智慧灯杆为载体的边缘智能网关研发
发布时间：2020-12-11 18:08
智慧灯杆正逐渐成为促进智慧城市快速发展的最佳载体之一,其通过部署“端、管、云”的物联网系统架构为现代社会提供智能服务。集多功能为一体的智慧灯杆的感知层包含多而不同的智能模块、传感节点,网关可通过协议转换等手段实现感知层与云平台的交互。但目前以云平台为中心的智慧灯杆物联网系统中,网关仅完成数据转发和协议转换,数据分析、计算以及网络管理工作均交由云平台,必然会造成计算资源过于中心化、数据传输时延严重、网络易拥塞等不足之处。和云计算为互补协同关系的边缘计算,通过在边缘侧构建具有智能计算、数据管理等能力的平台,可弥补上述存在的缺陷。但边缘计算节点常常会出现基础资源层单一、虚拟化层缺失及边缘虚拟功能缺失的问题,对极大化利用硬件资源、提高系统的灵活性以及完成功能业务隔离还存在不足。因此,本研究在纵向项目的支持下,研发了一个以智慧灯杆为载体的边缘智能网关,其通过硬件虚拟化的方式实现功能业务隔离,支持多协议转换、管理及本地边缘计算,可在网络边缘侧完成检测、计算、决策等实时处理运算工作。本地计算为根据多种实时环境参数决策出合适的灯光参数,包括亮度和色温值。亮度调节技术已经比较成熟,但对路灯的色温调节还处...
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常规智慧灯杆物联网技术体系Fig.2-1AConventionalIoTTechnologyArchitectureofSmartLightPole国内华为、中移物联等业界领头羊也将传统物联网技术体系简化成“云、管、
智慧灯杆承载的边缘智能网关设计19考虑分布式边缘计算节点之间的计算、存储资源弹性扩展，因此，采用如图2-4所示的三层部署模型[18]。智能资产在本地处理多种或多个业务数据，并将处理后的数据汇聚到智能网关；智能网关提供总线协议转换、智能资产接入等网络功能，还将在本地完成实时数据分析、小规模数据存储、边缘轻量计算等功能，并完成实时业务在本地的实时决策、实时控制和实时优化操作；非实时数据经网关聚合后，送到云端平台及各类应用系统处理，再经由云端应用系统发布面向各类用户的智能服务。图2-4云、边协同的任务部署模型Fig.2-4TheTaskDeploymentModelofCloud&EdgeCollaboration2）边缘智能网关功能框架设计本文的边缘智能网关将提供网络、计算、存储等资源，不仅具有数字化、网络化、智能化的特点，还同时兼顾了三类开发框架的共存：智能网关框架，可支持多种网络接口、总线协议与网络拓扑，建立并管理在边缘侧的本地系统互联，具有本地计算和存储能力，能与云端系统协同；轻量计算系统框架，在资源受限条件下，注重满足感知终端对低功耗的要求；实时计算系统框架，满足应用实时性要求，将实时性要求高的任务在本地完成。因此，所形成的边缘智能网关实际将会融智能网关、感知终端、嵌入式控制器为一体，具有总线协议适配、实时联接、策略执行、资源管理等功能，成为整个智慧灯杆物联网系统的核心枢纽和智慧泛在的综合体。本文研究的边缘智能网关功能框架按图2-5所示进行分层，包括：基础资源层、虚拟化层、边缘虚拟服务层。
嵌入式平台虚拟化的设计与实现27HardwareSchedulerInterruptManagementMemoryManagementHostOSKernel…UserSpaceKernelGuestOS1UserSpaceKernelGuestOSN…VMMHostOSUserSpaceApplicationApplication…图3-2Type-2型Hypervisor的虚拟化结构模型图Fig.3-2VirtualizationStructureModelDiagramofType-2Hypervisor常见的虚拟化方式又可分为完全虚拟化（PureVirtualization）和半虚拟化（Para-Virtualization）。完全虚拟化要求硬件架构支持可虚拟化，当trap陷入Hypervisor后，敏感指令的执行由Hypervisor模拟，这种技术也被称为Trap-and-Emulate。