智能物联网网关设计及样机系统实现
摘要
随着社会的进步,多方位互联已经成为技术前进的方向。物联网被誉为下一代互联网的网络模型,受到了越来越多的国家和企业的重视。物联网由不同应用场景的无线传感网、电信传送网、互联网组成。视频数据一直在互联网中占据相当多的带宽,在物联网技术全面普及之后,各个传感网的视频数据涌入互联网,会对现有网络的容量和处理能力造成很大的挑战。若负责传感网与互联网连接的物联网网关,具有视频处理的能力,则可以大大减少带宽和处理压力。
论文首先对物联网四个层次,感知层、网络层、支撑层以及应用层的关键技术、核心功能以及网关在此层中的作用进行了深入的研究。而后对传感网的网络结构、网络节点结构进行分析,在传感网角度对网关的分层结构进行了总结。
论文工作中对嵌入式系统中使用的CPU芯片、视频处理芯片进行了详细的调研,并选择ARM系列CPU芯片作为网关系统的CPU芯片,ADV7183视频芯片作为网关系统的视频处理芯片。根据算选择的芯片的特点以及智能网络系统的功能,总结出了具有视频处理功能的智能物联网网关的硬件结构框图。论文工作中对嵌入式环境中使用的软件操作系统和启动引导器进行了深入的研究,最后选择Linux系统作为样机系统的操作系统,U-boot作为样机系统的启动引导器。
在完成样机系统的搭建后,针对特定的视频处理需求,设计并实现了在网关中使用的高效的视频处理算法。在算法的基础上,实现了对应的应用程序。通过样机系统的运行测试表明,样机系统出色的完成了视频处理的功能。
Along with society progress, multi-faced connection has become the main technology trend. The internet of things (IOT), so called next generation internet, has attracted more and more attention in a lot countries and businesses. IOT is composed of different wireless sensor networks, telecommunication transmit network and internet. Nowadays, video data occupy considerably ratio internet bandwidth, after the IOT coming, there will be more video data from sensor networks go into internet, then internet's bandwidth and processing ability would face huge challenges. IOT gateway that responsible for connect sensor networks and internet, if it has the ability to process video data, would greatly reduce the bandwidth and network process stress.
Firstly, this paper researched deeply on the four layers of IOT, perception layer, network layer, support layer and application layer. The research content includes key technologies, core functions and gateway's role in these layers. Secondly, this paper detailed study the network structure of sensor network and the composition of sensor network nodes. From the view of sensor network, sum up the hierarchical structure of IOT gateway.
Then, this paper research deeply on various CPUs, video process chip, software system and boot loader of embedded environment, and select ARM as main CPU, adv7183as video process chip, Linux as software system and u-boot as boot loader. Carry out detailed study on these selected technologies to implement the IOT gateway prototype system.
After implement the prototype system, for the paricular application requirement, design and implement some image processing algorithms which could be applied in prototype system. And base on these algorithms, implement corresponding software. Through running test, the prototype system has done image processing tasks perfectly.
论文首先对物联网四个层次,感知层、网络层、支撑层以及应用层的关键技术、核心功能以及网关在此层中的作用进行了深入的研究。而后对传感网的网络结构、网络节点结构进行分析,在传感网角度对网关的分层结构进行了总结。
论文工作中对嵌入式系统中使用的CPU芯片、视频处理芯片进行了详细的调研,并选择ARM系列CPU芯片作为网关系统的CPU芯片,ADV7183视频芯片作为网关系统的视频处理芯片。根据算选择的芯片的特点以及智能网络系统的功能,总结出了具有视频处理功能的智能物联网网关的硬件结构框图。论文工作中对嵌入式环境中使用的软件操作系统和启动引导器进行了深入的研究,最后选择Linux系统作为样机系统的操作系统,U-boot作为样机系统的启动引导器。
在完成样机系统的搭建后,针对特定的视频处理需求,设计并实现了在网关中使用的高效的视频处理算法。在算法的基础上,实现了对应的应用程序。通过样机系统的运行测试表明,样机系统出色的完成了视频处理的功能。
Along with society progress, multi-faced connection has become the main technology trend. The internet of things (IOT), so called next generation internet, has attracted more and more attention in a lot countries and businesses. IOT is composed of different wireless sensor networks, telecommunication transmit network and internet. Nowadays, video data occupy considerably ratio internet bandwidth, after the IOT coming, there will be more video data from sensor networks go into internet, then internet's bandwidth and processing ability would face huge challenges. IOT gateway that responsible for connect sensor networks and internet, if it has the ability to process video data, would greatly reduce the bandwidth and network process stress.
Firstly, this paper researched deeply on the four layers of IOT, perception layer, network layer, support layer and application layer. The research content includes key technologies, core functions and gateway's role in these layers. Secondly, this paper detailed study the network structure of sensor network and the composition of sensor network nodes. From the view of sensor network, sum up the hierarchical structure of IOT gateway.
