面向环境保护的智慧物联网关及平台设计与实现
发布时间：2020-07-14 08:24
【摘要】：伴随社会经济的持续高速发展,我国面临的环境问题也越来越受到人们重视。提高环境信息化水平,促进新兴信息技术在环保领域的应用,已成为并将长期作为环保工作的重点。为了适应新时代的发展要求,对环境进行更高效的管理,环保相关部门及企业开发了许多环保业务应用系统,积累了大量环保数据信息。但这些数据信息的采集、处理、存储和应用不够集中,缺乏规范化的管理机制,致使许多信息得不到有效利用,从而出现了“信息孤岛”、“数据烟囱”现象。如何充分利用物联网及嵌入式技术完成对各类环保信息的感知与采集、处理与传输以及分析与整合,从而满足对各种业务需求的智能响应,使环境治理决策更加科学是环保工作需要解决的当务之急。环境信息化产业的快速发展促使各种老式环保设备产生了接入环保监测网络的需求,其中很多是符合Modbus串行通讯协议标准的设备。它们对于扩大环保数据来源有重要意义。如何有效实现将这些环保设备连接到互联网,成为一个需要解决的关键问题。万物互联的时代即将来临,为了避免逐渐扩大的设备互联互通市场处于一种无序的状态,需要一种规范化的管理平台来应对工业物联网领域设备部署困难、系统升级困难及基础设施资源难以复用的问题。传统工业物联网网关存在功能单一、可扩展性差、难以维护的问题。如何设计功能更加完善的物联网网关及平台,以满足环保领域设备互联标准化的需求,建立起统一的设备互联互通平台,需要不断的探索与实践。为使上述问题得到有效解决,本文对环保物联网总体框架及智慧环保应用关键技术展开仔细研究,最终设计一种面向环境保护的新型物联网网关软件体系结构,并以此为基础完成了基于Zynq SoC智能单芯片的软件定义设备研究与实践。面向环境保护的智慧物联网关使用基于ARM+FPFA架构的Zynq-7000系列全可编程SoC作为主控芯片,并使用Xilinx Vivado集成开发环境完成硬件系统设计。它采用针对基于FPGA的片上系统而设计的PetaLinux工具完成BSP构建,并实现了对不同类型环保设备的接入支持以及与云端服务平台的智能交互。最后的系统评测结果表明,该网关稳定可靠,支持多平台数据上报,可扩展性良好。软硬件设计达到了预期效果,验证了面向环境保护的智慧物联网关软件体系结构的可行性与正确性。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.44;TN929.5
【图文】：
北京工业大学工程硕士专业学位论文2.2 智慧环保物联网总体架构研究作为世界信息产业第三次巨大变革的主角，IoT 将开启一个万物互联的信息化时代[33][34]。环保物联网将传统环保行业与物联网技术相结合，实现了环境保护信息化实践，有利于建设全方位的环保治理体系，加快我国环保信息化进程，促进“数字环保”向“智慧环保”快速过渡。随着云计算、大数据等前沿科技的研究工作不断取得新进展，环保物联网中也开始融入这些技术以更好地满足大众需求。本文通过对环保物联网应用实例的研究总结出面向环保的智慧物联网总体架构。面向环保的智慧物联网总体架构如图 2-1 所示，自下向上可分为现场设备、传输网络、IoT 设备管理平台、环保大数据分析及应用平台四个层次。
据的感知与采集技术也会更加先进，从而使得采集到的环境数据更保数据处理及传输技术保数据的处理及传输通常在物联网的网络层进行。物联网网关设备负责与远程服务平台交互，网关对环保数据的处理与传输提供技同厂商生产的环保设备甚至同一厂商生产的不同型号的环保设备协议标准不统一，通常参照国家标准《污染物在线监控（监测）系准（HJ212-2017）》（以下简称 HJ212《标准》）对环保设备原始监据格式标准化处理。HJ 212《标准》由环保部在 2017 年 4 月发布在线自动监控系统和监控中心之间的数据传输及指令交互，该标准彻执行环境保护领域的相关法律法规，对污染物在线监控系统的建使环保数据传输更加规范。HJ212《标准》中规定了现场机与上位程交互的通讯模式及通讯协议格式。现场机与上位机之间的四种通-11 所示。
