面向智慧环保的物联网边缘计算技术的研究与设计

发布时间：2020-07-18 19:37

【摘要】：改革开放以来,社会经济发展取得了显著成效,国家对环境发展问题也越来越重视。随着构建资源节约型,环境友好型社会政策被确定为长期发展战略任务,如何提高环境综合管理能力,实现国家经济的可持续发展和绿色发展已成为亟待解决的问题。当前环境保护问题错综复杂,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、处理与分析,需要不断深入探索与研究应用。借助新兴的物联网技术来解决日益严峻的环境问题,是新时代发展的必然趋势,智慧环保的概念孕育而生。智慧环保是利用物联网技术,将传统的环境保护工作转变为信息化的环境保护工作,实现对污染的全面感知,精准管理,有效预防。随着物联网技术的快速发展,在智慧环保领域,大量的环保设备接入其中,由此将产生数亿级环保数据。传统云计算的数据处理模式难以满足智能分析的需求,一种新型的物联网技术——边缘计算逐渐被人们所关注。边缘计算的提出主要是缓解数以亿级的物联网设备所产生的数据处理压力,边缘计算技术已经在众多领域中得到应用,将边缘计算技术应用于环保领域中,能加速智慧环保行业应用的落地,更好的促进环保智能化。本文主要研究将边缘计算技术应用于智慧环保领域,通过全面研究边缘计算的参考架构模型以及在实践应用中的架构模型,设计出一种基于边缘计算的智慧环保物联网架构,并在此基础上,结合北京市物联网软件与系统工程技术研究中心智慧环保项目,针对项目中的具体需求,设计出一种面向智慧环保的物联网网关软件体系结构,并最终实现面向智慧环保的物联网边缘智能网关。在硬件选型上使用基于ARM+FPGA架构的Zynq-7000系列全可编程SoC作为主控芯片,并使用Xilinx Vivado 2017.4集成开发环境完成硬件系统设计。操作系统及BSP设计使用Xilinx PetaLinux 2017.4工具生成功能可扩展的Linux系统,实现网关应用层开发环境的快速搭建。软件系统设计中使用Xilinx SDK 2017.4工具进行应用软件的开发,重点研究智慧环保边缘智能网关在环保设备智能接入,环保数据安全传输,环保平台快速对接等方面的问题。最后在实际项目中进行测试,验证智慧环保边缘智能网关的稳定性与可靠性。系统评测结果表明,智慧环保边缘智能网关支持对多种类型环保设备的快速接入,支持对环保数据使用AES算法加密进行传输,支持使用4G和NB网络向多个云平台进行数据上报,具有良好的扩展性,充分验证了基于边缘计算的智慧环保物联网架构的正确性。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP391.44;TN929.5;TP311.52
【图文】：

视图,参考架构

当前国内对边缘计算架构的研究主要以边缘计算产业联盟（ECC）为主导盟自成立以来，致力于边缘计算体系架构制定与技术路线的研究，并将此作动边缘计算产业不断向前发展的重要目标。在 2017 边缘计算产业峰会上，和工业互联网产业联盟联合发布了《边缘计算参考架构 2.0》[45]，该架构对边算的概念、特点以及价值等内容进行了重点阐释，分别从三个维度概念视图视图以及部署视图，对边缘计算应用进行了全方位展现。边缘计算参考架构是基于模型驱动的工程方法（Model-Driven Engineering MDE），构建了模动的智能分布式开放架构，实现了资源服务与行业业务需求的智能协同，T 设施自动化与可视化。主要目的是实现物理世界和数字世界的充分协作，不同产业之间的生态协作，减少系统之间的异构性，简化跨平台移植操作性支撑系统的全生命周期活动。边缘计算是物联网深度发展的一项新兴技术T 和 ICT 的融合产业推动的需求，涉及众多技术的应用和创新，包括：SDN、、业务编排、微服务、虚拟化等技术的迁移，以及 TSN、AI 算法优化、CCF、耗 OS、低功耗芯片等技术的创新。边缘计算参考架构 2.0 如图 2-1 所示。

架构图,架构,电梯,解决方案

制；可体验的开发测试云环境包括：开发测试环境与工具链，模拟仿真环境，者社区，代码库。边缘计算跟据不同行业的特点和需求，通过与行业使用场景和相关应用相结方式，完成了从水平的平台解决方案到垂直行业部署的落地，在不同行业构众多创新的垂直行业落地解决方案，其中典型的行业应用场景解决方案架构：（1）梯联网据统计，全球目前在运行的电梯超过 1500 万部，每天乘电梯的人数达十，提高电梯运行的安全性，降低维护成本是梯联网需要解决的问题。边缘计用于梯联网中，主要完成在终端边缘测点对电梯运行数据的实时采集与数据理，同时与云端大数据分析平台进行协同工作，实现对电梯运行各个部件的进行远程全面监控，确保电梯“健康运行”；通过对电梯的预测性维护与管提高电梯运营的维护效率，降低维护成本，并最终降低企业运行的 OPEX计算在梯联网中的应用架构如图 2-2 所示。

架构图,水务,架构

2）智慧水务水是城市发展的基本工作之一，城市供水系统是城市可持续发展的基智慧城市至关重要。基于边缘计算技术应用的智慧水务项目，全面利传感技术、网络技术、计算技术、控制技术、智能分析技术，对供水全面感知与智能管理，实现可预测性维护，降低能耗；同时对城市各、供水业务流程以及供水系统等进行整合，实现多个系统间数据融合全面控制与故障自诊断，从而保障用水安全。边缘计算在智慧水务如图 2-3 所示。缘计算应用于智慧水务中的价值主要有：硬件平台支持工业级设计，议；使用云端平台与智能网关终端协同处理的模式，在终端利用各模型对数据进行实时分析，并根据具体策略与需求进行及时响应处理系统实现分布式边缘设备数量的弹性扩容；使用智能服务支持多 AP管理，灵活扩展新业务。

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