智能物联网网关设备赋能工业自动化高效互联

内河航运物联网智能感知与信息传输系统研究与实现

我国内河航运信息化建设缓慢,航道的运载潜力尚未被充分发掘利用,主要问题有两点:电气接口和数据协议不统一导致感知终端设备输出的海量数据多源异构,大量感知终端设备难以接入航运信息化系统;航道广域感知信息传输方式过分依赖于建设周期长,成本高,难度大的大规模通信基础设施.本文为解决以上两大问题,对内河航运信息化建设中的智能感知与信息传输技术进行分析研究,并基于"互联网+物联网"理念创新性的设计一种由感知前端,中继网关和并发服务器组成的内河航运物联网智能感知与信息传输系统.具体研究设计内容如下:1.对比分析新兴物联网通信方式的主要性能参数,Lo Ra同时兼具低功耗,远距离,自组网的优点.选择Lo Ra与4G,以太网,Wi Fi进行融合,共同构建内河航运物联网智能感知与信息传输系统4G直传和Lo Ra中继转以太网或Wi Fi的双链路通信框架.2.针对感知层多源异构感知终端设备的智能接入,设计兼容RS485,RS232数字量以及4～20m A和0～5V模拟量信号类型感知终端设备接入,并具有4G和Lo Ra两种通信方式的感知前端,在感知层进行信号的电平转换,通过MSP430单片机进行数据协议统一,彻底解决感知终端设备数据多源异构的问题.3.设计用于感知前端数据中继传输的中继网关,通过Lo Ra中继传输,赋能无网环境下的航道感知,使复杂地形条件下的航道盲区感知成为可能,同时降低航运信息化建设的难度与成本,实现低成本远距离的感知范围扩展.中继网关对传统以太网,Wi Fi通信方式的支持,可保证航道状态数据的传输稳定性.4.在TCP传输协议下,为使海量多源异构感知终端设备通过感知前端同时接入成为可能,本文基于Socket网络编程对多线程并发服务器进行设计与实现.为有效提高航运管理人员的管理效能,本文在多线程并发服务器的基础上利用GUI应用程序开发软件Py Qt5设计了内河航运信息可视化管理平台.通过对内河航运物联网智能感知与信息传输系统进行Lo Ra中继传输性能和系统整体功能测试验证,并进行了工程实装应用,进一步证明了本文研究设计的内河航运物联网智能感知与信息传输系统的可行性与实用性.

基于"云-网-边-端"融合的智慧实验平台建设

摘要:文章以物联网网关开发技术课程为例,旨在构建智慧实验实训教学平台.该平台利用人工智能和大模型技术,赋能实验教学环节,提升教学质量,增强学生自主学习能力,并有效缓解实验设备不足,时间空间受限等传统教学难题.通过构建全程信息化管理的教学环境,实现了主观题的智能评判和多种编程语言的在线评阅,减轻了教师工作负担,提高了作业批改的效率和准确性.文章的研究与实践,为高校教育信息化改革提供了有力支持,推动教育行业向更加智能化,个性化的方向发展.关键词:智慧实验平台;人工智能;大模型……

基于工业现场总线的多协议转换网关设备

近年来,工业互联网与工业物联网快速发展,促进了工业现场总线技术的应用.目前,正值我国工业升级转型之际,工业企业应持续推进对多协议转换网络设备的开发,为其实践赋能.文章以此为出发点概述了工业现场总线,并在剖析多协议融合网关常用技术的基础上,分别从平台设计,结构设计,软件流程,实验测试四个方面对一种工业现场总线多协议转换网关设备进行了探讨.

基于LoRa网关式智能产品赋能冷链物流行业

冷链物流的本质是用科学方法对货物的新鲜品质进行保驾护航,根本手段是对温湿度的全程监控.如何能实时有效地获取运输全过程中的温湿度,以及追踪监控资产甚至其跌落和包装破损等成为关键环节.近年来,随着LoRa等物联网技术的快速发展,为冷链物流产业带来了全新的机遇.中国冷链物流已经进入快速发展的通道,而LoRa具有的低功耗,远距离,易部署,穿透性强和支持定位等特点将为冷链物流添加创新动能.

