大型物聯網設備中智能嵌入式監測系統設計

田建立　李立

摘 要： 當前智能監測系統由于尺寸較大，導致生產成本過高，且安裝維護非常復雜。為此，針對大型物聯網設備，設計一種智能嵌入式監測系統。給出系統的總體結構，將S3C2440處理器作為核心控制器，依據傳感器采集的監測數據對大型物聯網設備進行異常檢測，當傳感器向處理器傳輸的數據值高于報警閾值時，處理器將利用LCD液晶屏對結果進行顯示，發出蜂鳴報警，把高于閾值的數據保存至嵌入式數據庫中。詳細介紹S3C2440處理器、RS 232串口、蜂鳴器、SD卡、NAND FLASH存儲器和傳感器的硬件結構。軟件設計時，給出系統的程序開發流程和建立Qt/Embedded項目文件的詳細代碼。實驗結果表明，所設計系統不僅監測精度高，且實時性強，整體性能優越。

關鍵詞： 大型物聯網設備； 智能嵌入式監測系統； Qt/Embedded； S3C2440處理器

中圖分類號： TN926?34； TP39 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）24?0071?04

Design of intelligent embedded monitoring system in large?scale IOT equipment

TIAN Jianli1， LI Li2

（1. School of Information Engineering， Huanghe Science and Technology College， Zhengzhou 450063， China；

2. Department of Information Engineering， Zhengzhou Chenggong University of Finance and Economics， Zhengzhou 451200， China）

Abstract： The current intelligent monitoring system has high production cost， and complicated installation and maintenance due to its large size， therefore， an intelligent embedded monitoring system was designed for large?scale IOT equipments. The overall structure of the system is given. The S3C2440 processor is taken as the core controller of the system to perform the anomaly detection of the large?scale IOT equipment according to the monitoring data acquired by the sensor. When the data value t transmitted by sensor to the processor is higher than the alarm threshold， the processor will display the result by means of LCD screen， give a buzzing alarm， and save the data higher than the threshold into the embedded database. The hardware structures of S3C2440 processor， RS 232 serial port， buzzer， SD card， Nand Flash memory and sensor are introduced in detail. The program development process of the system is given and the detail code of the Qt/Embedded project file is established in software design. The experimental results show that the system has high monitoring precision， good real?time performance and superior overall performance.

Keywords： large?scale IOT equipment； intelligent embedded monitoring system； Qt/Embedded； S3C2440 processor

0 引 言

物聯網就是利用局部網絡或互聯網等通信技術把傳感器、控制器、機器、人員和物等通過新的方式聯系在一起，形成人與物、物與物相聯，實現信息化、遠程管理控制和智能化的網絡[1?3]。大型物聯網設備涉及的數據量較多，易受到惡意節點入侵，因此，需設計一種有效的監測系統，以保證大型物聯網設備的安全性[4?6]。

目前，有關智能監測系統的研究有很多，相關研究也取得了一定的成果。文獻[7]提出一種模擬信號監測系統，該系統主要包括攝像機、監視器、視頻矩陣等，以模擬信號的形式對圖像信息進行輸送，通常應用于小區域內的監測；但該系統受到傳輸距離的限制，不能入網，監測方式過于單一。文獻[8]提出一種基于PC的監測系統，該系統在監控終端安裝若干個攝像機和視頻采集設備，通過視頻壓縮卡對采集到的圖像信息進行處理后，傳輸至監測中心；該系統功能較多，適用于現場操作，然而其穩定性較低，視頻前端較為復雜，可靠性不高。文獻[9]分析了一種閾值監測方法，將隨機采集的數據點作為基本單位完成對事件的監測，依據監測數據之間的關系對容錯進行檢測，避免錯誤數據產生的負面影響；但該方法需要監測對象的先驗知識，且無法根據實際情況自適應調整檢測狀態。針對上述方法的弊端，設計了一種智能嵌入式監測系統，給出了系統的總體結構，詳細介紹了S3C2440處理器、RS 232串口、蜂鳴器、SD卡、NAND FLASH存儲器和傳感器的硬件結構。軟件設計時，給出了系統的程序開發流程和建立Qt/Embedded項目文件的詳細代碼。實驗結果表明，所設計系統整體性能優越。

