物聯(lián)網(wǎng)嵌入式智能設(shè)備實時控制系統(tǒng)設(shè)計分析

傅杰

（浙江機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310053）

0 引言

隨著智能設(shè)備的普及，對其進行實時控制已經(jīng)成為了常態(tài)化需求，因此需要對物聯(lián)網(wǎng)嵌入式智能設(shè)備實時控制系統(tǒng)進行研究。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展對智能設(shè)備實現(xiàn)實時控制提供了基礎(chǔ)，通過對智能設(shè)備總體框架的設(shè)計以及各模塊的要求，結(jié)合仿真數(shù)據(jù)進行試驗，最終實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)嵌入式智能設(shè)備實時控制系統(tǒng)的設(shè)計。

1 物聯(lián)網(wǎng)嵌入式智能設(shè)備的簡單概述

物聯(lián)網(wǎng)主要是通過射頻識別、全球定位系統(tǒng)以及激光掃描等信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議將各種物品和互聯(lián)網(wǎng)相連，并進行信息交換。從而能夠進行智能識別、定位、監(jiān)控以及管理的網(wǎng)絡(luò)。不僅實現(xiàn)了物品能夠接入互聯(lián)網(wǎng)，更可以實現(xiàn)物品和物品之間的信息交流，如洗衣機智能識別衣物，選擇合適和洗滌方式等。通過物物相連的網(wǎng)絡(luò)，組織科學(xué)的信息交互方式。如射頻識別技術(shù)就屬于非接觸式自動識別技術(shù)，主要就是利用讀寫器和電子標(biāo)簽之間的進行非接觸式的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，從而對目標(biāo)進行數(shù)據(jù)交換。并且已經(jīng)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)較為成熟的應(yīng)用，已經(jīng)在農(nóng)業(yè)自動化、交通運輸管理以及工業(yè)自動化中等眾多領(lǐng)域，取得了十分良好的應(yīng)用效果[1]。

2 智能設(shè)備實時控制系統(tǒng)設(shè)計要素分析

為了能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制，一方面需要對其實時采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)分析后采取必要的控制手段；另一方面，需要對數(shù)據(jù)進行必要的處理，才能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的判斷。在系統(tǒng)設(shè)計方面，如支持短消息的智能設(shè)備控制系統(tǒng)，可以通過短消息實現(xiàn)各個設(shè)備之間信息交流，控制雖然相對靈活，但是抗干擾能力不佳。還有設(shè)計者通過以太網(wǎng)技術(shù)和CAN技術(shù)相結(jié)合運用于智能設(shè)備中，有手動控制和自動控制兩種方式，由于該方式實現(xiàn)模式較為復(fù)雜，具有較高的故障率。除此之外，還有可擴展網(wǎng)關(guān)架構(gòu)等，但是由于其網(wǎng)絡(luò)權(quán)限驗證等問題，傳輸效能不高，難以推廣。因此，需要設(shè)計一種具有安全性和高效率控制能力的系統(tǒng)框架，提升智能設(shè)備的運行效率[2]。

3 嵌入式智能設(shè)備實時控制系統(tǒng)設(shè)計分析

3.1 嵌入式智能設(shè)備實時控制系統(tǒng)的總體框架設(shè)計

由于整個系統(tǒng)中涉及的智能設(shè)備較多，一般系統(tǒng)設(shè)計采取的是分散管理，這就導(dǎo)致各個智能設(shè)備之間聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜，難以形成統(tǒng)一的管理方式。如果用戶無法進行聯(lián)網(wǎng)控制，就無法對設(shè)備進行統(tǒng)一管理，也無法接入智能管理模塊。因此，為了能夠?qū)λ兄悄茉O(shè)備進行統(tǒng)一管理，需要采用多接口模式將智能設(shè)備進行統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)，集中控制。其中智能控制終端為主要云平臺，以太網(wǎng)為信息傳遞線路，并且有軟件部分、RS-485總線、核心處理器、時鐘部分以及遠(yuǎn)程控制部分等各個結(jié)節(jié)組成[3]。

