一種通用型糧庫智能終端產(chǎn)品設(shè)計

丁文杰

（中科怡海高新技術(shù)發(fā)展江蘇股份公司運維與質(zhì)量部，江蘇無錫，214024）

一種通用型糧庫智能終端產(chǎn)品設(shè)計

丁文杰

（中科怡海高新技術(shù)發(fā)展江蘇股份公司運維與質(zhì)量部，江蘇無錫，214024）

糧庫信息化領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)終端用途各異，但都沒有成型化、系統(tǒng)化、模塊化的通用型產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計。本文提出了一種糧庫智能終端產(chǎn)品，通過嵌入式智能信息處理技術(shù)，實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)采集與嵌入式存儲、傳感數(shù)據(jù)分析與預(yù)測、數(shù)據(jù)傳輸與控制、終端設(shè)備遠程控制、終端設(shè)備可重塑、異質(zhì)終端自組織組網(wǎng)、終端設(shè)備代碼更新、多種通信傳輸方式支持等功能，并進而解決同類系統(tǒng)復(fù)制難、成本高的問題。

糧庫信息化；智能終端；物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

0　引言

目前糧庫信息化領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)終端用途各異，形態(tài)及功能多樣，如數(shù)據(jù)匯聚網(wǎng)關(guān)、觸摸式交互智能終端屏、氣體檢測裝置、熏蒸泄漏檢測裝置、智能通風(fēng)控制裝置、傳送帶能耗監(jiān)測裝置等。這些糧庫物聯(lián)網(wǎng)終端都有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上傳、遠程控制等共性功能需求，但目前市面上主流的糧庫信息化領(lǐng)域的硬件產(chǎn)品雖各有所長，但都沒有成型化、系統(tǒng)化、模塊化的通用型產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計，目前市場上尚無一款專門用于糧庫信息化領(lǐng)域的通用型智能終端。

本文提出了一種糧庫智能終端產(chǎn)品，該產(chǎn)品通過嵌入式智能信息處理技術(shù)，實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)采集與嵌入式存儲、傳感數(shù)據(jù)分析與預(yù)測、數(shù)據(jù)傳輸與控制、終端設(shè)備遠程控制、終端設(shè)備可重塑、異質(zhì)終端自組織組網(wǎng)、終端設(shè)備代碼更新、多種通信傳輸方式支持等功能；并將上述功能無縫集成至糧庫信息化領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)終端，解決同類系統(tǒng)復(fù)制難、成本高的問題（如圖1所示）。

本文提出的智能終端產(chǎn)品，其系統(tǒng)架構(gòu)如下圖2所示：

該智能終端產(chǎn)品將嵌入式智能信息處理技術(shù)應(yīng)用于糧庫信息化領(lǐng)域，屬于應(yīng)用創(chuàng)新。其功能包括：

1　通用型糧庫智能終端產(chǎn)品架構(gòu)及功能

圖1　

1.1傳感數(shù)據(jù)采集與嵌入式存儲

通過傳感數(shù)據(jù)采集適配器，硬件上支持多種傳感器的接入與擴展，軟件上通過數(shù)據(jù)采集中間件實現(xiàn)傳感器采集數(shù)據(jù)統(tǒng)一的格式解析和轉(zhuǎn)換，以及對各種傳感器參數(shù)（如采集周期、運行參數(shù)等）的動態(tài)配置。通過在終端上建立嵌入式數(shù)據(jù)庫，支持傳感數(shù)據(jù)的存儲與本地查詢。

1.2傳感數(shù)據(jù)分析與預(yù)測

1）數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

終端設(shè)備支持多種傳感器，可以同時采集異質(zhì)、多元的傳感數(shù)據(jù)。進行異質(zhì)、多元傳感數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性分析，一方面可以發(fā)現(xiàn)不同傳感數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)，為上層數(shù)據(jù)挖掘、規(guī)律發(fā)現(xiàn)以及決策提供初步依據(jù)；另外一方面可以將強相關(guān)的多種數(shù)據(jù)進行融合，減少與數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)傳輸量，降低通信開銷。

