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嵌入式物联网数据采集系统设计开发

添加时间:2018/10/25 所属栏目:毕业设计论文
本文主要针对基于Linux的嵌入式物联网数据采集系统进行了设计与实现。论文首先从物联网神经末梢通用的功能需求分析出发,在现有嵌入式系统的组成、特点和核屯技术基础之上,同时对相关物联网体系架构、关键技术、典型应用进行深入研究之后,选定了符合所需的硬件
  以下为本篇论文正文:

摘要

  随着嵌入式技术的进一步发展,融合物联网技术的嵌入式是未来发展的趋势。物联网体系中将感知层的信息采集作为基础,通过网络层实现信息的传输,最后由应用层进行统一的管理。本课题从感知信息出发,利用嵌入式系统进行信息采集,通过3G网络进行数据传输,并由远程应用服务中必进行统一的监控。

  本文基于嵌入式技术与无线移动通信技术实现了物联网数据采集系统的开发,主要研究内容有:

  (1)设计了物联网数据采集系统的总体架构,系统由感知终端和应用服务中也构成。感知终端选用S3C2440开发板作为核也,进行远程信息采集,通过3G网络传输数据;应用服务中必采用VC++6.0作为软件开发环境,实现对感知终端的远程管理与数据分析。

  (2)对感知终端进行了软硬件设计。运用ARM9、传感器、摄像头、3G无线上网卡等实现终端硬件平台搭建。同时进行数据采集软件的设计,自定义了感知终端和应用服务中也的通信协议,设计了传感器驱动程序与应用程序,深入研究了 H.264编码、motion运动检测和OpenSSL算法后设计了视频监控与远程安全升级程序。

  (3)通过VC++6.0开发应用服务中屯、的数据管理软件,并选用SQL Server 2012作为数据库管理系统。深入研究了线程池、数据处理变换算法W及数据库访问技术,设计了网络通讯程序、数据处理及显示程序、用户信息管理程序等。

  通过对系统的测试,验证了系统的可行性,其可广泛应用于家庭、医疗、工厂等领域,具有巨大的实用价值和广阔前景。

  关键词:物联网,感知终端,S3C2440,3G,嵌入式,传感器

Abstract

  With the further development of embedded 1;echnology,the integration of the Internt ofThings(IoT) 1:echnology and embedded 1;echnology is the future development trend. In the loTsyst:em,the inion colledion of the sensing layer is used as 也e basis,and theinion is transmitted by the Iransmission layer. Finally,the unified management iscarried out by the application layer. So this paper takes advarUage of the embedded system tocollect the inion, realizes the data transmission through the 3G network, and achievethe unined monkoring by the corresponding remo1:e application server.

  In this paper,based on embedded l:echnology and wireless communicationkchnology,achieve the development of data acquisition system.The main research contentsof the thesis are as follows:

  (1)Expounding the overall structure of loT data acquisition system, the syst;em mainlyconsists of two parts-the sensing terminal and application service center. S3C2440development board is adopkd as the core of the sensing terminal,to realize the inionacquisition,and through the 3G network to Ixansmission data; software in upper computer isdesigned with VC++6.0, the main function is to the remo1:e management and data analysis ofthe sensing 1:erminal.

  (2)Design the hardware and software of the sensing 1:erminal. Build hardware platformwith ARM9, sensor,camera,3 G wireless data terminal and so on,and design of dataacquisition software. Communication protocol between sensing terminal and applicationservice center is user-defined, and the sensor driver and the application program are designed.

  After in-depth study of the H.264 encoding, motion detection and OpenSSL algorithm, thevideo surveillance and remo1;e security upgrade program is designed.

  (3)Develop 1:he application service center data management software by the VC++6.0,and use SQL Server 2012 as the database management system. Some deep research aboutthread pool,data processing and txansion algorithm and database access 1;echnology aredone. The network communication programs, data processing and display program and theuser inion management program are desined.

  Through the testing of the system, the feasibility of the system has been verified, whichcan be widely used in the field of family, medical treatment, factory and so on. It has greatpractical value and broad prospects.

