關鍵詞：多維感知技術；物聯(lián)網(wǎng)；智能系統(tǒng)

中圖分類號：TN391.44；TN929.5 文獻標識碼：A

0 引言

5G時代，萬物互聯(lián)的概念迅速發(fā)展，相較于傳統(tǒng)的感知設備，物聯(lián)網(wǎng)技術能夠對數(shù)據(jù)進行遠程調用和回溯。通過物聯(lián)網(wǎng)感知設備感知有限的物理量，物聯(lián)網(wǎng)技術已被廣泛應用到各行各業(yè)中，如農業(yè)、礦山、隧道等。但是，在物聯(lián)網(wǎng)設備的發(fā)展中仍然存在諸多問題，如無法實現(xiàn)后續(xù)功能、智能化低等。本文設計了基于多維感知技術的智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過設置系統(tǒng)節(jié)點周圍的物理量，接收數(shù)據(jù)并且解算。利用外部觀測終端對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行調用，并且判斷系統(tǒng)信息，從而使系統(tǒng)性能和后續(xù)功能得到優(yōu)化[1]。

1 智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)方案

本文所設計智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的架構（圖1）主要包括以下方面。

（1）多維感知層。其主要包括傳感器和相關適配模塊，滿足多傳感器數(shù)據(jù)接口需求，實現(xiàn)傳感器輸出數(shù)據(jù)的轉變，兩者結合能夠感知多信息，實現(xiàn)周邊環(huán)境物理量的實時獲取。

（2）計算決策層。通過此層能夠接收數(shù)據(jù)解算層中的數(shù)據(jù)，還能夠對數(shù)據(jù)進行全面分析，以數(shù)據(jù)數(shù)值判斷是否存在問題。如果存在問題，能夠及時報警，讓用戶知曉。創(chuàng)建本地Web 服務器和服務器外部訪問端口以展現(xiàn)本地數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)解算層。此層能夠實現(xiàn)多維感知層模擬量、數(shù)字量等數(shù)據(jù)結算，減少數(shù)據(jù)干擾信號，使數(shù)據(jù)可用性提高。

（4）網(wǎng)絡通信層。使用Wi-Fi 或者有線網(wǎng)絡對Web 服務器進行訪問，并且讀取處理結果，進而得到系統(tǒng)中的感知數(shù)據(jù)[2]。

在設計智能物聯(lián)網(wǎng)多維感知網(wǎng)絡時，通過本地感知節(jié)點能夠解決計算任務量大的問題，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲、處理的本地化，使數(shù)據(jù)中心運算量得到降低。利用邊緣計算降低數(shù)據(jù)的傳輸時延，使系統(tǒng)運算性能增強，提高多傳感器物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。

2 智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的硬件設計

2.1 射頻收發(fā)端

基于EPC Gen2 標準規(guī)范設計超高頻射頻識別（radio frequency identification，RFID），實現(xiàn)閱讀器與標簽之間進行非接觸式的數(shù)據(jù)通信，設置工作頻率為860 MHz ～ 960 MHz，其主要由天線、射頻收發(fā)端、主控制模塊等構成。射頻收發(fā)端包括信號放大電路、解調電路、濾波電路等，系統(tǒng)利用主控制器能夠實現(xiàn)主控制模塊功能，包括數(shù)據(jù)處理、防碰撞算法的運算等，還能夠實現(xiàn)上位機軟件通信[4]。

2.2 感知集成模塊

為了能夠全面感知周邊的物理量，要求集成多種類型的傳感器。本文采用ATmega328 微控制器設計多擴展、小體積的感知驅動電路，具有多個模擬輸入/ 輸出（input/output，I/O）口和數(shù)字I/O 口。表1 為驅動傳感器種類和參數(shù)。ATmega328 微控制器能夠利用軟件模擬多線程庫調用接口，進而對傳感器收集的數(shù)值信息進行邊緣計算。