2）傳感數(shù)據(jù)預(yù)測與預(yù)警

通過一段時期的傳感數(shù)據(jù)的積累，形成建立預(yù)測模型所需的數(shù)據(jù)集。基于歷史數(shù)據(jù)集，建立傳感數(shù)據(jù)預(yù)測模型，預(yù)測未來的傳感數(shù)據(jù)數(shù)值，并與真實測量得到的傳感數(shù)據(jù)數(shù)值進行比較，修正預(yù)測模型，提高預(yù)測準確度，最后輸出傳感數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果，當預(yù)測值為異常數(shù)據(jù)時，自主生成預(yù)警信息（如圖3所示）。

3）異常數(shù)據(jù)報警

對于有預(yù)設(shè)報警閾值的傳感數(shù)據(jù)，通過與正常閾值的比較，判斷是否發(fā)生異常情況，生成報警信息，通知數(shù)據(jù)中心。對于未預(yù)設(shè)報警閾值的傳感數(shù)據(jù)，通過異常點檢測等算法，自主判斷異常的發(fā)生。

1.3數(shù)據(jù)傳輸與控制

數(shù)據(jù)傳輸與控制解決網(wǎng)絡(luò)傳輸中數(shù)據(jù)的可靠性和安全性問題，為終端設(shè)備遠程數(shù)據(jù)和指令的傳輸提供安全、可靠的數(shù)據(jù)通道，保證數(shù)據(jù)傳輸過程中不丟包、不錯包。采用信道加密算法，保證終端到數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)安全，防止數(shù)據(jù)被破解或篡改。根據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)先級和通信網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，動態(tài)進行傳輸流量控制，在保證數(shù)據(jù)傳輸實時性的同時，滿足業(yè)務(wù)需求。

1.4終端設(shè)備遠程控制

建立數(shù)據(jù)中心與終端設(shè)備之間的遠程連接，實現(xiàn)對終端設(shè)備的遠程控制，包括：1）遠程開關(guān)控制；2）遠程復(fù)位控制； 3）遠程狀態(tài)查詢；4）遠程參數(shù)配置；5）遠程固件升級；6）遠程傳感器校準。

1.5終端設(shè)備可重塑

糧庫物聯(lián)網(wǎng)智能終端須具備強通用性，能夠適應(yīng)各種糧食物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，從簡單的溫濕度信息采集，到復(fù)雜的智能處理算法，都應(yīng)該不需要重新進行終端硬件設(shè)計。此外，智能終端需要具備強專業(yè)性，能定制適合應(yīng)用需求指標的軟硬件，以使得系統(tǒng)成本與應(yīng)用規(guī)模相匹配。為了支持物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的多樣性，傳統(tǒng)終端為保證其通用性而通常采用具有一定硬件性能冗余度的設(shè)計，使其存在高成本、高功耗缺點，導(dǎo)致傳統(tǒng)終端無法以較高效能比支持大多數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。如果優(yōu)先保證物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的領(lǐng)域?qū)Ｓ眯?，需要針對不同的物?lián)網(wǎng)應(yīng)用單獨設(shè)計專用終端，由于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的高度多樣性和領(lǐng)域?qū)Ｓ眯?，單獨設(shè)計的終端硬軟件資源無法得到有效復(fù)用，降低了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開發(fā)速度，增加了系統(tǒng)的研發(fā)成本。本項目通過研發(fā)可重塑技術(shù)解決上述問題。

1.6異質(zhì)終端自組織組網(wǎng)

圖2　智能終端的系統(tǒng)架構(gòu)

由于客觀物理環(huán)境和待感知對象的復(fù)雜性與動態(tài)性，應(yīng)用系統(tǒng)需求的多樣性，以及覆蓋范圍的不同要求，本項目中所涉及的智能終端通常由不同類型、不同性能的異質(zhì)終端組成。如何部署這些異質(zhì)終端來高效采集感知信息，以及如何控制這些異質(zhì)終端在靜態(tài)、局部動態(tài)和全局動態(tài)的條件下連接成一個高效的自組織通信網(wǎng)絡(luò)，是本項目的核心關(guān)鍵技術(shù)。

本項目采用可配置、多屬性和異質(zhì)的智能終端，針對終端在屬性、構(gòu)造、配置、性能和覆蓋范圍等多方面的差異，提出局部區(qū)域內(nèi)異質(zhì)終端之間的通信機制，以及全網(wǎng)的層次式的通信協(xié)議；在此基礎(chǔ)上，針對典型的監(jiān)測傳應(yīng)用需求，形成一套完整的異質(zhì)終端自組織組網(wǎng)解決方案。