能量匮乏系统中低功耗赋能技术和能量管理方法研究

物联网概念的出现至今已有四十余年,"万物互联"的美好前景深得人心.时至今日,物联网在数个领域已具备较小规模的应用并产生盈利,但距离大规模的实际应用部署还有很长的路要走.究其缘由,物联网节点能量匮乏是其中的根本原因.物联网节点常使用电池或微型能量采集器作为供电模块,其供电能力极其有限.受能量约束,节点往往需要通过牺牲性能来缓解能耗问题,如降低无线接入的吞吐量和覆盖范围,甚至牺牲通信可靠性.能量匮乏不单单是一个关键问题,更作为一种约束使得物联网系统设计富有挑战性. 解决物联网节点能量匮乏问题,仅依靠"开源"是远远不够的,更重要的是"节流"."开源"主要依靠电池和能量采集技术发展,其中电池技术发展规律不遵循摩尔定律,难以满足节点对大规模长期部署的需求;能量采集由于环境能量密度不够,以及采集效率有限,导致微型能量采集器的功率只有微瓦级,而终端的功耗一般为毫瓦级.本文以"节流"为突破口进行研究,包含两层含义,分别是低功耗优化和能量效率提升.第一,区别于现有低功耗技术通常牺牲物联网节点性能的做法,本文研究低功耗赋能技术,针对高性能通信和计算因能耗约束难以在物联网节点上实现的问题,通过负载功耗优化使得这些功能以低功耗的形式得到使用,从而增补物联网节点缺失的重要功能.第二,针对节点能量利用效率低下的问题,本文研究高效能量管理方法,探索适合物联网节点的新型能量管理策略,优化能量分配和负载调控机制,使得更多的能量用在满足应用需求的刀刃上,以提升物联网系统整体性能. 实现"节流"的主要难点在于,负载功耗是由多方面因素综合决定的,无法通过对单一技术进行优化改良来寻求对负载功耗的显著降低.因此,论文对现有物联网边端体系进行了跨层次的系统研究,针对能量约束下节点通信和计算受限的关键科学问题,提出负载转移的基本解决思路,将高功耗的通信和计算负载从节点转移到性能更强,资源更丰富的物联网网关进行处理,从而降低节点功耗.围绕该思路,本文开展了四个方面的研究内容.研究内容(一)探索将节点的通信信号生成转移到网关的可行性,利用网关强大的通信性能帮助节点产生通信所需要的信号.研究内容(二)探索将计算从节点转移到网关的可行性,在网关实现更高效的计算处理.此外,研究内容(三)和研究内容(四)分别对能量管理中任务保护机制进行了改进,以及对能量探测进行了优化,提升节点对能量的利用效率.四方面的研究内容介绍如下. (一)无线通信方面:以反向散射为代表的被动式无线通信拥有极低功耗,极低成本等优势,但是被动式通信系统的下行和上行链路是极其不对称的.不同于上行链路拥有网关等高性能接收机,性能较差的下行链路易受干扰且通信短距,导致通信上的"木桶效应",限制了被动式通信系统的有效范围.本文提出被动式直接序列扩频技术来增强被动式通信系统的下行链路.不同于传统的直接序列扩频(DSSS)技术,被动式DSSS技术将接收端涉及高功耗的扩频码生成与同步操作转移到网关实现,从而以极低功耗的方式实现对通信性能的增强. (二)数字计算方面:能量匮乏限制了物联网节点的计算能力.低功耗数字电路技术的发展能一定程度缓解计算受限问题,但难以从根本上解决该问题.本文提出无处理器节点架构设计,利用被动式无线通信技术的低功耗特性将计算操作从物联网节点转移到网关进行处理.无处理器节点不是不要计算,而是将计算放到更适合计算的地方,实现更智能,更高效的计算处理.为了支持这种无处理器架构,本文介绍Radio-to-Bus(R2B)通信技术,赋能无线通信绕开处理器直接对节点上的传感器芯片实施远程控制和数据收集.本文通过真实环境实验验证了无处理器架构的可行性,并显著降低了物联网节点的整体负载功耗. (三)能量管理方面:能量采集节点易受环境能量波动的影响,能量管理机制需要根据动态的系统能量状态调节任务执行策略和实施任务掉电保护.然而,现有能量管理机制的开销较大使得即便许多应用任务简单,但设备的主要开销却集中在能量管理而非应用任务本身,导致设备的能量利用效率低下.为了降低能量管理开销,本文探索将能量管理从节点转移到网关的可行性,利用R2B通信技术,实现基于中心化计算的远程节点能量管理.本文构建出Deborah,一个为能量采集设备设计的中心化计算系统,支持将节点的能量管理,数据处理,传感器控制,数据存储等功能转移到网关实现中心化处理,实现能量采集设备最简化系统设计. (四)能量探测方面:物联网节点需要随时洞悉系统能量状态,如能量采集状态,电量等,以便能够根据当前的系统能量规划任务执行.然而,系统能量状态探测常常涉及频繁调用模数转换器,中断处理和系统状态切换,其功耗甚至高于计算任务的开销.本文提出Sentinel,一种低功耗能量探测方法用于探测节点的能量状态.Sentinel的基本思路在于将能量探测的功能完全委托给一个低功耗电路,这样系统就可以从高开销的能量探测过程中抽出身来专注于执行重要的任务(如操作传感器).Sentinel电路当且仅当采集能量达到预期能量阈值时才会激活系统,使系统尽可能处于低功耗状态节省能量.