  Key word: Internet of Things,Sensing 1;erminal,S3C2440, 3G,Embedded Linux,Sensor

  物联网是继个人PC、网络之后信息技术的第王次产业浪潮,它将传统的基础设施与高度发达的信息网络进行了整合。根据世界移动通信协会的统计预测;预估到2020年时,全世界的联网设备数量将会有244.5亿件,而涉及到的市场份额也会升到1.2万亿美元以。物联网的高速推进以及嵌入式技术的普适运用,为实现系统智能化营造了良好的发展环境。而且随着众多领域广泛的采用智能化的嵌入式设备,使得其在物联网领域中得到了良好的成长。智能化的嵌入式设备可以按照实际的用途对嵌入式系统进行定制,同时仍可以保证设备的稳定性、功耗以及成本等众多外在考量。智能化的嵌入式系统和传统的流水线型的单片机的区别在于其可以同时运行多进程,多线程和更高级的操作系统,因此可以用来解决丰富的实际问题。而且随着物联网节点数量的不断増加,今年连接节点的数量就将达到近10亿,因此众多的嵌入式设备要迫切的连接到物联网中来增强其实用性和功能性P1。与此同时,以人为枢纽的普适计算技术正在积极地推动下-次的科技突破,这意味着,智能嵌入式设备将会存在于我们生活的方方面面,为人民生活提供更加友善的服务。面对物联网的高度飘合、普适计算的积极应用而产生的机遇,将助力嵌入式应用技术向纵深进一步地发展,孕育出更多新颖的嵌入式应用技术。

  目前,物联网的广泛普及己经融汇到了人们日常生产生活的各个层面。从结构分层的方向看,物联网可表示为:全面感知的感知层、可靠传输的网络层和智能处理的应用层组成的3层架构。各种新兴的传感技术如监控摄像头、人脸识别技术、全球定位系统等构成了物联网的神经末梢。但是,在传感器件上最为突出的是缺乏有效的合作,缺乏统领者,标准不统一,整合困难,行业间的安全因素限制,所以在一些需要采集多种信息的工作场合我们显得有些一筹莫展。为了传感信息、图片、视频等需求的数据进行统一的处理和传输,需要一个智能化的终端平台,进行统一的控制、处理、传输采集到的信息。因为嵌入式系统具有智能度高、可携带性强以及数字性优越等特点,正被大量地应用到物联网的相关信息采集系统中以。众多周知,嵌入式Linux操作系统拥有很多支持的互联网软件以及强大的Net以ork功能以。不仅如此,在网络安全方面,Linux操作系统运用了多种安全保障如核也授权、审计跟踪等技术措施来为网络用户提供安全的网络环境综上所述,伴随着物联网与互联网+的深度融合与快速推进,智能嵌入式设备在智能远程医疗、交通、家庭等领域都展示了其特有的长处以。本文正是将嵌入式Linux操作系统和ARM9处理器相融合,实现了一个整合图像、视频、温湿度传感器、PM2.5粉尘传感器,远程安全升级等模块的物联网信息采集系统,并且采用现在纯熟的3G网络将各终端数据传输到应用服务中必的服务器系统,进行远端实时在线监控,将感知终端传输回来的数据进行解析、处理和显示。因此,无论从学术层面、技术层面或价值层面考量,还是人们对未来美好生活的向往以,设计一个基于Linux的嵌入式物联网数据乂集系统都是很富有意义的。