如图3-3所示，当某个GuestOS（左边浅绿色方框内表示）想要去访问物理外设（特权资源），会产生一个Trap唤醒Hypervisor（右边浅蓝图3-3Trap-and-Emulate示意图Fig.3-3DiagramofTrap-and-Emulate色方框内表示），每一个红色箭头都表示一个Trap，由Hypervisor模拟这个访问后，返回到GuestOS下一条指令并继续执行。采用这种Trap-and-Emulate，每一条特权指令都需要转换成很多条指令去仿真，所以全虚拟化技术开销非常大，对系统性能影响很大，其优点是不用修改GuestOS，具有很好的兼容性，可支持不同版本的OS。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于边缘计算的物联网网关监控系统的研究[J]. 殳雪城,范平清. 电子器件. 2019(06)
[2]从5G基站建设的角度探讨智慧杆的标准化[J]. 田宗奇,齐飞,刘保玉. 照明工程学报. 2019(05)
[3]“5G+智慧灯杆”在智慧城市中的应用探讨[J]. 方景,殷涛,王坦,陶涛,李雪峰,李文超. 照明工程学报. 2019(04)
[4]城市道路智慧照明物联网的关键技术[J]. 刘友泉,章旭敏,高俊海,冯银,周逊盛. 照明工程学报. 2019(04)
[5]面向智慧路灯系统的线性边缘计算算法[J]. 姜玉稀,何孝亮,李闪. 照明工程学报. 2019(04)
[6]基于云边融合室外智慧灯联网的系统设计与应用[J]. 金展,管彩霞,李文宜,沈海平. 照明工程学报. 2019(04)
[7]智慧灯杆的技术痛点与应对措施[J]. 吴春海. 照明工程学报. 2019(04)
[8]多功能智慧灯杆系统应用研究[J]. 肖辉,李文超,朱应昶,李代雄,方景,高杰. 照明工程学报. 2019(04)
[9]边缘计算综述:应用、现状及挑战[J]. 丁春涛,曹建农,杨磊,王尚广. 中兴通讯技术. 2019(03)
[10]嵌入式虚拟化技术研究综述[J]. 肖伟民,邓浩江,孙鹏. 网络新媒体技术. 2019(02)
硕士论文
[1]LoRa技术及其在智慧路灯中的应用研究[D]. 陈南松.湘潭大学 2019
[2]基于NB-IoT的智慧路灯网关设计与实现[D]. 王成龙.重庆邮电大学 2019
[3]基于环境及道路状态的智慧照明控制策略研究[D]. 谭童.重庆邮电大学 2019
[4]采用全虚拟化技术的多嵌入式操作系统的研究与实现[D]. 刘维飞.电子科技大学 2017
本文编号：2910994
【文章来源】：西南大学重庆市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常规智慧灯杆物联网技术体系Fig.2-1AConventionalIoTTechnologyArchitectureofSmartLightPole国内华为、中移物联等业界领头羊也将传统物联网技术体系简化成“云、管、
智慧灯杆承载的边缘智能网关设计19考虑分布式边缘计算节点之间的计算、存储资源弹性扩展，因此，采用如图2-4所示的三层部署模型[18]。智能资产在本地处理多种或多个业务数据，并将处理后的数据汇聚到智能网关；智能网关提供总线协议转换、智能资产接入等网络功能，还将在本地完成实时数据分析、小规模数据存储、边缘轻量计算等功能，并完成实时业务在本地的实时决策、实时控制和实时优化操作；非实时数据经网关聚合后，送到云端平台及各类应用系统处理，再经由云端应用系统发布面向各类用户的智能服务。图2-4云、边协同的任务部署模型Fig.2-4TheTaskDeploymentModelofCloud&EdgeCollaboration2）边缘智能网关功能框架设计本文的边缘智能网关将提供网络、计算、存储等资源，不仅具有数字化、网络化、智能化的特点，还同时兼顾了三类开发框架的共存：智能网关框架，可支持多种网络接口、总线协议与网络拓扑，建立并管理在边缘侧的本地系统互联，具有本地计算和存储能力，能与云端系统协同；轻量计算系统框架，在资源受限条件下，注重满足感知终端对低功耗的要求；实时计算系统框架，满足应用实时性要求，将实时性要求高的任务在本地完成。因此，所形成的边缘智能网关实际将会融智能网关、感知终端、嵌入式控制器为一体，具有总线协议适配、实时联接、策略执行、资源管理等功能，成为整个智慧灯杆物联网系统的核心枢纽和智慧泛在的综合体。本文研究的边缘智能网关功能框架按图2-5所示进行分层，包括：基础资源层、虚拟化层、边缘虚拟服务层。