1 智能嵌入式監測系統總體設計

本設計將S3C2440處理器作為核心控制器，在嵌入式平臺上，依據傳感器采集的監測數據對大型物聯網設備的異常進行監測。當傳感器向處理器傳輸的數據值高于報警閾值時，處理器將利用LCD液晶屏對結果進行顯示，同時發出蜂鳴報警，把高于閾值的數據保存至嵌入式數據庫中。系統總體結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 S3C2440處理器設計

S3C2440處理器是整個系統的核心，系統主要通過S3C2440處理器對大型物聯網設備中的數據進行接收、顯示與處理，以達到實時監測的目的。S3C2440處理器的硬件結構如圖2所示。

S3C2440是一種性能非常高的32位微控制器，外圍設備接口充分，能夠使系統能耗達到最低。S3C2440處理器外擴FLASH和64 MB存儲芯片，通過I/O接口擴展LCD屏、蜂鳴器和存儲卡等設備，和JNS121模塊共同完成無線通信。

2.2 RS 232串口設計

為了提供一個良好的硬件平臺，本文選用由三星公司提供的YC2440開發板。通過YC2440開發板的擴展串口，利用S3C2440處理器的內部寄存器與UART接口有效實現RS 232串口功能，RS 232串口電路圖如圖3所示。

圖3中，S3C2440芯片的管腳電平C401是1.8 V，因此，I/O口的邏輯電平C402最大只能達到3.3 V。為了使RS 232串口實現通信，還需在硬件上添加TTL電平至RS 232電平的轉換電路，YC2440開發板焊接了SP323EEN芯片以實現轉換電路的添加。

2.3 蜂鳴器硬件設計

本設計采用YC2440開發板上的蜂鳴器進行蜂鳴報警，蜂鳴器電路如圖4所示。

當傳感器向處理器傳輸的數據值高于報警閾值時，蜂鳴器被開啟，通過BUZZER發出各種頻率的聲音，實現蜂鳴器報警。

2.4 SD卡電路設計

S3C2440處理器帶有一個SD主機控制器，其兼容了SD協會（SDA）的標準規范，能夠將外部存儲設備直接和主機相連。SD卡電路圖如圖5所示。

SD卡的接口性能很強，訪問速率可達50 MHz，具有8位數據引腳，其外部存儲功能主要是通過YC2440開發板焊接的SDMMC芯片實現的，有助于應用程序的開發。

2.5 存儲電路設計

所設計的大型物聯網設備中智能嵌入式監測系統的內部存儲器選用FLASH存儲器。FLASH主要用于對操作系統與應用程序進行保存，包括NAND FLASH與NOR FLASH兩種。NAND FLASH不僅存儲空間大，且所需費用較低，所以本系統選用K9F2G08U0A型號的NAND FLASH芯片，其電路圖如圖6所示。

K9F2G08U0A的存儲容量是2 GB，能夠滿足系統要求，存儲功能主要通過K9F2G08芯片實現。存儲器輸入電壓為1.5～1.8 V。I/O0～3是芯片的數據輸入/輸出端，如果將其看作寫入端，可輸入數據與命令，如果將其看作輸出端，可讀取數據。CLE與ALE 主要用于命令鎖存使能端與地址鎖存使能端。

2.6 傳感器模塊

傳感器主要用于對大型物聯網設備中的數據進行采集，選用SHT11傳感器，其是一種單芯片傳感器模塊，具有很高的可靠性與穩定性，且抗干擾性強，成本較低。將傳感器無縫耦合至一個 14位模/數轉換器中，發送至S3C2440處理器上的串行接口電路。SHT11具有2線串行接口與內部電壓調節功能，對數據的變化敏感，采集精度為±0.4，完全滿足系統要求。圖7描述的是S3C2440和SHT11的接口電路，S3C2440利用I2C總線對SHT11進行管理。