  近年来,随着移动支付、车联网、物品安全追踪、粮食物流等物联网领域的新兴发展,全球物联网应用已然进入了实质性实用阶段。随着物联网的兴起,政府规划层面、科研发展和产业升级等层面的基础性跨学科交织领域的前沿技术,都在被世界很多国家积极推进。美国、韩国、日本和欧洲的一些信息技术前沿国家和组织都在积极的制订着各自与互联网相关的策略性发展纲要tlD’以。国内外学者前期已经展开了物联网有关项目的研究如:城市管理、物流供应链、智能电网等,而且收获了不错的研究成效。从产业发展上看,物联网的众多关键性技术,如微电子,传感,通信网等,都拥有了很好的产业基础。以传感器技术和RFID技术为代表的感知技术是目前发达国家重点发展的核必技术,而且美国在世界上率先开展传感器巧络,RFID,纳米技术等物联网相关技术研究£121,且RFID技术已步入成熟发展期。"智慧地球"概念最初是国际商业机器公司创造性提出的,2009年刚担任美国总统的奥己马就对此做出了热烈的响应,将物联网作为一项战略性新兴技术,整合到了城市管理、智能交通,智能家居和智慧医疗与安养等经济刺激项目中。国际商业机器公司推出的"智慧地球"计划在美国取得了很好的成效,随之在世界各国迅速推广。而在2009年6月欧盟委员会发布物联网发展规划,且在第屯科技框架计划下的移动通讯技术、Heal出y、Traffic等多个项目中进行物联网有关研究规划,意义在于保持欧盟在物联网前沿领域的领导力。同时期包括日本的"I-Japan"和韩国"U-Korea"战略规划等。我国也非常重视物联网的发展,积极推进物联网的发展与应用,逐渐形成了以政府为主导的公共安全领域、以具体应用为区域的功能性应用和以个人生活为应用等H大种类以。2015年7月国务院发布的《关于积极推进"互联网+"行动的指导意见》,包括了顶层设计,标准研发,商业模式,政府扶持等方面。工信部则通过组织产业目录编制以及制定专项规划等工作,进一步带动发展相关重要领域。与此同时,以物联网智能制造"工业4.0"为蓝本而制定的"中国制造2025"计划己经成为我国今后十年的产业发展战略。通过政府以及相关部口的合作努力,使得我国的物联网呈现出产业链完整、市场规模大、技术研发成熟等众多优势;为进一步的高速发展打下了良好的基石。

  近年来,物联网产业的发展迅猛,己然成为当前世界新一轮经济和科技发展的战略制高点;主要集中表现在以下四个层面:一是智能设备,如智能电视、智能空调、智能冰箱等涵盖了传统电器厂商,以及一些互联网企业、初创公司;二是控制中必,如阿里推出的阿里小智,集成诸多APP; H是生态体系,当前出现的主要模式是智能模块+控制中屯、+云服务,如小米、海尔、阿里、腾讯、百度等;四是操作系统,目前推向物巧网操作系统的有阿里YunOS、腾讯的TOS、3600S等。随着物体进入半智能化甚至全智能化的全球化应用;人、物、服务网络的进一步深度融合;物联网对制造、运营、应用等相关产业链的带动作用愈发突出。与此同时伴随着物联网产业标准的进一步升级与完善,物联网将向集群化、协作化等方向延伸,进一步加强产业合作,加快物联网在相关行业和领域的渗透与融合;进一步构建自主创新体系,提升产业核必竞争力;同时充分发挥市场优势,培育和壮大物联网产业,形成全方位一体化的全球物联网架构体系。物联网也会不仅仅局限于简单的物体感知,收集环境信息;从而成为名副其实的物联网t以,形成一个泛在的覆盖万事万物的网络。

  随着物联网在安防、交通、医疗等与人民生活密切相关的各个领域的进一步应用,对21世纪世界人民的生产生活产生了深刻的变革。助推健康、环保、和谐发展的经济社会新篇章tA以。畅想物联网的美好未来,可以发现民众生活、城市管理和行业专业是未来物联网应用的3大领域。

  在民众生活方面,物联网主要从家庭和城市两方面为人类提供智慧的生活方式。家庭层面的智慧生活是通过语音、姿态识别技术实现家电的智能控制功能,家居设备可以根据环境信息进行主动性和适应性调节;感知设备通过技术识别人的行为,判断人的位置从而触发智能化的服务城市层面的智慧生活是围绕人们的日常的生活、工作、休息和娱乐等环节,合理调度电力、供水、通信、交通等资源,为人们提供全方位舒适的服务。物联网将是建设中国特色小康狂会的核也基石。物联网的迅速应用可以很好地增强政府的管理能力,如:public service、social development、city management 等;从而促进社会公共服务的立体化、深度化;人民生活的智慧化、便利化;不断推动人与自然的和谐、健康发展。

