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面向智能家居的边缘智能网关的研究与设计

面向智能家居的边缘智能网关的研究与设计

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作者：杨飞宇重庆理工大学

学位级别：硕士

随着通信技术和物联网技术的飞速发展,智能家居快速发展,各种各样的智能家居设备进入我们的生活,极大的便利了我们的日常生活。智能家居网络架构以云平台作为数据中心,其数据存储、数据处理以及数据分析都在云平台完成,这种网络架构使... 详细信息

随着通信技术和物联网技术的飞速发展,智能家居快速发展,各种各样的智能家居设备进入我们的生活,极大的便利了我们的日常生活。智能家居网络架构以云平台作为数据中心,其数据存储、数据处理以及数据分析都在云平台完成,这种网络架构使得计算和存储资源过于集中在云平台,进而带来了数据传输时延较长、网络带宽占用严重、设备控制实时性较差等问题。随着智能家居设备数量的增多以及其产生的数据量的大量增加,这些问题就更加凸显,以云平台为中心的数据处理方式的智能家居网络架构难以满足在新环境下的智能家居设备对于智能家居网络架构的要求。边缘计算作为云计算的算力补充,其在边缘侧构建具有数据存储、数据处理、数据分析的边缘计算平台,在数据源头提供数据计算和存储资源,很好的解决了以云平台为中心的智能家居网络架构遇到的问题,本文将边缘计算技术引入到智能家居网络架构中,构建出新型智能家居网络架构。在这个新型的智能家居网络架构中,边缘计算平台主要构建在边缘智能网关上。本文研发一种面向家庭室内环境监测领域的边缘智能网关,其在传统的智能家居网关基础上运用边缘计算技术,使边缘智能网关能够在边缘侧完成家庭环境数据的存储、分析、处理以及设备控制等功能。本文主要开展了以下研究和设计工作:(1)研究了基于边缘计算的智能家居物联网网关4层网络架构体系。在原有智能家居物联网网络架构中加入边缘层,其网络架构变为感知层、边缘层、网络层、应用层,重点研究了边缘层。然后在边缘智能网关上部署边缘计算平台实现边缘层功能,其边缘智能网关在边缘侧能够完成家庭环境数据的处理、分析和存储等功能。(2)研究了边缘智能网关的通信交互协议以及边缘数据融合算法。为边缘智能网关设计了统一的通信交互协议,方便后续的智能终端设备根据这种协议完成设备的接入,进而提高边缘智能网关通信方式和通信协议的可扩展性。设计面向家庭室内环境监测领域的边缘数据融合算法,其用来完成家庭室内环境质量综合评定。边缘数据融合算法采用二级数据融合算法,一级数据融合算法完成同质传感器的数据融合,二级数据融合算法完成异质传感器的数据融合。(3)研究边缘智能网关的硬件系统,并制作出实物硬件电路板。边缘智能网关硬件系统以RK3399为主控微处理器,并在这款芯片基础上设计了计算模块、存储模块、通信模块、供电模块等。边缘智能网关硬件系统分为核心板和底板,核心板采用10层PCB设计,底板采用4层PCB设计。(4)研究了边缘智能网关的设备通信、设备管理、数据管理、视频传输等方面的问题,并完成边缘智能网关的系统设计、前端设计、后端设计。系统设计完成Android 8的驱动开发、系统的配置、编译以及系统的移植;前端设计完成了边缘智能网关的人机交互界面;后端设计实现了边缘智能网关的功能。(5)研制了边缘智能网关的样机,搭建了测试平台,完成边缘智能网关的硬件测试、界面测试、功能测试、性能测试,验证边缘智网关的可靠性和稳定性。边缘智能网关的测试表明,边缘智能网关能够快速、正确的完成智能设备的接入和管理,并且能够快速的完成对智能终端设备的控制和响应,此外边缘智能网关能够完成家庭环境数据汇聚和管理,减轻了智能家居网关对于网络带宽的占用。这些测试充分表明边缘智能网关具有很好的稳定性、可靠性、实用性,能够很好的解决智能家居领域目前遇到的问题。

关键词：数据融合算法物联网架构边缘计算智能家居边缘智能网关

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智慧灯杆为载体的边缘智能网关研发

智慧灯杆为载体的边缘智能网关研发

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作者：段宝燕西南大学

学位级别：硕士

智慧灯杆正逐渐成为促进智慧城市快速发展的最佳载体之一,其通过部署“端、管、云”的物联网系统架构为现代社会提供智能服务。集多功能为一体的智慧灯杆的感知层包含多而不同的智能模块、传感节点,网关可通过协议转换等手段实现感知层... 详细信息