嵌入式平台虚拟化的设计与实现27HardwareSchedulerInterruptManagementMemoryManagementHostOSKernel…UserSpaceKernelGuestOS1UserSpaceKernelGuestOSN…VMMHostOSUserSpaceApplicationApplication…图3-2Type-2型Hypervisor的虚拟化结构模型图Fig.3-2VirtualizationStructureModelDiagramofType-2Hypervisor常见的虚拟化方式又可分为完全虚拟化（PureVirtualization）和半虚拟化（Para-Virtualization）。完全虚拟化要求硬件架构支持可虚拟化，当trap陷入Hypervisor后，敏感指令的执行由Hypervisor模拟，这种技术也被称为Trap-and-Emulate。如图3-3所示，当某个GuestOS（左边浅绿色方框内表示）想要去访问物理外设（特权资源），会产生一个Trap唤醒Hypervisor（右边浅蓝图3-3Trap-and-Emulate示意图Fig.3-3DiagramofTrap-and-Emulate色方框内表示），每一个红色箭头都表示一个Trap，由Hypervisor模拟这个访问后，返回到GuestOS下一条指令并继续执行。采用这种Trap-and-Emulate，每一条特权指令都需要转换成很多条指令去仿真，所以全虚拟化技术开销非常大，对系统性能影响很大，其优点是不用修改GuestOS，具有很好的兼容性，可支持不同版本的OS。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于边缘计算的物联网网关监控系统的研究[J]. 殳雪城,范平清. 电子器件. 2019(06)
[2]从5G基站建设的角度探讨智慧杆的标准化[J]. 田宗奇,齐飞,刘保玉. 照明工程学报. 2019(05)
[3]“5G+智慧灯杆”在智慧城市中的应用探讨[J]. 方景,殷涛,王坦,陶涛,李雪峰,李文超. 照明工程学报. 2019(04)
[4]城市道路智慧照明物联网的关键技术[J]. 刘友泉,章旭敏,高俊海,冯银,周逊盛. 照明工程学报. 2019(04)
[5]面向智慧路灯系统的线性边缘计算算法[J]. 姜玉稀,何孝亮,李闪. 照明工程学报. 2019(04)
[6]基于云边融合室外智慧灯联网的系统设计与应用[J]. 金展,管彩霞,李文宜,沈海平. 照明工程学报. 2019(04)
[7]智慧灯杆的技术痛点与应对措施[J]. 吴春海. 照明工程学报. 2019(04)
[8]多功能智慧灯杆系统应用研究[J]. 肖辉,李文超,朱应昶,李代雄,方景,高杰. 照明工程学报. 2019(04)
[9]边缘计算综述:应用、现状及挑战[J]. 丁春涛,曹建农,杨磊,王尚广. 中兴通讯技术. 2019(03)
[10]嵌入式虚拟化技术研究综述[J]. 肖伟民,邓浩江,孙鹏. 网络新媒体技术. 2019(02)
硕士论文
[1]LoRa技术及其在智慧路灯中的应用研究[D]. 陈南松.湘潭大学 2019
[2]基于NB-IoT的智慧路灯网关设计与实现[D]. 王成龙.重庆邮电大学 2019
[3]基于环境及道路状态的智慧照明控制策略研究[D]. 谭童.重庆邮电大学 2019
[4]采用全虚拟化技术的多嵌入式操作系统的研究与实现[D]. 刘维飞.电子科技大学 2017
本文编号：2910994
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