李元振1,2，张鹏1,2，李孟委1,
2(1.中北大学南通智能光机电研究院，南通226001;2.
中北大学仪器与电子学院)*基金项目：军委装备发展部预研基金资助项目(41403010305)
；山西省研究生教育创新项目(2017S Y 066
)㊂摘要：本设计选取A T m e g
a 328M C U 循环调用多个传感器实现多维感知；以A R M 架构处理器为核心搭建W e b 服务器，设计数据处理与控制模块；利用W i F i 与有线网实现数据的传输与外部终端访问㊂实测结果表明, 该系统实现了对系统周围多维物理量的感知测量，具有长时间稳定运行能力，物联网数据传输时延低㊂关键词：传感器;A T m e g
a 328；多维感知；物联网；边缘计算中图分类号:T P 277 文献标识码:A
D e s i g n o f M u l t i d i m e n s i o n a l I n t e l l i g e n t P e r c e p t i o n I o T S y s t e m B a s e d o n
E d g e C o m p u t i n g
L i Y u a n z h e n 1,2,Z h a n g P e n g 1,2,L i M e n g
w e i 1,2
(1.N a n t o n g I n s t i t u t e o f I n t e l l i g e n t O p t o -M e c h a t r o n i c s ,N o r t h U n i v e r s i t y o f C h i n a ,N a n t o n g 2
26001,C h i n a ;2.S c h o o l o f I n s t r u m e n t a n d E l e c t r o n i c s ,N o r t h U n i v e r s i t y o
f C h i n a )A b s t r a c t :T h e d e s i
g n s e l e c t s A T m e g a 328M C U t o c y c l i c a l l y c a l l m u l t i p l e s e n s o r s t o r e a l i z e m u l t i -d i m e n s i o n a l p e r c e p
t i o n ,a w e b s e r v e r i s b u i l t w i t h A RM a r c h i t e c t u r e p r o c e s s o r a s t h e c o r e ,d a t a p r o c e s s i n g a n d c o n t r o l m o d u l e s a r e d e s i g
n e d .W i F i a n d w i r e d n e t w o r k a r e u s e d t o r e a l i z e d a t a t r a n s m i s s i o n a n d e x t e r n a l t e r m i n a l a c c e s s .T h e a c t u a l m e a s u r e m e n t s h o w s t h a t t h e s y s t e m r e a l i z e s t h e p e r c e p
t u a l m e a s u r e -m e n t o f t h e m u l t i -d i m e n s i o n a l p h y s i c a l q u a n t i t i e s a r o u n d t h e s y s t e m ,w h i c h h a s t h e a b i l i t y t o o p e r a t e s t a b l y f o r a l o n g
t i m e ,a n d t h e d a t a t r a n s m i s s i o n d e l a y o f t h e I n t e r n e t o f T h i n g
s i s l o w.K e y w