  在城市管理方面,物联网从企业、交通、通信、供水、电力、市政管理等城市重要组成部分入手,为未来城市提供智能的系统解决方案和管理平台。采用新的计算模式和分析手段,将分布于城市中各个角落的监控系统传回的数据转化为智能决策的依据,帮助管理者更好地了解城市内发生的状况,并且采取更有效的行动。物联网应用于城市管理有助于制定城市的长期战略和短期目标,改善市民体验和生活效率,优化城市的服务和运作。

  在行业专业方面,基于物联网技术和系统的典型应用包括国防军事、智能家居、环境保护、公共安全等,高度智能化、集成化、泛在化的物联网系统,将为各种行业带来新的发展基于,从而推动整个人类社会生产力的全面提升。

PPP协商过程打印信息示意图
PPP协商过程打印信息示意图

拨号成功终端打印信息示意图
拨号成功终端打印信息示意图

PM2.5数据采集测试图
PM2.5数据采集测试图

数据终端管理系统登陆界面
数据终端管理系统登陆界面

系统主界面
系统主界面

用户信息管理界面
用户信息管理界面

最新感知终端信息界面
最新感知终端信息界面

PM2.5整点曲线图
PM2.5整点曲线图

监控系统界面
监控系统界面

目录

  摘 要
  Abstract
  1 绪论
    1.1 课题的研究背景与意义
    1.2 国内外发展现状及趋势
    1.3 论文的主要内容
  2 物联网数据采集系统总体方案设计
    2.1 系统设计目标及功能需求分析
    2.2 系统总体方案设计
      2.2.1 现场信息采集感知终端
      2.2.2 3G 网络
      2.2.3 物联网应用服务中必
    2.3 本章小结
  3 物联网数据采集系统平台搭建
    3.1 物联网感知终端硬件平台搭建
      3.1.1 嵌入式核也板
      3.1.2 传感器设备
      3.1.3 图像采集设备
      3.1.4 3G无线传输设备
    3.2 物联网数据采集终端软件平台搭建
      3.2.1 搭建交叉编译环境
      3.2.2 系统引导代码My-Boot的编写设计
      3.2.3 Linux内核的移植
      3.2.4 Linux根文件系统移植
    3.3 应用服务中必软件平台搭建
    3.4 本章小结
  4 物联网感知终端软件设计
    4.1 实现3G拨号上网
    4.2 无线网络传输数据协议
      4.2.1 网络传输通信协议
      4.2.2 数据传输通信命令的设计
    4.3 智能传感器模块设计
      4.3.1 传感器驱动程序设计
      4.3.2 传感器采集应用程序设计
    4.4 智能视频监控模块设计
      4.4.1 实时视频监控程序设计
      4.4.2 智能物体动态监测程序设计
    4.5 智能远程在线安全升级模块设计
      4.5.1 安全策略设计
      4.5.2 远程升级软件设计
    4.6 本章小结
  5 物联网应用服务中也软件设计
    5.1 应用服务中也需求分析与方案设计
    5.2 登录模块程序设计
    5.3 数据库管理模块设计
      5.3.1 ADO数据库链接
      5.3.2 数据库表单设计
    5.4 网络通讯模块设计
      5.4.1 实时任务程序设计
      5.4.2 远程数据传输程序设计
    5.5 显示模块设计
      5.5.1 视频数据解码的实现
      5.5.2 视频显示的实现
    5.6 用户信息管理模块设计
    5.7 本章小结
  6 系统测试与分析
    6.1 用户登录测试与分析
    6.2 智能传感测试与分析
    6.3 智能视频监控测试与分析
    6.4 智能远程在线安全升级测试与分析
    6.5 本章小结
  7 总结与展望
  致 谢
  参考文献

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