智慧灯杆正逐渐成为促进智慧城市快速发展的最佳载体之一,其通过部署“端、管、云”的物联网系统架构为现代社会提供智能服务。集多功能为一体的智慧灯杆的感知层包含多而不同的智能模块、传感节点,网关可通过协议转换等手段实现感知层与云平台的交互。但目前以云平台为中心的智慧灯杆物联网系统中,网关仅完成数据转发和协议转换,数据分析、计算以及网络管理工作均交由云平台,必然会造成计算资源过于中心化、数据传输时延严重、网络易拥塞等不足之处。和云计算为互补协同关系的边缘计算,通过在边缘侧构建具有智能计算、数据管理等能力的平台,可弥补上述存在的缺陷。但边缘计算节点常常会出现基础资源层单一、虚拟化层缺失及边缘虚拟功能缺失的问题,对极大化利用硬件资源、提高系统的灵活性以及完成功能业务隔离还存在不足。因此,本研究在纵向项目的支持下,研发了一个以智慧灯杆为载体的边缘智能网关,其通过硬件虚拟化的方式实现功能业务隔离,支持多协议转换、管理及本地边缘计算,可在网络边缘侧完成检测、计算、决策等实时处理运算工作。本地计算为根据多种实时环境参数决策出合适的灯光参数,包括亮度和色温值。亮度调节技术已经比较成熟,但对路灯的色温调节还处于简单的分级方式,且针对多环境参数调节协同调节色温和亮度较少。论文主要内容如下:(1)边缘智能网关设计。设计基于边缘计算的智慧灯杆物联网系统,采用云、边协同的三层部署模型,在边缘智能网关上部署智能资产、智能网关;设计边缘智能网关的功能框架和系统结构,明确在实现边缘智能网关硬件虚拟化的基础上,实现总线协议适配、资产管理、优化计算等边缘虚拟服务。(2)边缘智能网关的嵌入式平台虚拟化设计与实现。对虚拟化技术基础进行了简要介绍,分析了不同嵌入式微处理器架构所存在的差异,选定了适合嵌入式微处理器的虚拟化技术,确定采用多业务部署多虚拟机的模式,完成智能网关的Xen嵌入式虚拟化设计。分别选用ARMv8架构及ARMv7架构的嵌入式微处理器主机板,独立完成了Xen虚拟化的实现,通过实验验证,证明了Xen虚拟化平台的成功搭建,并在分析结果的基础上,明确了边缘智能网关的硬件选择ARMv7架构的主机板来作为后续轻量级应用的开发平台。(3)智能网关与智能资产研发。在智能网关层,设计网络拓扑,为边缘智能网关支持的以太网、ZigBee和RS485通信设计协议,并完成以太网转ZigBee/RS485报文的多协议转换。针对智能资产,提出采用通信分层思想实现对实时检测数据的汇集,设计数据管理框架和存储映射表,为智能网关和传感节点设计配置流程。最后搭建实验平台,验证边缘智能网关的多种通信、协议转换、实时数据汇集、系统配置的功能。(4)色温调节参数边缘计算。在实现边缘智能网关Xen虚拟化的基础上,为色温调节参数边缘计算业务创建DomU,设计边缘智能网关Xen的域间通信模型。再根据温度、湿度、光照度及PM2.5浓度4种实时环境参数,设计多输入双输出模糊计算系统,基于多环境参数实时计算当前灯光最佳亮度和色温。通过对系统模型进行仿真,以及对实际开发的应用程序测试,结果均表明,所设计多参数模糊计算系统能够在网络边缘侧完成预期的路灯参数计算任务,具有更好的实时性。

关键词：边缘智能网关嵌入式平台虚拟化边缘计算色温调节资产管理

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面向多用户接入的边缘终端系统设计与实现

面向多用户接入的边缘终端系统设计与实现

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作者：张晓康西安电子科技大学

学位级别：硕士

工业互联网、智能传感技术和5G通信技术的快速发展将推动工业领域的数字化转型和智能化应用。将传感器、终端设备和工业生产设备等接入到万物互联的网络中,可以实现实时监测和控制、优化生产过程并提高生产效率和品质。然而新技术的应... 详细信息

工业互联网、智能传感技术和5G通信技术的快速发展将推动工业领域的数字化转型和智能化应用。将传感器、终端设备和工业生产设备等接入到万物互联的网络中,可以实现实时监测和控制、优化生产过程并提高生产效率和品质。然而新技术的应用也产生了新的问题,包括使用不同通信协议的异构设备使得数据整合和解析的复杂性增加、大量设备接入使得数据网络传输面临的压力激增、多样化的任务类型对设备的性能和可靠性要求更高等。为了解决这些新的问题,本文将从边缘计算的实际应用场景出发,设计实现一个面向多用户接入的边缘终端系统,以满足多用户设备接入、数据存储和转发、边缘分析和资源调度等需求。首先,设计实现了边缘智能网关的硬件平台。基于多用户接入的边缘终端系统中的硬件需求,基于高性能系统级芯片(System on Chip,So C)的边缘智能网关硬件平台,设计实现了多阈值电压的电源电路、以太网电路、串口电路、USB电路、5G接口电路等。然后对硬件平台进行了测试,测试结果表明,该硬件平台成功运行并满足设计要求,为边缘计算场景下的异构设备接入和边缘处理等任务提供了可靠的硬件支持。其次,设计实现了边缘终端系统的资源调度功能模块。基于多用户设备接入的边缘计算场景,构建了资源调度模型,提出了基于婚姻匹配算法的调度策略,并进行仿真实验。同时基于边缘计算平台Edge X,设计实现了资源调度软件功能模块,并进行了资源调度测试,将边缘终端上的计算任务根据调度策略,卸载到其它容器中执行,从而降低了系统开销。最后,实现了边缘终端系统的部署应用。在硬件平台上部署了边缘计算平台Edge X,并利用温湿度传感器完成了运行测试,证明该系统能够成功实现边缘终端设备的接入。然后构建了边缘视频分析应用,利用开放式网络视频接口论坛(Open Network Video Interface Forum,ONVIF)协议将摄像头接入,并将视频流进行推送,对视频中物体进行识别,实现了边缘视频分析应用。

关键词：边缘计算边缘智能网关 EdgeX 资源调度边缘视频分析

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