3.2 核心處理器和RS-485總線設(shè)計

核心處理器是對整個系統(tǒng)進行控制，因此需要多個UART接口，A/D轉(zhuǎn)換器、以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)和IO口。這就需要選擇的市場上合適ARM處理器件，滿足對各種智能設(shè)備的兼容和處理復(fù)雜問題的需求。另外，還需要采用RS-485總線設(shè)計，該總線設(shè)計具有數(shù)據(jù)傳輸效率高、可靠性強等優(yōu)點，并且能夠兼容所需要的核心處理原件。需要將處理器的引腳和RS-485總線輸出進行連接，通過電平的跳變病情，對智能設(shè)備的接入變化進行分析，可以和相關(guān)設(shè)備進行有效通信，完成對數(shù)據(jù)的處理[4]。

3.3 以太網(wǎng)的通信設(shè)計

在選擇的ARM處理器中，系統(tǒng)會自帶以太網(wǎng)模塊，并且和網(wǎng)絡(luò)處理芯片相聯(lián)系，可以讓數(shù)據(jù)包的傳輸效率得到顯著提高。其中以太網(wǎng)通信模塊主要有寄存器、總線接口以及DMA等構(gòu)成。主機寄存器的主要功能就是確定以太網(wǎng)的工作方式，掌握其工作狀態(tài)。接口可以直接連接RS-485總線，實現(xiàn)模塊和能夠及時讀取寄存器力的數(shù)據(jù)。其中DMA的主要可以用于數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和寄存器之家通信，從而能夠獲得較為準(zhǔn)確快速的數(shù)據(jù)通信。通過以太網(wǎng)傳輸，能夠非常方便的快速傳輸大量信息，對相關(guān)數(shù)據(jù)進行及時處理。可以有效滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕拘枨骩5]。

3.4 遠(yuǎn)程報警模塊的設(shè)計分析

智能系統(tǒng)在運行階段，為了確保其具備一定的安全性，需要應(yīng)用到遠(yuǎn)程報警模塊，對其中出現(xiàn)的各種問題及時進行反饋，使工程技術(shù)人員或者系統(tǒng)使用人員能夠及時發(fā)現(xiàn)問題。該系統(tǒng)的設(shè)計需用實時性和一定的可靠性，該報警模塊也需要采集重點控制中心，并由采集終端連接在RS-485總線上，才能夠有效的完成對警報信號的及時判斷和預(yù)警信息的發(fā)布。遠(yuǎn)程報警模塊的主要構(gòu)成包含現(xiàn)場信息采集終端、控制中心以及數(shù)據(jù)傳輸模塊，采集終端的主要構(gòu)成有智能設(shè)備以及傳感器模塊等，通過對現(xiàn)場各項數(shù)據(jù)進行采集，并將其物理信號或者化學(xué)信號轉(zhuǎn)化為電信號，一旦觸發(fā)某一閾值，就會傳輸至控制中心進行報警。數(shù)據(jù)傳輸模塊可以將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)信道直接傳輸?shù)娇刂浦行模瑥亩|發(fā)相應(yīng)的警報[6]。

3.5 人機交互系統(tǒng)的設(shè)計

人機交互模塊是系統(tǒng)的關(guān)鍵控制單元，通過一系列數(shù)據(jù)的設(shè)定對整個系統(tǒng)進行參數(shù)調(diào)節(jié)。高效的人機交互界面能夠提升用戶的使用效果，能夠使整個系統(tǒng)更加智能化。人機交互系統(tǒng)的設(shè)計主要由液晶顯示屏、信息控制按鍵、存儲器以及語音模塊構(gòu)成?？梢杂没ヂ?lián)網(wǎng)或者本地時鐘模塊提供計時功能，通過設(shè)置日期和時間，為工作日志的提供重要的參數(shù)支持。存儲器的作用就是對系統(tǒng)運行的狀況和信息進行保存，以便于系統(tǒng)工程師在維護中對系統(tǒng)的運行情況有著準(zhǔn)確的了解。信息控制按鍵的是為人機交互提供接口?？梢詫ο到y(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)進行調(diào)整，從而使其能夠適應(yīng)不同場景下的工作模式。顯示屏的是人機交互的關(guān)鍵，這里顯示系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，并且需要含有中英文字庫，便于開發(fā)應(yīng)用。語音模塊則需滿足體積小，合成音質(zhì)好等各種需求，且不需要外部輔助電路，可以智能識別一些簡單的語音指令，或者發(fā)出語音提示。人機交互界面是用戶和系統(tǒng)進行對話的關(guān)鍵渠道，智能設(shè)備出現(xiàn)問題后，通過語音提升，或者顯示屏顯示錯誤代碼的方式，可以快速鎖定報警源頭，及時進行處理，對保證系統(tǒng)的安全性有著重要作用[7]。