第 2 章 智慧环保物联网总体框架及关键技术研究图 I 表示请求命令模式，由上位机发起请求，现场机对请求消息进行应答并执行请求，请求执行完毕后，将请求执行结果返回给上位机。图 II 表示上传命令模式，分为两种情况，第一种是单向通讯，现场机上传数据到上位机，不请求数据应答。第二种是双向通讯，现场机上报数据到上位机并请求数据应答，上位机接收到数据后，返回应答消息给现场机。图 III 和图 IV 均表示通知命令模式，在图 III 中由现场机发送通知给上位机，上位机接收到通知后，返回确认接收的消息给现场机。图 IV 中由上位机下发通知到现场机，现场机收到通知后，返回确认接收的消息给上位机。环保终端与远程服务平台依照 HJ212《标准》进行网络数据传输的报文格式如图 2-12 所示，所有的通讯数据报文都是由 ASCII 码字符组成并采用 UTF-8编码方式，数据段部分包含了通讯的主要内容。
本文编号：2754738
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.44;TN929.5
【图文】：
北京工业大学工程硕士专业学位论文2.2 智慧环保物联网总体架构研究作为世界信息产业第三次巨大变革的主角，IoT 将开启一个万物互联的信息化时代[33][34]。环保物联网将传统环保行业与物联网技术相结合，实现了环境保护信息化实践，有利于建设全方位的环保治理体系，加快我国环保信息化进程，促进“数字环保”向“智慧环保”快速过渡。随着云计算、大数据等前沿科技的研究工作不断取得新进展，环保物联网中也开始融入这些技术以更好地满足大众需求。本文通过对环保物联网应用实例的研究总结出面向环保的智慧物联网总体架构。面向环保的智慧物联网总体架构如图 2-1 所示，自下向上可分为现场设备、传输网络、IoT 设备管理平台、环保大数据分析及应用平台四个层次。
据的感知与采集技术也会更加先进，从而使得采集到的环境数据更保数据处理及传输技术保数据的处理及传输通常在物联网的网络层进行。物联网网关设备负责与远程服务平台交互，网关对环保数据的处理与传输提供技同厂商生产的环保设备甚至同一厂商生产的不同型号的环保设备协议标准不统一，通常参照国家标准《污染物在线监控（监测）系准（HJ212-2017）》（以下简称 HJ212《标准》）对环保设备原始监据格式标准化处理。HJ 212《标准》由环保部在 2017 年 4 月发布在线自动监控系统和监控中心之间的数据传输及指令交互，该标准彻执行环境保护领域的相关法律法规，对污染物在线监控系统的建使环保数据传输更加规范。HJ212《标准》中规定了现场机与上位程交互的通讯模式及通讯协议格式。现场机与上位机之间的四种通-11 所示。
第 2 章 智慧环保物联网总体框架及关键技术研究图 I 表示请求命令模式，由上位机发起请求，现场机对请求消息进行应答并执行请求，请求执行完毕后，将请求执行结果返回给上位机。图 II 表示上传命令模式，分为两种情况，第一种是单向通讯，现场机上传数据到上位机，不请求数据应答。第二种是双向通讯，现场机上报数据到上位机并请求数据应答，上位机接收到数据后，返回应答消息给现场机。图 III 和图 IV 均表示通知命令模式，在图 III 中由现场机发送通知给上位机，上位机接收到通知后，返回确认接收的消息给现场机。图 IV 中由上位机下发通知到现场机，现场机收到通知后，返回确认接收的消息给上位机。环保终端与远程服务平台依照 HJ212《标准》进行网络数据传输的报文格式如图 2-12 所示，所有的通讯数据报文都是由 ASCII 码字符组成并采用 UTF-8编码方式，数据段部分包含了通讯的主要内容。
【参考文献】
相关期刊论文 前3条
1 郑磊;罗健飞;苏湘;夏雨潇;吴仲城;;一种面向物联网应用的通用网关平台的设计[J];自动化与仪表;2013年09期
2 王书根;王振松;刘晓云;;Modbus协议的RS485总线通讯机的设计及应用[J];自动化与仪表;2011年05期
3 杨海钢;孙嘉斌;王慰;;FPGA器件设计技术发展综述[J];电子与信息学报;2010年03期
本文编号：2754738
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