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摘 要：针对基于太阳能的智慧多功能树对多源传感器输出的异构数据实时稳定处理需求,设计了一种由支持 ZigBee 的 CC2530 芯片运行的嵌入式数据采集与整合处理模块,模块基于边缘算法、结合物联网平台,能够实时将智慧树检测到的模拟、 数字、串口等数据进行采集并处理,针对多串口数据采集设计了一种基于流程标识的通讯过程。最后介绍了边缘计算及策略在 嵌入式系统中的实现。
关键词：太阳能智慧树,物联网,多源传感器,数据采集,边缘计算
Data Acquisition and Processing of Multi-source Sensor Based on Solar Smart Tree
ZHOU Nanxu, GONG Jiani, LV Yongwang, LIU Tianfei, ZHU Yuancai, LIU Liaoyuan
(School of Information and Electrical Engineering, Jiangsu Vocational and Technical College of Architecture, XuzhouJiangsu 221116)
【Abstract】： Aiming at the real-time and stable processing requirements of heterogeneous data output from multi-source sensors by smart multi-function tree based on solar energy, an embedded data acquisition and integration processing module running on CC2530 chip supporting ZigBee is designed. The module is based on edge algorithm and combined with Internet of Things platform, which can realize the real-time processing of analog, digital, serial and other data are collected and processed. For multi serial port data acquisition, a communication process based on process identification is designed. Finally, the implementation of edge computing and strategy in embedded system is introduced.
【Key words】： solar smart tree;Internet of Things;multi source sensor;data acquisition;edge calculation
0 引言
国家在“第十四个五年规划和 2035 年远景目标纲 要”中明确提出“分级分类推进新型智慧城市建设,将 物联网感知设施、通信系统等纳入公共基础设施统一规 划建设,推进市政公用设施、建筑等物联网应用和智 能化改造 [1]。完善城市信息模型平台和运行管理服务平 台,构建城市数据资源体系,推进城市数据大脑建设”, 响应智慧城市需求的产品之一智慧城市多功能一体杆随 之开始研发并广泛应用。笔者团队基于太阳能电源实现 的智慧树,就是智慧城市多功能一体杆的一种,该产品 作为绿色景观的补充以及公共安全设备,以精心仿真设计的大树框架为载体,外观上与真树几乎无差别,安装 太阳能或风力发电实现能量自持,无须外供电,同时可 提供环境感知调光路灯、紧急一键报警、USB 充电、视 频监视、人体检测、环境多参数检测等功能,同时通过 视频人工智能算法,实现人脸识别、水灾火灾等灾害识 别、行人行为不当识别、目标追踪等功能。
要实现多功能一体,涉及到多源传感器,且测量 数据异构复杂,基于嵌入式系统的处理过程也因此变得 复杂。
本文提出了一种基于嵌入式系统开发的智慧树多源 传感器异构数据处理采集与软件流程设计,能够有效解决多源传感器众多接口统一及数据处理中采集实时性和 准确性问题,同时在数据处理环境中加入了物联网的边 缘计算算法设计和策略设计,已成功在实现的智慧树产 品中得到应用。
1 数据源接口解析
智慧树的数据源来自多源传感器,同时系统还需处 理控制输出,传感器与执行机构均与嵌入式系统交互, 这些信号总结如表 1 所示。
多棵智慧景观树还能够通过物联网技术连接在一 起,实现了树树联动。
以上多源数据中,除视频监视直接通过物联网关的 网络接口上云外,均通过现地嵌入式系统实现数据采集 与上传至物联网关后再上云。
现地嵌入式系统与智能物联网关配合,首先实现对 传感器数据的输入处理,包括全部对数据源的数据采 集、过滤、清洗、边缘计算处理、指令测控,还包括云 端的数据记录和回放。其次在运行过程中,嵌入式系统 的软件还将能够自动判断传感器、执行机构等的接口状 态、数据类型等,并能在出现故障时设置相应的标志。 最后,通过物联网平台的策略设置,实现数据定期计划 任务、条件激发任务、告警任务等处理 [3]。
2 采集硬件系统设计
视频数据实时性最高,因其直接通过以太网接入物 联网关并进一步上传到视频云保存备用,其通讯相对独立,本文对这部分不再赘述。
人体检测和一键报警处理, 实时性最高, 其他部分 也因即时检测需求导致数据量大,对可靠性要求也较 高,因此在接入时基本按照能不共用就不共用的原则, 尽可能让每一信号拥有独立输入通道。
