一種通用型糧庫智能終端產品設計

丁文杰

（中科怡海高新技術發展江蘇股份公司運維與質量部，江蘇無錫，214024）

一種通用型糧庫智能終端產品設計

丁文杰

（中科怡海高新技術發展江蘇股份公司運維與質量部，江蘇無錫，214024）

糧庫信息化領域的物聯網終端用途各異，但都沒有成型化、系統化、模塊化的通用型產品架構設計。本文提出了一種糧庫智能終端產品，通過嵌入式智能信息處理技術，實現傳感數據采集與嵌入式存儲、傳感數據分析與預測、數據傳輸與控制、終端設備遠程控制、終端設備可重塑、異質終端自組織組網、終端設備代碼更新、多種通信傳輸方式支持等功能，并進而解決同類系統復制難、成本高的問題。

糧庫信息化；智能終端；物聯網應用

0　引言

目前糧庫信息化領域的物聯網終端用途各異，形態及功能多樣，如數據匯聚網關、觸摸式交互智能終端屏、氣體檢測裝置、熏蒸泄漏檢測裝置、智能通風控制裝置、傳送帶能耗監測裝置等。這些糧庫物聯網終端都有數據采集、數據上傳、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域的硬件產品雖各有所長，但都沒有成型化、系統化、模塊化的通用型產品架構設計，目前市場上尚無一款專門用于糧庫信息化領域的通用型智能終端。

本文提出了一種糧庫智能終端產品，該產品通過嵌入式智能信息處理技術，實現傳感數據采集與嵌入式存儲、傳感數據分析與預測、數據傳輸與控制、終端設備遠程控制、終端設備可重塑、異質終端自組織組網、終端設備代碼更新、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域的物聯網終端，解決同類系統復制難、成本高的問題（如圖1所示）。

本文提出的智能終端產品，其系統架構如下圖2所示：

該智能終端產品將嵌入式智能信息處理技術應用于糧庫信息化領域，屬于應用創新。其功能包括：

1　通用型糧庫智能終端產品架構及功能

圖1　

1.1傳感數據采集與嵌入式存儲

通過傳感數據采集適配器，硬件上支持多種傳感器的接入與擴展，軟件上通過數據采集中間件實現傳感器采集數據統一的格式解析和轉換，以及對各種傳感器參數（如采集周期、運行參數等）的動態配置。通過在終端上建立嵌入式數據庫，支持傳感數據的存儲與本地查詢。

1.2傳感數據分析與預測

1）數據相關性分析

終端設備支持多種傳感器，可以同時采集異質、多元的傳感數據。進行異質、多元傳感數據之間的相關性分析，一方面可以發現不同傳感數據之間的關聯，為上層數據挖掘、規律發現以及決策提供初步依據；另外一方面可以將強相關的多種數據進行融合，減少與數據中心數據傳輸量，降低通信開銷。

2）傳感數據預測與預警

通過一段時期的傳感數據的積累，形成建立預測模型所需的數據集。基于歷史數據集，建立傳感數據預測模型，預測未來的傳感數據數值，并與真實測量得到的傳感數據數值進行比較，修正預測模型，提高預測準確度，最后輸出傳感數據預測結果，當預測值為異常數據時，自主生成預警信息（如圖3所示）。

3）異常數據報警

對于有預設報警閾值的傳感數據，通過與正常閾值的比較，判斷是否發生異常情況，生成報警信息，通知數據中心。對于未預設報警閾值的傳感數據，通過異常點檢測等算法，自主判斷異常的發生。

1.3數據傳輸與控制

數據傳輸與控制解決網絡傳輸中數據的可靠性和安全性問題，為終端設備遠程數據和指令的傳輸提供安全、可靠的數據通道，保證數據傳輸過程中不丟包、不錯包。采用信道加密算法，保證終端到數據中心的數據安全，防止數據被破解或篡改。根據數據優先級和通信網絡狀態，動態進行傳輸流量控制，在保證數據傳輸實時性的同時，滿足業務需求。