o r d s :s e n s o r s ;A T m e g a 328;m u l t i d i m e n s i o n a l p e r c e p t i o n ;I o T ;e d g e c o m p u t i n g 0 引 言
5G 时代的到来使万物互联的概念越来越深入人
心[1]
㊂相比传统感知设备，物联网技术的引入使感知的远程调用与数据回溯成为可能㊂目前常见的物联网感知设备大多只具备感知有限几个物理量的能力，如农业上常用
的感知温度㊁湿度和土壤的物联网设备[2-4]
，工业和生产中应用于矿山㊁隧道等测量压力的工业物联网设备[5]
，越来
越常见的家用感知温湿度或有害气体的空气检测仪等[
6-7]
㊂但目前的物联网设备普遍存在三个方面的问题：一是单一感知节点的感知功能少，往往同时使用多个设备才能满足人们在生活和生产中越来越丰富的感知需求；二是节点将数据传输到云端处理，单个节点多数据采集和多节点多数据采集时易导致服务器端数据处理压力大㊁数据传输延时长，给系统整体稳定性与实时性的优化带来挑战；三是智能化水平低，难以进行后续功能优化和本地数据解算方法上的升级㊂ 基于以上三点不足，设计基于边缘计算的多维感知智
能物联网系统[8]
，实现系统节点周围物理量全面感知，数
据本地接收㊁解算与呈现，外部观测终端可调用感知系统的感知数据，也可仅接收系统综合判断后的决策信息，系统本身包含数据处理模块并搭建好算法实现平台，可通过智能算法的升级来提升整个系统的性能与后续功能优化㊂
1 总体方案设计
1.1 系统硬件总体方案设计
本文设计的多维感知智能物联网系统架构主要由多维感知层㊁数据解算层㊁计算决策层和网络通信层四个层面组成㊂
①多维感知层:
由自主设计的传感器适配模块与多个传感器组成㊂适配模块实现了对多个传感器多种数据接口的驱动，并对传感器输出数据进行初步转换，二者配合在单感知节点上实现了多信息的感知，完成实时㊁动态获取节点周边环境物理量的功能㊂
②数据解算层:
实现对多维感知层获取到的数字量和模拟量以及摄像头数据的解算，减少数据中的干扰信
号，提高数据质量，增强数据可用性㊂
③计算决策层:
接收数据解算层数据，对数据进行综合与分析，并就数据数值做出判断㊁告警；搭建本地化W e b 服务器，开放服务器外部访问端口，实现数据的本地化呈现；构建本地算法处理环境，方便数据融合算法的本地化实现㊂
④网络通信层：外部终端通过W i F i 或有线网络访问
系统W e b 服务器,
可直接读取处理后的结果，也可获取全部感知数据㊂访问终端具备网页浏览能力即可，通用性强㊂
1.2 系统边缘计算方案设计
感知系统采集多维数据时，多传感器接入数据量大，接口和数据传输协议复杂，且在实际应用中，摄像头㊁烟雾㊁温度等传感信息数据实时性强㊂传统的感知物联网设备将获取到的信息传输到云端服务器，在云端服务器上统一对数据进行算法处理㊁数据分析与结果呈现㊂大量的设备如果直接与云端进行交互，所传输的海量数据必然会对网络通信带来巨大的压力，海量数据的处理也对云端服务
器的算力提出了越来越高的要求[
9-11]
㊂一旦中心服务器出现故障，则整个系统无法访问，甚至会造成数据不可修复性的灾难
[12]
㊂
为解决上述问题，设计了一种基于边缘计算的物联网计算解决方案，本地感知节点分担计算任务，数据处理㊁存储㊁决策本地化，从而降低数据中心的运算量㊂外部终端设备无需进行数据处理操作，仅需呈现数据分析后结果或接收处理后的数据流㊂边缘计算技术的应用降低了复杂数据传输时延，增强了系统的整体运算性能，并可提高多传感器物联网系统的稳定性㊂
2 系统硬件设计
系统的硬件框架图如图1所示，主要由以A T -
m e g a 328单片机为核心的感知集成模块和以树莓派为中心的边缘计算与物联网模块组成㊂
2.1 感知集成模块
为实现对周边物理量的全方位㊁多维度感知，需集成的传感器种类多㊁接口类型广㊂本设计中的感知
集成模块采用以A T m e g a 328为主控㊁自主设计的小体积㊁多扩展感知驱动电路，其拥有14个数字I /O 口和6个模拟I /O ,
功耗低㊁拓展性强㊂驱动电路原理图如图2所示，在其上集成的传感器模块如表1所列
㊂
图1 多维感知智能物联网系统硬件组成图表1 所驱动传感器种类㊁功能及部分参数玻璃退火炉
编号传感器名称通信协议模块实现
功能
性能参数
1火焰传感器数字I /O 燃烧识别㊁火源探测可测火光波段:760~1100n m 2人体传感器数字I /O 生物活体探测感应角度:100ʎ距离:1~4m