異質(zhì)終端自組織網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)的形成階段，針對大規(guī)模監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、系統(tǒng)壽命、數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量、系統(tǒng)成本等方面的要求，從異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、分簇機制和休眠控制機制等角度出發(fā)，為應(yīng)用提供自適應(yīng)性的、高效可擴展的組網(wǎng)算法和協(xié)議。在網(wǎng)絡(luò)的運行階段，針對異質(zhì)終端網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的采樣需求高與網(wǎng)絡(luò)本身計算與能量資源受限嚴重的矛盾，采取擁塞控制、優(yōu)化的存取機制和可容遲應(yīng)用的傳輸算法，針對具體的應(yīng)用場景，使用分布式協(xié)同優(yōu)化的理論和方法。同時，使用資源占用低的組網(wǎng)技術(shù)，完成軟硬件協(xié)同的跨層協(xié)議設(shè)計，使得異質(zhì)終端網(wǎng)絡(luò)能夠在長時間工作。

1.7終端設(shè)備的代碼更新

對于糧食物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，需要根據(jù)應(yīng)用的多樣性和動態(tài)性，及時更新智能終端的運行代碼。由于傳輸更新代碼不同于傳輸普通的傳感數(shù)據(jù)，其具有高突發(fā)性和數(shù)據(jù)量龐大的特點。一般情況下，傳輸這些代碼需要大量的能量開銷。并且，當待更新終端收到更新代碼后，需要在本地重組并保存這部分代碼，這些操作也需要一定的能量開銷。這兩部分的能量開銷統(tǒng)稱為代碼更新開銷。當前的代碼更新技術(shù)通常只關(guān)注傳輸代碼引起的通信開銷，而較少關(guān)注由于代碼重組和存儲引起的重組開銷，往往造成由于終端的能量隨著頻繁的更新而迅速被耗盡，從而降低整個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的生命周期。另外，一些終端設(shè)備采用的嵌入式芯片，由于電源電壓的降低可能導(dǎo)致代碼寫入時會發(fā)生意想不到的錯誤，嚴重時會使終端上的程序崩潰。本項目通過研發(fā)代碼更新機制解決上述問題。

本文提出的智能終端設(shè)備采用一種高可靠性的、對資源和能耗要求較低的代碼更新機制進行終端設(shè)備的軟件代碼升級。通過新舊代碼的對比分析自動生成更新腳本，僅傳輸更新腳本以有效降低代碼更新的傳輸開銷，并通過差異代碼函數(shù)有效降低重組開銷。

1.7多種通信傳輸方式支持

本智能終端支持終端之間以及終端與數(shù)據(jù)中心之間的多種通信傳輸方式，如802.15.4，WIFI，3G等。

2　結(jié)論

本文設(shè)計的糧庫智能終端產(chǎn)品通過嵌入式智能信息處理技術(shù)，實現(xiàn)傳感數(shù)據(jù)采集與嵌入式存儲、傳感數(shù)據(jù)分析與預(yù)測、數(shù)據(jù)傳輸與控制、終端設(shè)備遠程控制、終端設(shè)備可重塑、異質(zhì)終端自組織組網(wǎng)、終端設(shè)備代碼更新、多種通信傳輸方式支持等功能；并將上述功能無縫集成至糧庫信息化領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)終端，解決同類系統(tǒng)復(fù)制難、成本高的問題。

張煥國，羅婕， 金剛， 等..可信計算研究進展[ J] . 武漢大學(xué)學(xué)報:理學(xué)版, 2006, 52( 5) :

A common type of granary intelligent terminal product design

Ding Wenjie
（Department of operation and quality, Jiangsu joint stock company,Wuxi,Jiangsu,214024）

Although the applications of networking terminals in grain depot information field are various, but there is no molding，systematized，modular design for general product architectures.This article introduces an intelligent terminal products for grain depot,which could implement the functions of acquisition and embedded storage of sensor data,analysis and prediction to sensor data,data transmission and control,remote control of terminal equipment,reconstruction of terminal equipment,self-organization of the heterogeneous terminals,updates of terminal equipment codes,the support of several transmission, by way of embedded intelligent information processing technology,and then,the problems of high cost and hard copy to the similar systems could be solved.

Grain Deport Informationization;Intelligent terminal;IOT Application