1.4終端設備遠程控制

建立數據中心與終端設備之間的遠程連接，實現對終端設備的遠程控制，包括：1）遠程開關控制；2）遠程復位控制； 3）遠程狀態查詢；4）遠程參數配置；5）遠程固件升級；6）遠程傳感器校準。

1.5終端設備可重塑

糧庫物聯網智能終端須具備強通用性，能夠適應各種糧食物聯網應用，從簡單的溫濕度信息采集，到復雜的智能處理算法，都應該不需要重新進行終端硬件設計。此外，智能終端需要具備強專業性，能定制適合應用需求指標的軟硬件，以使得系統成本與應用規模相匹配。為了支持物聯網應用的多樣性，傳統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計，使其存在高成本、高功耗缺點，導致傳統終端無法以較高效能比支持大多數的物聯網應用。如果優先保證物聯網應用的領域專用性，需要針對不同的物聯網應用單獨設計專用終端，由于物聯網應用的高度多樣性和領域專用性，單獨設計的終端硬軟件資源無法得到有效復用，降低了物聯網應用的開發速度，增加了系統的研發成本。本項目通過研發可重塑技術解決上述問題。

1.6異質終端自組織組網

圖2　智能終端的系統架構

由于客觀物理環境和待感知對象的復雜性與動態性，應用系統需求的多樣性，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、不同性能的異質終端組成。如何部署這些異質終端來高效采集感知信息，以及如何控制這些異質終端在靜態、局部動態和全局動態的條件下連接成一個高效的自組織通信網絡，是本項目的核心關鍵技術。

本項目采用可配置、多屬性和異質的智能終端，針對終端在屬性、構造、配置、性能和覆蓋范圍等多方面的差異，提出局部區域內異質終端之間的通信機制，以及全網的層次式的通信協議；在此基礎上，針對典型的監測傳應用需求，形成一套完整的異質終端自組織組網解決方案。

異質終端自組織網絡在網絡的形成階段，針對大規模監測網絡在網絡規模、系統壽命、數據傳輸質量、系統成本等方面的要求，從異構的網絡結構、分簇機制和休眠控制機制等角度出發，為應用提供自適應性的、高效可擴展的組網算法和協議。在網絡的運行階段，針對異質終端網絡應用的采樣需求高與網絡本身計算與能量資源受限嚴重的矛盾，采取擁塞控制、優化的存取機制和可容遲應用的傳輸算法，針對具體的應用場景，使用分布式協同優化的理論和方法。同時，使用資源占用低的組網技術，完成軟硬件協同的跨層協議設計，使得異質終端網絡能夠在長時間工作。

1.7終端設備的代碼更新

對于糧食物聯網應用，需要根據應用的多樣性和動態性，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據，其具有高突發性和數據量龐大的特點。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稱為代碼更新開銷。當前的代碼更新技術通常只關注傳輸代碼引起的通信開銷，而較少關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，從而降低整個監測網絡的生命周期。另外，一些終端設備采用的嵌入式芯片，由于電源電壓的降低可能導致代碼寫入時會發生意想不到的錯誤，嚴重時會使終端上的程序崩潰。本項目通過研發代碼更新機制解決上述問題。

本文提出的智能終端設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據中心之間的多種通信傳輸方式，如802.15.4，WIFI，3G等。

2　結論

本文設計的糧庫智能終端產品通過嵌入式智能信息處理技術，實現傳感數據采集與嵌入式存儲、傳感數據分析與預測、數據傳輸與控制、終端設備遠程控制、終端設備可重塑、異質終端自組織組網、終端設備代碼更新、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域的物聯網終端，解決同類系統復制難、成本高的問題。

張煥國，羅婕， 金剛， 等..可信計算研究進展[ J] . 武漢大學學報:理學版, 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