3声音传感器数字I /O 声音强度检测频率范围:100~
10k H z ㊂灵敏度:50d B 4测距传感器数字I /O 距离测量测量距离:0.1m~5m 5光敏传感器模拟I /O 环境
光强检测可
测
照
度:5
~1000L u x
6气体传感器
模拟I /O 可燃气体浓度青铜旋塞阀
检测浓度:300~10000p p
m 7水雾传感器
模拟I /O 空气凝珠㊁
水雾喷洒
检测检测面积:40mm
ˑ18mm
8震动传感器模拟I /O 震动强度检测
可测加速度:0~5g
99轴运动
传感器I 2
C
实现角速度㊁加速度㊁磁力测量角速度:ʃ2000d p
s 加速度:ʃ16g 磁力:ʃ49g a u s s 10
气压传感器
I 2
C
大气压测量测量范围:260~1260h P a 11温湿度传感器I I C 温湿度测量温度:-30~100ħ湿度:0%~100%12
G P S 模块
二维力传感器
U A R T
设备定位
自主定位:<2.5m C E P
图2 感知集成模块原理图
A T m e g
a 328并不具备真正的硬件多线程能力，开发中使用软件模拟的多线程库实现多个接口的循环调用，将从传感器中采集到的数值信息通过串口发送到边缘计算与物联网模块进行进一步的处理与显示㊂
2.2 边缘计算与物联网模块
边缘计算与物联网模块基于树莓派P I 4M o d e l B 进
行设计，其核心控制器为博通B C M 2711四核A R M 处理
器，具有1~4G B D D R 4运行内存，支持2.4G H z /5G H z 无线网络与千兆有线网络，拥有40P i n 的可定制引脚，性能优越㊁可定制性强㊂
A T m e g
a 328将采集到的12种传感器数据以串口发送到树莓派进行处理，同时在树莓派上驱动A T m e g a 328难以驱动的夜视摄像头模块，补足单片机性能上的欠缺,
实现声㊁光㊁电㊁磁㊁位㊁感等物理信息的全方位感知㊂在基于A R M 的L i n u x 系统上搭建本地化服务器，在本地微型服务器上进行数据的缓存，对采集到的数据进行本地信号的解算处理，根据数据信息的不同进行分类，设定数据合理化波动区间，并就烟雾㊁火焰㊁高温㊁水雾等信息进行综合后智能判断㊁异常示警㊂利用树莓派驱动4.3寸触摸显示屏幕进行数据的本地显示，并利用I /O 端口连接蜂鸣器做数据异常警报，实现数据的可视化呈现与声音报警功能㊂
单个节点利用树莓派的W i F i 与有线以太网进行网络
数据传输，数据库搭建在L i n u x 下，数据流以文本形式进行呈现，用户可通过自带屏幕浏览数据，也可以通过无线或有线网络连接到互联网，利用浏览器访问服务器远程端口获得数据㊂
3 系统软件设计
3.1 数据采集与决策程序设计
系统后台程序主要包括感知集成模块的传感器驱动程序㊁数据打包发送程序和边缘计算与物联网模块的数据
综合决策程序，其中传感器驱动程序㊁数据打包发送程序在A T m e g
a 328内运行㊂如图3(a )所示，首先,A T -m e g a 328与传感器初始化进行多传感器信息采集，采集机制为数据轮询㊂随后进行数据的初步解算，将数据转换成单片机可识别的语言㊂数据读取后随即进行打包，通过板载串口转U S B 通信接口传输至树莓派，并检查数据是否上传成功，成功则进入下一个循环，失败则再次上传㊂
决策程序运行在树莓派上的L i n u x 下，对多传感器数据进行综合判断，与预先设置的正常值进行数据对比，根据多传感器的采集结果判断异常类型，并就不同异常结果发出不同警报，调用屏幕㊁蜂鸣器实现警报执行，处理流程如图3(b
)所示㊂3.2 用户显示界面设计
F l a s k 是一个使用P y
t h o n 编写的轻量级W e b 应用框架，其具有轻量㊁灵活的特点[13]
㊂利用F l a s k 在树莓派上
搭建W e b 服务器，提供H T T P 访问方式，为外部访问终端提供直观的页面显示㊂使用W e b 服务器做前端显示界面的优点在于其优异的多平台兼容性，目前通用的操作系统普遍拥有网页浏览功能，因此基于F l a s k 的前端显示页面一次设计即可多平台共用，降低了开发难度，提高了易
用性[
14-15]
㊂本设计中的前端显示页面如图4所示㊂
图3
系统软件流程图
图4 系统前端数据显示页面
4 系统测试与分析
4.1 系统功能测试
将图5所示的感知物联网系统置于江苏省南通市某