3 系統軟件設計

3.1 程序開發流程

Qt是一種依據C++的跨平臺GUI系統，可為用戶提供建立圖形界面的強大功能。Qt/Embedded為Qt的嵌入式版本，更加適合嵌入式環境。建立Qt/Embedded開發環境后，需對其程序進行設計，所設計系統的程序開發流程如圖8所示。

3.2 建立Qt/Embedded項目文件代碼設計

分析上述系統程序開發流程可知，建立Qt/Embedded項目文件代碼是整個軟件設計的基礎和核心，因此，對其實現代碼進行設計：

#contain

kindQShoveKeypad：

//設置界面設計中涉及的按鈕

kindQWordingChrome；

//編譯框

kindfirst：commonQwidget

//利用QWidget構建基礎類

Common：

QShoveKeypad*my?undo??deviee：

QWordingChrome*my??wording??export；

publieslots：

//設置first.epp文件中的槽函數

fact void my_undoD（）；

first（QWidget*Pareni，eonstehar*name）；

//初始化按鈕對象

myundounit>setWording（ tr（ "UndoUnit"））；

Layout2?>addWidget（ my? undo unit， 0， 0）；

connect（ my undoes unit， SIGNAL（ clicked（）），this，

SLOT（ my_undoD（）））；

4 實驗結果分析

4.1 實驗環境

為了驗證本文設計系統的有效性，需要進行相關的實驗分析。實驗將模擬信號監測系統作為對比，在表1描述的環境下進行實驗。

表1 測試環境

PC機配置如下：Window 8.0，CPU為Intel Pentium Dual Core。

4.2 監測精度測試

分別采用本文系統與模擬信號監測系統對大型物聯網設備進行智能監測，對兩種系統的查全率與查準率進行比較，結果如表2所示。

表2 兩種系統查全率與查準率比較結果 %

分析表2可知，隨著監測數據量的逐漸增加，本文系統和模擬信號監測系統的查全率與查準率均逐漸降低，但和模擬信號監測系統相比，本文系統的查全率與查準率下降幅度較小，說明本文系統具有更高的監測精度。

4.3 監測實時性測試

為了驗證本文系統的監測實時性，對本文系統與模擬信號監測系統的最大響應時間和最小輸出延遲時間進行比較分析，結果如表3所示。分析表3可知，和模擬信號監測系統相比，本文系統的最大響應時間與最小輸出延時均較優，說明本文系統不僅監測精度高，而且實時性較強。

表3 兩種系統實時性比較結果 s

為了進一步驗證本文系統的有效性，對本文系統和模擬信號監測系統的運行數據進行比較分析，結果如表4所示。

表4 兩種系統運行數據比較結果

分析表4可知，當監測數據量相同時，本文系統的CPU使用率、服務器響應時間、磁盤使用率和服務器響應均明顯優于模擬信號監測系統，進一步驗證了本文系統的有效性。

5 結 論

本文設計了一種智能嵌入式監測系統，給出了系統的總體結構，將S3C2440處理器作為核心控制器，依據傳感器采集的監測數據對大型物聯網設備進行異常檢測，當傳感器向處理器傳輸的數據值高于報警閾值時，處理器將利用LCD液晶屏對結果進行顯示，發出蜂鳴報警，把高于閾值的數據保存至嵌入式數據庫中。詳細介紹了S3C2440處理器、RS 232串口、蜂鳴器、SD卡、NAND FLASH存儲器和傳感器的硬件結構。軟件設計時，給出了系統的程序開發流程和建立Qt/Embedded項目文件的詳細代碼。實驗結果表明，所設計系統不僅監測精度高，且實時性強，整體性能優越。

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