3.6 軟件系統(tǒng)的設(shè)計

為了能夠獲得對各個智能設(shè)備精準(zhǔn)的控制，需要選用B/S+C/S結(jié)合的控制服務(wù)，系統(tǒng)人阿基設(shè)計方案主要綜合了其兩者的架構(gòu)服務(wù)技術(shù)，底層由本地數(shù)據(jù)庫，B/S架構(gòu)服務(wù)程序和C/S架構(gòu)Web服務(wù)程序，兩種服務(wù)程序可以應(yīng)對不同的數(shù)據(jù)處理方式。其中當(dāng)需要處理的數(shù)據(jù)較多是可以采用C/S設(shè)計模式，提升其處理能力。如果需要處理較少的數(shù)據(jù)后，需要采取B/S架構(gòu)服務(wù)程序，才能夠更加節(jié)能，可以長時間進行待機狀態(tài)。通過對軟件系統(tǒng)的設(shè)計，可以對多用戶進行系統(tǒng)性調(diào)節(jié)，提高計算效率[8]。

4 系統(tǒng)仿真實驗分析

為了確定該系統(tǒng)的準(zhǔn)確，需要對相關(guān)實驗進行有效分析，需要對該系統(tǒng)進行仿真實驗，發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，并且能夠?qū)eb控制系統(tǒng)進行對比。仿真器的選擇以JTAG接口，并進行系統(tǒng)的有效調(diào)試。通過對各項參數(shù)的分析不難發(fā)現(xiàn)，在控制信號穩(wěn)定方面，本次系統(tǒng)設(shè)計穩(wěn)定性提高了至少40%，這對于提升系統(tǒng)的可靠性具有重要意義。另外，在智能設(shè)備誤差控制方面，也明顯具有一定的優(yōu)勢，其誤差曲線更加平穩(wěn)，使其能夠保持在一定范圍內(nèi)?？梢娖渚邆淞己孟到y(tǒng)穩(wěn)定性。通過系統(tǒng)的仿真實驗，能夠在軟件中對整個系統(tǒng)進行有效測試，為系統(tǒng)的準(zhǔn)確布置提供參數(shù)支持，可以提前發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，方便調(diào)試和重新設(shè)計。

5 結(jié)語

總之，在進行物聯(lián)網(wǎng)嵌入式智能設(shè)備實時控制系統(tǒng)設(shè)計中，需要進行實時控制系統(tǒng)的總體框設(shè)計，RS-485的總線結(jié)構(gòu)能夠和ARM處理其單元構(gòu)成一個穩(wěn)定的總線傳輸網(wǎng)絡(luò)，以太網(wǎng)模塊以及網(wǎng)絡(luò)處理芯片可以讓數(shù)據(jù)包的傳輸效率得到顯著提高。遠(yuǎn)程報警模塊和人機交互系統(tǒng)的設(shè)計，能夠使智能設(shè)備更好地服務(wù)實時控制系統(tǒng)，可以對參數(shù)進行系統(tǒng)性調(diào)節(jié)，使各個模塊都能夠發(fā)揮其系統(tǒng)性能，獲得準(zhǔn)確的參數(shù)設(shè)置，確保物聯(lián)網(wǎng)嵌入式智能設(shè)備實時控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。