Then, this paper research deeply on various CPUs, video process chip, software system and boot loader of embedded environment, and select ARM as main CPU, adv7183as video process chip, Linux as software system and u-boot as boot loader. Carry out detailed study on these selected technologies to implement the IOT gateway prototype system.
After implement the prototype system, for the paricular application requirement, design and implement some image processing algorithms which could be applied in prototype system. And base on these algorithms, implement corresponding software. Through running test, the prototype system has done image processing tasks perfectly.
引文
[1].曹自立,物联网产业发展的驱动因素研究——以通信产业为例,硕士学位论文,南京邮电大学,2012。
[2].邬贺铨,物联网的应用于挑战综述,重庆邮电大学学报(自然科学版),2010年第5期。
[3].姬晓波,曾凡,张敏,物联网技术在医疗系统中的应用,医疗卫生设备,2010年12期,102-103。
[4].高强庆,芦强,物联网技术发展与工业信息化作用研究,硅谷,2012年第2期,14。
[5].俞文俊,凌志浩, 一种物联网智能家居系统的研究,自动化仪表,2011年第8期,56-59。
[6].赵静,喻晓红,黄波,谭秀兰,物联网的结构体系与发展,通信技术,2010年第9期,106-108。
[7].陈红霞,赵俊钰,物联网感知层标准体系架构研究,电信科学,2011年第9期,101-105。
[8].孙玉砚,刘卓华,李强,孙利民,一种而向3G接入的物联网安全架构,计算机研究与发展,2012年z2期,327-332。
[9].李红,薜红,云计算与物联网,硅谷,2012年第9期,17-18。
[10].虞宙,丁一鸣,于永军,基于物联网应用平台的业务组合研究,第23届全国计算机新科技与计算机教育学术会议,2012年8月3日,196-200。
[11]. YingHui Huang, Guanyu Li, Descriptive Models for Internet of Things, International Conference on Intelligent Control and Information Processing, August 13-15,2010, Dalian, China,484-486.
[12].吴晓伟,传感网网关和互联网技术的研究,硕士学位论文,南京邮电大学,2010。
[13]. Hao Chen, Xueqin Jia, Heng Li, A brief introduction to IOT gateway, Proceedings of ICCT,2011.
[14].张静静,而向物联网的互联网关应用研究,硕士学位论文,南京邮电大学,2012。
[15]. Rajan M.A, P. Balamuralidhar, Chethan.K.P, Swarnahpriyaah.M., A Self-reconfigurable Sensor Network Management System for Internet of Things Paradigm, IEEE International Conference on Device and Communications (ICDeCom), February 24-25 2011,1-5.
[16].万相奎,丁建平,秦树人,嵌入式系统及其典型开发模式,重庆大学学报,2004年第27卷第2期,16-21。
[17]. (英)斯威特曼,李鹏等 译,MIPS体系结构透视(see mips run),机械工业出版社,2008-5-1。
[18].周明德主编,田云等编著,保护方式下的80386及其编程,清华大学出版社,1993-12。
[19].杜春雷,ARM体系结构与编程,清华大学出版社,2003-2-1。
[20].刘洪涛,邹南,ARM处理器开发详解：基于ARM Cortex-A8处理器的开发设计,电子工业出版社,2012-9-1。
[21].姚文祥,ARM Cortex-M3权威指南,北京航空航天大学出版社,2009-7-1。
[22].张崇,李淳,李震,集成有10位ADC的增强型视频解码器ADV7183及其应用,国外电子元器件,2004年第7期,32-35。
[23].邢明生,基于物联网网关的研究及实现,硕士毕业论文,郑州大学,2010。
[24].胡金辉,物联网网关关键技术的研究和实现方案,硕士毕业论文,西安电子科技大学,2012。
[25].杨海钢,孙嘉斌,王慰,FPGA器件设计技术发展综述,电子与信息学报,2010年第32卷第3期,714-726。
[26].杨丰盛,安卓技术内幕,机械工业出版社,2011-6-17。
[27].何宗健,Windows CE嵌入式系统,北京航空航天大学出版社,2006-9-1。
[28].刘亿智,Linux从入门到精通,清华大学出版社,2010-1-1。
[29]. Wolfgang Mauerer,郭旭译,深入Linux内核架构,人民邮电出版社,2010-6-1。
[30]. Gunilla borgefors, Hierarchical Chamfer Matching:A Parameteric Edge Matching Algorithm, IEEE transactions on pattern and machine intelligence,1998,10(6), 849-865.