对于采用 RS485 接口且使用标准 ModBus 协议 [4] 的输入,均共用到 1 个 RS485 接口,其分时采集处理 流程将在软件中处理。使用 RS232 的硬件,因 RS232 无法共用,只能接入独立的硬件通道,实现数据采集。
因智慧树选用了 ZigBee 组网方式,因此嵌入式系 统的运行载体选用了 TI 公司的 ZigBee 芯片 CC2530. 该芯片数字与模拟 IO 口丰富,完全满足系统硬件处理 需求。
智能物联网关在整个系统中,起着连接终端和云端 作用,是非常重要的一个环节。本产品选用了国产海为 XBox 作用智能物联网关,物联网采用厂家配套。
海为云盒 XBox 是一款带有开关点的物联网终端, 可通过手机 App 与云网站轻松管理。能够运行于可运 行嵌入式系统软件即海为组态工程的工业自动化监控管 理设备,也可与各种工业控制设备进行通信,汇集数据 上传至云端对数据进一步应用。
3 软件架构设计与重点算法实现
3.1 嵌入式系统软件架构与处理
嵌入式系统软件框架基于TI 为 CC2530 开发的ZigBee 协议栈 [5] 开发,通过扩展出需要的功能实现产品软件。 ZigBee 的协议分为两部分,IEEE 802.15.4 定义了 PHY ( 物理层)和 MAC( 介质访问层)技术规范 ;ZigBee 联 盟定义了 NWK( 网络层 )、APS( 应用程序支持子层 )、 APL(应用层)技术规范。ZigBee 协议栈就是将各个 层定义的协议都集合在一直以函数的形式实现,并给用 户提供 API( 应用层 ),用户可以直接调用。
本产品的 RS485 接口(使用标准 ModBus 协议) 下有多个传感器共用,串口的通讯分收发二个过程,如 图 1 所示,设定采集的顺序是风速风向—太阳能充电管 理器—蓄电池管理板,那么其数据采集的通讯过程的时 序可如图 2 所示。
在这个采集时序中,ti1、ti2、ti3、ti4……等空闲 时间的长短是不一样的,其中 ti1、ti3 取决于嵌入式系 统主循环运行到数据采集命令发出的时间,而 ti2、ti4 等则取决于终端(传感器)接收到取数命令后组织数据 并发出数据的那一刻。这些空闲时间长短的不确定性, 使得系统在采集数据时无法用循环等待来进行。
为了更好地利用 MCU 运行效率,结合 ZigBee 协 议栈软件的特点,本文设计了一种高效软件流程来解决 这一问题。具体描述如图 3 所示。
流程中,用一个变量 pOper 的值来表示所处的不 同阶段,如图 3.当该值为 0 时,表示当时处在发出采 集风速风向数据的命令包阶段, 而命令改善后, pOper 的值也增 1 变成 1.到下一循环进入时,经过 1 个主程 序循环等待(一般为定时器中断,为确保通讯正常,在 9600 波特率下,可以设置为定时 20ms 中断),正常通 信的数据会就绪,并可以接收数据并处理,而接收数 据后的 pOper 又会增 1 变成 2.并在下一循环来时进 入下一个数据采集过程。直到所有数据采集完, pOper 值清零,重回所有数据采集的开始阶段。由此看出, pOper 相当于处理的指针,偶数时表示某设备通讯的 数据采集命令发出阶段,奇数时则表示该设备的数据接 收并处理阶段。整个流程清晰、明确,且不浪费主流程 的循环时间。
同时在各数据就绪为否的情况下,如果增加为否的 次数计数,且在计数超过一定数值时认为通信异常,则 可以终止该设备的数据采集,以避免重复循环,同时可 以动态研判设备的通讯状态。读者可自行完成此项功能 的实现。
3.2 边缘算法及策略设计
智慧树中用到了多处边缘算法来简化传感器数据采 集处理,同时设计了多个合理策略,来使现场的条件化 响应实现自动化。
边缘算法,是指在靠近物或数据源头的一侧, 采用 网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台, 就近提供最近端服务。其应用程序在边缘侧发起,产 生更快的网络服务响应,满足行业在实时业务、应用智 能、安全与隐私保护等方面的基本需求。“策略”就是 为了实现某一个目标,首先根据可能出现的问题制定若 干对应的方案,并且,在实现目标的过程中,根据形势 的发展和变化来制定出新的方案,或者根据形势的发展 和变化来选择相应的方案,最终实现目标。
这里以风速风向数据转换边缘算法和风速超限报警 策略为例来简单介绍边缘算法和策略在本产品中的应用。
风速风向传感器读取到当前的风速风向时,对当前 检测到的值进行边缘算法,使其转换为直接的风速风向。
例如 ：读取变送器设备(地址 0x01) 的风速和风 向实时值。
4 结语
本文所介绍的技术,已经在研发的智慧树样机上全 功能试运行了 3 个多月,数据采集稳定,各项功能运行 正常。尤其是对串口共用通道的多源传感数据采集,结 合了边缘算法,能够实时、可靠实现数据采集和处理, 快速的策略响应也赋予了智慧树的智慧执行能力,整体 监测、控制效率非常高。综上所述,本文介绍的基于物 联网的多源传感器异构数据采集及控制输出办法,是值 得同类测控系统借鉴、采用的。
参考文献
[1] 宫月月,袁明波,喻德奇.电子信息技术在物联网中的应用研 究[J].中国管理信息化,2022.25(2):202-204.
[2] 艾博,许向阳,贾月明.基于Modbus RTU协议的数据采集平 台设计与实现[J].电子工业专用设备,2021.50(5):46-49.
[3] 童华炜.基于群体智能的物联网任务调度方法研究[D].南京: 南京邮电大学,2021.
[4] 白东东.基于STM32的Modbus数据转换器的系统设计[J]. 工业控制计算机,2021.34(11):9-11.
[5] 何智勇,徐丽萍.基于Z-Stack的ZigBee协议栈组网过程研究 [J].南京工业职业技术学院学报,2018.18(1):1-3.
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