性不高。文獻(xiàn)[9]分析了一種閾值監(jiān)測(cè)方法，將隨機(jī)采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)作為基本單位完成對(duì)事件的監(jiān)測(cè)，依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系對(duì)容錯(cuò)進(jìn)行檢測(cè)，避免錯(cuò)誤數(shù)據(jù)產(chǎn)生的負(fù)面影響；但該方法需要監(jiān)測(cè)對(duì)象的先驗(yàn)知識(shí)，且無(wú)法根據(jù)實(shí)際情況自適應(yīng)調(diào)整檢測(cè)狀態(tài)。針對(duì)上述方法的弊端，設(shè)計(jì)了一種智能嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，詳細(xì)介紹了S3C2440處理器、RS 232串口、蜂鳴器、SD卡、NAND FLASH存儲(chǔ)器和傳感器的硬件結(jié)構(gòu)。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，給出了系統(tǒng)的程序開發(fā)流程和建立Qt/Embedded項(xiàng)目文件的詳細(xì)代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體性能優(yōu)越。

1 智能嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將S3C2440處理器作為核心控制器，在嵌入式平臺(tái)上，依據(jù)傳感器采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)大型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的異常進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)傳感器向處理器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)值高于報(bào)警閾值時(shí)，處理器將利用LCD液晶屏對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示，同時(shí)發(fā)出蜂鳴報(bào)警，把高于閾值的數(shù)據(jù)保存至嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 S3C2440處理器設(shè)計(jì)

S3C2440處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，系統(tǒng)主要通過(guò)S3C2440處理器對(duì)大型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、顯示與處理，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shè)備接口充分，能夠使系統(tǒng)能耗達(dá)到最低。S3C2440處理器外擴(kuò)FLASH和64 MB存儲(chǔ)芯片，通過(guò)I/O接口擴(kuò)展LCD屏、蜂鳴器和存儲(chǔ)卡等設(shè)備，和JNS121模塊共同完成無(wú)線通信。

2.2 RS 232串口設(shè)計(jì)

為了提供一個(gè)良好的硬件平臺(tái)，本文選用由三星公司提供的YC2440開發(fā)板。通過(guò)YC2440開發(fā)板的擴(kuò)展串口，利用S3C2440處理器的內(nèi)部寄存器與UART接口有效實(shí)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(dá)到3.3 V。為了使RS 232串口實(shí)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換電路的添加。

2.3 蜂鳴器硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用YC2440開發(fā)板上的蜂鳴器進(jìn)行蜂鳴報(bào)警，蜂鳴器電路如圖4所示。

當(dāng)傳感器向處理器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)值高于報(bào)警閾值時(shí)，蜂鳴器被開啟，通過(guò)BUZZER發(fā)出各種頻率的聲音，實(shí)現(xiàn)蜂鳴器報(bào)警。

2.4 SD卡電路設(shè)計(jì)

S3C2440處理器帶有一個(gè)SD主機(jī)控制器，其兼容了SD協(xié)會(huì)（SDA）的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，能夠?qū)⑼獠看鎯?chǔ)設(shè)備直接和主機(jī)相連。SD卡電路圖如圖5所示。

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

2.5 存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的大型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中智能嵌入式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)部存儲(chǔ)器選用FLASH存儲(chǔ)器。FLASH主要用于對(duì)操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序進(jìn)行保存，包括NAND FLASH與NOR FLASH兩種。NAND FLASH不僅存儲(chǔ)空間大，且所需費(fèi)用較低，所以本系統(tǒng)選用K9F2G08U0A型號(hào)的NAND FLASH芯片，其電路圖如圖6所示。

K9F2G08U0A的存儲(chǔ)容量是2 GB，能夠滿足系統(tǒng)要求，存儲(chǔ)功能主要通過(guò)K9F2G08芯片實(shí)現(xiàn)。存儲(chǔ)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(duì)大型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的數(shù)據(jù)進(jìn)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(qiáng)，成本較低。將傳感器無(wú)縫耦合至一個(gè) 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(duì)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(duì)SHT11進(jìn)行管理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序開發(fā)流程