[31].曲仁军,徐珍珍,张永军。嵌入式环境指针式仪表快速识别算法研究.国内核心期刊-软件,2012年第8期,138-149。
[32].岳国义,李宝树,赵书涛,智能型指针式仪表识别系统的研究,仪器仪表学报,2003,第24期,4。
[33].司佳伟,陈圣俭,嵌入式视频监控系统中变电站设备的仪表指针图像识别,中国电力教育,2007。
[34].周晓东,李亚杰,岳晓峰,高学亮,汽车仪表指针识别方法研究,长春工业大学学报(自然科学版),2010,31(1)。
[2].邬贺铨,物联网的应用于挑战综述,重庆邮电大学学报(自然科学版),2010年第5期。
[3].姬晓波,曾凡,张敏,物联网技术在医疗系统中的应用,医疗卫生设备,2010年12期,102-103。
[4].高强庆,芦强,物联网技术发展与工业信息化作用研究,硅谷,2012年第2期,14。
[5].俞文俊,凌志浩, 一种物联网智能家居系统的研究,自动化仪表,2011年第8期,56-59。
[6].赵静,喻晓红,黄波,谭秀兰,物联网的结构体系与发展,通信技术,2010年第9期,106-108。
[7].陈红霞,赵俊钰,物联网感知层标准体系架构研究,电信科学,2011年第9期,101-105。
[8].孙玉砚,刘卓华,李强,孙利民,一种而向3G接入的物联网安全架构,计算机研究与发展,2012年z2期,327-332。
[9].李红,薜红,云计算与物联网,硅谷,2012年第9期,17-18。
[10].虞宙,丁一鸣,于永军,基于物联网应用平台的业务组合研究,第23届全国计算机新科技与计算机教育学术会议,2012年8月3日,196-200。
[11]. YingHui Huang, Guanyu Li, Descriptive Models for Internet of Things, International Conference on Intelligent Control and Information Processing, August 13-15,2010, Dalian, China,484-486.
[12].吴晓伟,传感网网关和互联网技术的研究,硕士学位论文,南京邮电大学,2010。
[13]. Hao Chen, Xueqin Jia, Heng Li, A brief introduction to IOT gateway, Proceedings of ICCT,2011.
[14].张静静,而向物联网的互联网关应用研究,硕士学位论文,南京邮电大学,2012。
[15]. Rajan M.A, P. Balamuralidhar, Chethan.K.P, Swarnahpriyaah.M., A Self-reconfigurable Sensor Network Management System for Internet of Things Paradigm, IEEE International Conference on Device and Communications (ICDeCom), February 24-25 2011,1-5.
[16].万相奎,丁建平,秦树人,嵌入式系统及其典型开发模式,重庆大学学报,2004年第27卷第2期,16-21。
[17]. (英)斯威特曼,李鹏等 译,MIPS体系结构透视(see mips run),机械工业出版社,2008-5-1。
[18].周明德主编,田云等编著,保护方式下的80386及其编程,清华大学出版社,1993-12。
[19].杜春雷,ARM体系结构与编程,清华大学出版社,2003-2-1。
[20].刘洪涛,邹南,ARM处理器开发详解：基于ARM Cortex-A8处理器的开发设计,电子工业出版社,2012-9-1。
[21].姚文祥,ARM Cortex-M3权威指南,北京航空航天大学出版社,2009-7-1。
[22].张崇,李淳,李震,集成有10位ADC的增强型视频解码器ADV7183及其应用,国外电子元器件,2004年第7期,32-35。
[23].邢明生,基于物联网网关的研究及实现,硕士毕业论文,郑州大学,2010。
[24].胡金辉,物联网网关关键技术的研究和实现方案,硕士毕业论文,西安电子科技大学,2012。
[25].杨海钢,孙嘉斌,王慰,FPGA器件设计技术发展综述,电子与信息学报,2010年第32卷第3期,714-726。
[26].杨丰盛,安卓技术内幕,机械工业出版社,2011-6-17。
[27].何宗健,Windows CE嵌入式系统,北京航空航天大学出版社,2006-9-1。
[28].刘亿智,Linux从入门到精通,清华大学出版社,2010-1-1。
[29]. Wolfgang Mauerer,郭旭译,深入Linux内核架构,人民邮电出版社,2010-6-1。
[30]. Gunilla borgefors, Hierarchical Chamfer Matching:A Parameteric Edge Matching Algorithm, IEEE transactions on pattern and machine intelligence,1998,10(6), 849-865.
[31].曲仁军,徐珍珍,张永军。嵌入式环境指针式仪表快速识别算法研究.国内核心期刊-软件,2012年第8期,138-149。
[32].岳国义,李宝树,赵书涛,智能型指针式仪表识别系统的研究,仪器仪表学报,2003,第24期,4。
[33].司佳伟,陈圣俭,嵌入式视频监控系统中变电站设备的仪表指针图像识别,中国电力教育,2007。
[34].周晓东,李亚杰,岳晓峰,高学亮,汽车仪表指针识别方法研究,长春工业大学学报(自然科学版),2010,31(1)。