基于总线结构的模块化架构及开放式协议研究与应用

物联网是"物物相连"的互联网,是继互联网之后的又一次信息革命,已被列为国家重点发展的战略性新兴产业.近日来,国家陆续出台了"新基建"相关政策,"新基建"是相对于"铁公机"等传统基础设施而言的新型信息网络建设,而物联网是"新基建"的重要组成部分,在"新基建"的七个领域中,5G,大数据中心,工业互联网,人工智能与物联网具有很强的相关性,同时能源基础设施,交通基础设施也需要物联网技术赋能."新基建"的布局建设,必将为物联网及其相关产业带来新的发展机遇.但是目前物联网设备通讯协议的多样化和物联网应用层协议尚无统一标准,导致了物联网底层设备和网关的多样性,造成了物联网系统执行效率低,拓展性较差,维修成本高和开发周期长等问题.为解决上述问题,本文构建了通用的物联网解决方案,设计了一套集中的,轻量的,可拓展的和开放的系统,通过基本功能接口可快速的将任何传感器,执行器和通信模块等硬件单元集成到系统架构中,可应用于设施农业,环境监测,工业制造等领域.课题所做工作可分为四点,第一,通过具象化物联网四层模型,在感知层和网络层中将传感器,执行器和通信模块等硬件单元进行集成,提出了一种基于总线的多核模块化架构,并参考OSI标准模型,结合RTOS任务间通信和CANopen分布式通信思想设计适用于该架构的轻量级通信协议——Io T-CAN.第二,基于模块化架构设计了各模块原型及对应的开发实验平台,基于Io T-CAN协议设计了通用软件工程模板.第三,在PC端,开发了架构专用开发调试工具,在云服务平台端,开发了固件管理子平台,用于固件同步,固件OTA升级等,开发了异构数据子平台,用于接收,解析和处理异构数据,开发了综合管理子平台,用于采集数据的可视化管理和设备远程控制等.第四,将课题研究的内容应用于温室大棚,梅花鹿养殖场,工厂车间等多个实际场景.多个应用实例反馈结果表明,构建的通用物联网解决方案能够满足多个场景需求,具有较强的兼容性和扩展性及较高的稳定性.最后,本文对架构模块复用率和协议性能进行了分析;模块复用率分析结果表明,架构中各类模块被多次复用,具有较强的通用性,有效的减少了开发周期,降低了开发成本,架构可快速高效的集成传感器,执行器和通信模组等硬件单元;协议性能分析表明,设计的协议具有较高的通信性能,满足架构对传输速率的要求.同时,架构的边缘计算模块进一步下移了边缘计算任务,为之后实现传感器数据异常检测,数据加密传输等功能奠定了硬件基础.