Qt是一種依據(jù)C++的跨平臺(tái)GUI系統(tǒng)，可為用戶提供建立圖形界面的強(qiáng)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(duì)其程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的程序開發(fā)流程如圖8所示。

3.2 建立Qt/Embedded項(xiàng)目文件代碼設(shè)計(jì)

分析上述系統(tǒng)程序開發(fā)流程可知，建立Qt/Embedded項(xiàng)目文件代碼是整個(gè)軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和核心，因此，對(duì)其實(shí)現(xiàn)代碼進(jìn)行設(shè)計(jì)：

#contain

kindQShoveKeypad：

//設(shè)置界面設(shè)計(jì)中涉及的按鈕

kindQWordingChrome；

//編譯框

kindfirst：commonQwidget

//利用QWidget構(gòu)建基礎(chǔ)類

Common：

QShoveKeypad*my?undo??deviee：

QWordingChrome*my??wording??export；

publieslots：

//設(shè)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(duì)象

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

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

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

SLOT（ my_undoD（）））；

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有效性，需要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)將模擬信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為對(duì)比，在表1描述的環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表1 測(cè)試環(huán)境

PC機(jī)配置如下：Window 8.0，CPU為Intel Pentium Dual Core。

4.2 監(jiān)測(cè)精度測(cè)試

分別采用本文系統(tǒng)與模擬信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)大型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)，對(duì)兩種系統(tǒng)的查全率與查準(zhǔn)率進(jìn)行比較，結(jié)果如表2所示。

表2 兩種系統(tǒng)查全率與查準(zhǔn)率比較結(jié)果 %

分析表2可知，隨著監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量的逐漸增加，本文系統(tǒng)和模擬信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的查全率與查準(zhǔn)率均逐漸降低，但和模擬信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)的查全率與查準(zhǔn)率下降幅度較小，說(shuō)明本文系統(tǒng)具有更高的監(jiān)測(cè)精度。

4.3 監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性測(cè)試

為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性，對(duì)本文系統(tǒng)與模擬信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最大響應(yīng)時(shí)間和最小輸出延遲時(shí)間進(jìn)行比較分析，結(jié)果如表3所示。分析表3可知，和模擬信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)的最大響應(yīng)時(shí)間與最小輸出延時(shí)均較優(yōu)，說(shuō)明本文系統(tǒng)不僅監(jiān)測(cè)精度高，而且實(shí)時(shí)性較強(qiáng)。

表3 兩種系統(tǒng)實(shí)時(shí)性比較結(jié)果 s

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性，對(duì)本文系統(tǒng)和模擬信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，結(jié)果如表4所示。

表4 兩種系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)比較結(jié)果

分析表4可知，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)量相同時(shí)，本文系統(tǒng)的CPU使用率、服務(wù)器響應(yīng)時(shí)間、磁盤使用率和服務(wù)器響應(yīng)均明顯優(yōu)于模擬信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的有效性。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種智能嵌入式監(jiān)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)對(duì)大型物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行異常檢測(cè)，當(dāng)傳感器向處理器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)值高于報(bào)警閾值時(shí)，處理器將利用LCD液晶屏對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示，發(fā)出蜂鳴報(bào)警，把高于閾值的數(shù)據(jù)保存至嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)中。詳細(xì)介紹了S3C2440處理器、RS 232串口、蜂鳴器、SD卡、NAND FLASH存儲(chǔ)器和傳感器的硬件結(jié)構(gòu)。軟件設(shè)計(jì)時(shí)，給出了系統(tǒng)的程序開發(fā)流程和建立Qt/Embedded項(xiàng)目文件的詳細(xì)代碼。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)不僅監(jiān)測(cè)精度高，且實(shí)時(shí)性強(qiáng)，整體性能優(yōu)越。

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