2.3 AS3992射頻芯片

超高頻RFID 讀寫芯片實現(xiàn)讀寫器與接收系統(tǒng)中數(shù)字與模擬功能的集成，滿足了相應協(xié)議規(guī)定。相較于AS3991 射頻芯片，AS3992 射頻芯片接收的靈敏度比較高。AS3992 射頻芯片通過主機接口、數(shù)字模擬轉換器（digital to analog converter，DAC）和模擬數(shù)字轉換器（analog to digital converter，ADC）設計，在配置工作寄存器后，能夠提高芯片的工作效率。

通過系統(tǒng)芯片的不同電源狀態(tài)，能夠提高系統(tǒng)工作能力，降低功耗。在工作過程中，能夠對寄存器值進行計算，芯片掉電后接收主控制器的指令后待機，查詢讀寫范圍內是否存在標簽。如果有標簽，就能夠對其進行回應，讀寫器能夠以指令開展操作，工作正常。如果沒有回應，讀寫器就會出現(xiàn)掉電的情況。

2.4 射頻發(fā)射電路

設置AS3992 射頻芯片的差分輸出方式，在高功率模式中設置，連接扼流電感和阻抗匹配網(wǎng)絡，將BL3216 平衡轉換器轉變?yōu)閱味溯敵瞿Ｊ?，實現(xiàn)調制信號的發(fā)送。利用ADS 仿真軟件創(chuàng)建匹配網(wǎng)絡的模型，在仿真過程中要充分考慮微帶連接線的長度，微帶線長度設置為4 mm。利用型號為TCD-13-4的定向耦合器設計隔離器，覆蓋頻帶的范圍設置為5 MHz ～ 1 000 MHz。

2.5 接口電路

設計系統(tǒng)的接口電路、上位機通信USB 接口電路和下拉電阻，利用此接口實現(xiàn)在線調試，另外設置射頻收發(fā)和數(shù)字接口電路。

2.6 身份證卡設計

在對數(shù)據(jù)感知采集過程中，可以通過身份證卡信息進行收集，其能夠收集人臉多角度信息，并且對金屬物品進行探測。利用專用遠距離射頻讀卡器和射頻天線讀寫多種角度的身份證卡信息。將金屬探測的專用線圈安裝到感知位置中，其能夠有效改進緩沖電路、濾波設計和整流電路，以避免在讀取過程中出現(xiàn)電磁干擾，有效解決天線讀取和探測過程中存在的問題，利用身份證卡和金屬探測同步收集信息。在收集人臉圖像過程中，利用紅外熱成像機能夠實時收集通行人員的體溫信息，從而解決攝像機的圖形圖像邏輯關系，使用手機天線收集同行人員信息。

2.7 無線網(wǎng)關節(jié)點

無線網(wǎng)關節(jié)點可以對GPRS 網(wǎng)絡和Zigbee 網(wǎng)絡的上下行數(shù)據(jù)進行解析、封裝，并傳輸協(xié)議，創(chuàng)建網(wǎng)絡節(jié)點后發(fā)送攝像頭控制命令，這對系統(tǒng)實時性具有較高的要求，所以對硬件的處理、運算、存儲等能力要求也較高。系統(tǒng)的控制核心可以使用S3C2440 微處理器，主要包括Zigbee 無線收發(fā)模塊。電源電壓穩(wěn)定性能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定地運行，在數(shù)據(jù)啟動、接收與發(fā)送的過程中，GPRS 模塊的瞬時電流較大，所以電流瞬時電流也大，這要求電壓穩(wěn)定性良好。本文網(wǎng)關的負載性能良好，并且開關電壓調節(jié)器的輸出電流較高，網(wǎng)關控制核心能夠轉換不同的協(xié)議，利用串口交換GPRS 模塊數(shù)據(jù)，并且提供了不同的供電模式，接收器具有較高的靈敏度和較強的抗干擾性。網(wǎng)關利用無線遙控器對自身工作模式進行設置，能夠對報警信號進行接收和報警，或者能夠針對兒童、老人實現(xiàn)專門報警模式的設置，只需要按下系統(tǒng)按鍵就能夠發(fā)送報警信息。

3 智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的軟件設計

3.1 前端感知模塊

通過前端感知節(jié)點來檢測傳感器報警信號，并且將其發(fā)送到路由節(jié)點。前端感知節(jié)點的流程如圖2 所示。在初始化配置后使系統(tǒng)自動休眠，觸發(fā)前端傳感器能夠將CC2530 模塊喚醒，從而校驗其有效性。如果報警信息有效，就能夠將信息發(fā)送到路由節(jié)點中，之后休眠。