科研实验室中进行测试，设备采集图像分辨率为720ˑ
480，帧率为30帧/秒，其他传感器数据更新频率为1H z ，表2为实验室内2020年9月27日傍晚时段㊁采样间隔为3分钟的6组数据㊂让设备进行连续48小时的长时间运行，测试及运行结果表明，本系统具有准确测量周边多种物理量并长时间稳定运行的能力，满足设计要求
㊂
图5 感知系统运行环境
4.2 感知系统数据时延测试
通信时延会影响各节点间的信息传输，实验中终端的时延是指一条完整的数据从读取到完整发送至服务器间的时间间隔㊂基于边缘计算的感知智能系统数据采集㊁处理㊁呈现于一体，用户可以从自身携带的显示屏幕直接观察到数据，从工程角度本身不存在数据延时，这也是其相比其他多数依赖云端服务器的物联网设备的时延优势，但当外部终端需对数据访问时，网络间的访问㊁交互时延依
然存在㊂
表2 感知系统实验数据
接收
时间温度
/ħ湿度
/
%光照强度/L u x 振动/(mm ㊃s -1
)雨雾
浓度/%可燃
气/%大气
压/k p a 海拔
/m 速度/(m ㊃s -1
)火焰人体环境19:0023.5146.152810.600.03104.332.10无有适宜19:0323.6344.212850.500.03104.332.10无有适宜19:0623.5243.222850.300.03104.332.10无无适宜19:0923.4744.542850.500.03104.332.10无有适宜19:1223.4744.582840.500.03104.322.10无有适宜19:15
23.42
45.79
285
0.6
0.03
104.33
2.1
无
有
适宜
在设备正常运行时，分别在有线以太网㊁5G H z W i F i (802.11a c )与2.4G H z W i F i (802.11b
)网络条件下，在电脑端访问节点服务器，测试网络数据传输时延，每种网络条件下分别进行50次重复测试以取平均值，单次测试间隔为30s ，网络设备为T P L I N K 企业级A C 1200路由
器㊂测试结果如图6所示，访问的最小时延为用有线网络时的1.08m s ，最大时延为使用2.4G H z W i F i 网络时的
30.04m s ，网络平均时延与稳定性都是有线网络最优,5G H z W i F i 次之,2.4G H z W i F i 最差㊂有线网络时延数据
代表外部网络条件良好时系统正常工作数据传输所能实现的最小时延㊂
综上，通过对自主研发的感知系统进行时延测试，发现系统的实时性表现良好；相比较传统的数据云端处理物联网设备，边缘计算㊁数据的本地处理提供了智能物联网
图6 系统网络时延测试图
设备低时延的一种硬件解决方案㊂
5 结 语
基于边缘计算的多维感知智能物联网系统针对传统
的物联网设备功能单一㊁智能化程度低㊁数据云端处理等弱项提供了一种解决思路，可为民用㊁工业感知设备的研发提供参考㊂当然本系统也存在一些不足，比如在机械结构上还有较多可发挥空间；主要进行了嵌入式平台与前端页面的搭建，数据融合算法未深入研究，系统算力被部分闲置，这些不足也是下一步的重要研究内容
㊂
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李元振(硕士研究生)，主要从事测试仪器硬件设计㊁信号采集㊁自动控制等方面的研究工作；张鹏(副教授)，主要从事自动控制㊁嵌入式系统㊁存储测试等方面的教学和研究工作㊂
(责任编辑：薛士然 收稿日期:2020-11-27
) A P S o C 技术设计了伺服定制化I P 核系统,
搭建了通用化伺服控制平台，通过伺服系统验证实现三台机构同步控制㊁电机泵稳定转速高达1万转/分；具备以太网㊁
C A N 等丰富的通信接口㊁
大容量存储空间㊁多种传感器接口，实现高度集成，可实现故障诊断㊁健康管理㊁余度重构等功能，适用于高速㊁多轴㊁多任务应用，符合电机
控制驱动技术发展趋势，可推广用于高速高集成位置随动控制系统㊁智能化执行机构㊁机械臂多轴同步控制等领域㊂
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[5]陆原，赵江峰，刘泰廷.S V P WM 调制的直接矢量控制算法研
究[J ].电测与仪表,2018,55(8):8791.
王首浩(高级工程师)，主要从事伺服系统和嵌入式系统设计工作㊂
(责任编辑：薛士然 收稿日期:2020-11-19
)
