智能家居边缘网关协议层级能耗研究

发布时间：2020-03-30 13:45

【摘要】：随着“工业4.0”时代的到来,各行各业都利用物联网、大数据、云计算等技术进行改革,人们的生产、生活逐步走向智能化,随之,由于应用的复杂化嵌入式设备的性能要求逐步提升,其数量也急剧增加。这些设备数量庞大,将会消耗大量的电能,从而导致气候变暖和环境污染等问题变得越来越突出。如今,全世界正在大力推动“低碳减排”。因此,本文对将会被广泛使用的多协议边缘网关的协议层级的能耗情况进行研究。在智能家居行业中,由于还未形成统一的规范,各生产厂商可能采用不同的通信协议,设备之间的互联互通存在困难,因此可以连接多种异构设备的网关成为重要节点之一。同时,由于云计算技术对物联网数据的处理存在不足,边缘计算技术逐步发展,网关将成为智能家居系统中重要的边缘节点。本文针对网关在主控制器使用软件和硬件协议栈芯片对协议进行解析两种方式的协议层级的能量消耗进行建模分析。本文首先对能耗分析的研究背景和意义进行了介绍,分析了国内外学者对嵌入式设备的能耗研究情况。紧接着,对边缘计算技术及其架构、应用进行了详细的介绍,并提出了新的边缘物联网四层架构,包括:边缘节点、边缘服务器、云中心、智能应用。然后,针对软件协议解析方式,先利用符号执行对程序进行分析,将不可达路径剔除,然后将源码编译为指令集,从单条指令能耗、指令间能耗、其它能耗三个方面分析智能家居网关协议级的能耗,构建能耗分析模型,并在STM32F103实验板上对Modbus/TCP与Modbus/RTU两种协议互转,通过比较三种方法的分析结果检测了模型的可行性和精确度。针对硬件协议解析方式,设计基于硬件协议芯片的多协议边缘网关,实现以太网、Wi-Fi、ZigBee、CAN协议的相互转换,采集该网关转换不同类型协议、不同数据包数量和大小时协议层级的能量消耗,利用BP神经网络训练能耗预测模型,并对模型进行验证分析。本文所提出的模型能够对边缘物联网环境下智能家居系统中的多协议边缘网关软硬件协议解析两种方式的能量消耗情况进行分析,且模型具有较高的准确度,能够为多协议边缘网关的低功耗设计提供指导。
【图文】：

计算结构,大规模数据

不足展，计算机需要处理大规模的速地对大规模数据进行处理，构之下，基于 IP 网络的虚拟化 Communications Technology，算、效用计算等技术的特点，、计算资源、存储资源和数据、软件、计算、存储等。国内n、Google、阿里巴巴、百度等供云服务。

架构图,架构

用户体验[29]。”到了 2017 年 ETSI 将移动边缘计算更名为多接cess Edge Computing，MEC)，专注于在接入网(移动设备或其计算，从而使计算尽可能接近用户而又不在终端设备中[30]。计算一方面可以对终端的原始数据进行预处理，从而减小从终数据量，节省带宽，并且可以保护用户的数据安全和隐私；另缘服务器对用户的请求直接进行处理，提高应用的响应时间，心在用户连接数量方面的压力。边缘计算是对云计算的补充，计算处理模型的不足，二者相互结合可以更好地为应用程序提物联网架构物联网架构网将各种“物”相互连接起来，任何“物”都能进行诸如获取用信息之类的操作，使得物理世界与数字世界能够相互融合。知信息、传输信息、并进行分析处理的能力，这三种能力也分，即感知层、网络层、应用层，，整个架构图如图 2.2 所示。应用层智能农场智能家居智能交通智慧城市自动驾驶智慧医疗
【学位授予单位】：四川师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU855;TP391.44;TN915.05

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