3.2 無線組網(wǎng)通信設計

利用PAN 協(xié)調器能夠有效管理網(wǎng)絡信號，圖3為系統(tǒng)無線組網(wǎng)通信的流程。協(xié)調器設置射頻信號后啟動無線網(wǎng)絡，將周圍環(huán)境信息添加到網(wǎng)絡中。利用射頻信道掃描后與協(xié)調器連接，判斷節(jié)點數(shù)量，如果節(jié)點大于1，說明已經成功組網(wǎng)。此過程實現(xiàn)節(jié)點回復，反復操作以上過程直到完成組網(wǎng)。

3.3 視頻監(jiān)控模塊

視頻監(jiān)控模塊能夠實現(xiàn)系統(tǒng)無線監(jiān)控的錄像，處理視頻流數(shù)據(jù)，包括無線信息集成和視頻節(jié)點。該模塊在無線監(jiān)控系統(tǒng)錄像后壓縮圖像，對視頻監(jiān)控區(qū)域進行定位，或者將視頻壓縮，使系統(tǒng)的存儲空間減小。同時，通過離散余弦變換的算法計算視頻圖像，保證圖像的質量，降低了圖像存儲的大小。

3.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道

系統(tǒng)數(shù)據(jù)報告的通道主要包括兩條：①通過使用Socket 套接字，能夠利用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關將數(shù)據(jù)發(fā)送到管理平臺中，對網(wǎng)關內部標準數(shù)據(jù)格式進行讀取，然后發(fā)送到數(shù)據(jù)分析模塊中。在分析數(shù)據(jù)類型之后，對系統(tǒng)模塊信息進行處理。②在互聯(lián)網(wǎng)交互模塊中發(fā)送數(shù)據(jù)，利用IP 路由感知網(wǎng)絡。

將感知網(wǎng)絡管理模塊應用到平臺中，生成感知網(wǎng)絡命令代碼，在網(wǎng)關配置模塊中實現(xiàn)文件信息的寫入。利用Socket 客戶端模塊將處理的數(shù)據(jù)信息發(fā)送至服務器模塊中。如果對WSN 命令代碼進行接收，就可以使用WSN 端生成命令數(shù)據(jù)包，利用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關命令轉變內部標準數(shù)據(jù)格式，并且將其發(fā)送到內部路由模塊中。

通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)通道還能夠對網(wǎng)關感知數(shù)據(jù)進行顯示，并且將指令發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關，如請求網(wǎng)關配置信息、日志信息、打開或關閉目標節(jié)點等，從而顯示網(wǎng)絡節(jié)點的拓撲表。

3 實驗分析

在某實驗室中開展測試，系統(tǒng)使用Simulink 線性狀態(tài)空間創(chuàng)建動態(tài)化集成環(huán)境，以分析本文系統(tǒng)的有效性。在MATLAB 軟件中輸入仿真模型，利用系統(tǒng)能夠有效控制大棚的溫度，并且通過控制矩陣將溫度的控制方案進行展示。將設備連續(xù)運行48 h，感知系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)如表2 所示。測試結果顯示，系統(tǒng)能夠對周邊多物理量進行測試，并且運行過程穩(wěn)定、可靠，能夠達到設計需求。

另外，針對系統(tǒng)開展時延測試，系統(tǒng)具有良好的實時性。相較于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)云端處理物聯(lián)網(wǎng)設備，該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)本地處理和邊緣計算能夠提供智能物聯(lián)網(wǎng)設備低時延的解決對策。

4 結語

本文設計的智能物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性良好，并且具有較高的集成度，使系統(tǒng)的功耗和復雜度得到降低。測試結果顯示，該系統(tǒng)性能良好，在實際工業(yè)中應用能夠提高結果可信度，并且控制效果良好。在RFID 技術不斷發(fā)展的過程中，物聯(lián)網(wǎng)也在持續(xù)發(fā)展，這對社會、經濟等方面影響深遠。