关于物联网采集传输技术的研究

赵光帅,王巍,王学玲

正元地理信息集团股份有限公司 101300

摘要：物联网技术的飞速发展，产生了大量的数据，物联网大数据的特征，使得传统数据处理方式效率低下；同时由于联网设备的异构性，需要不同通信协议之间的转换及统一。本次研究在现有传统物联网传输设备开发的同时，做好适配新型物联网云平台技术研发布局。利用边缘计算强大的处理性能和灵活的协议扩展功能，实现灵活的定制化开发功能，便于DCS、PLC、摄像头等专用设备的接入及开发。下面，重点就物联网采集传输技术展开研究。

关键词：物联网；采集传输；技术要点

1基本概念

1.1物联网

物联网是一个动态的全球网络基础设施，它具有基于标准和互操作通信协议的自组织能力，其中物理的和虚拟的“物”具有身份标识、物理属性、虚拟的特性和智能的接口，并与信息网络无缝整合。物联网将与媒体互联网、服务互联网和企业互联网一道，构成未来互联网。物联网使得传统设备不再孤立，设备接入网络使得设备信息采集效率更高、设备的控制更加快速、准确，能够及时了解设备信息，更好地发挥设备的功能。随着社会与技术的发展，物联网必将深入影响人们的生活、工作、科研等。目前，物联网已经应用于智慧城市、智慧园区、智能楼宇、智慧医疗、智慧运维、智能家居、森林消防、数字车间等领域，并取得了较好的效果。

1.2物联网边缘计算

物联网边缘计算是云服务能力在边缘端的拓展。它继承了云服务的安全、存储、计算、人工智能的能力，可部署于不同量级的智能设备和计算节点中，通过定义物模型连接不同协议、不同数据格式的设备，提供安全可靠、低延时、低成本、易扩展、弱依赖的本地计算服务。

1.3可编程逻辑控制器（PLC）

业务支撑网是从市场、客户的视角，利用网络的概念来勾画业务支撑系统的框架，它包括一整套的体系结构、协议标准、实施方法和管理维护办法。

2整体架构分析

如下图的整体架构所示，一个完整的物联网系统包括研发支撑层、物联网感知层、网络层、物联网应用层。目前公司软件研发在物联网应用层已有一些成熟的系统和平台产品，但在物联网感知层和研发支撑层成熟的产品和相应环境支撑较少，所以本课题研究内容为：在物联网感知层，通过研究实现物联网采集传输关键技术并开发两项基础的物联网设备（即通用的物联测控终端和面向专用设备（PLC、DCS等）的边缘计算智能网关），通过开发设计和委托加工，形成可靠稳定的物联网基础设备，为智慧城市项目中的物联网应用场景提供设备基础。

图1 物联网系统整体架构图

3技术路线

图 2技术路线图

通过对设备开发、测试平台搭建和相关解决方案形成等工作的梳理，本课题技术路线以基础设备的开发为主。

主要任务以物联测控终端和边缘计算智能网关两个产品的开发。

开发方式，通过对比厂商实力和产品优势，选择合适的厂商进行合作研发。再合作研发过程中，把控产品设计开发、生产质量、测试数据、试点验证等关键阶段，同时完成相应的第三方认证和检测报告，最终形成可以推广的成熟产品。

通过基础设备的开发路线，不仅能产出稳定的产品，还能形成一套物联网设备开发流程，还可以为公司培养出熟悉开发流程的物联网技术人员。

4关键技术研究

4.1开发物联网基础设备

物联网基础设备的建设要求为：物联测控终端实现传感器数据采集、数据存储、数据传输功能，作为基础物联网设备，应用于智慧城市项目中通用物联网解决方案的搭建；边缘计算智能网关实现硬件系统开发、软件操作系统开发、协议解析模块、PLC、DCS设备接入等功能。

物联测控终端和边缘计算智能网关的开发，涉及到软硬件的设计和结构设计等工作。根据目前开发人员情况和开发周期以及研发投入等多方面因素考虑，本科题以开发设计和委托加工结合的方式进行推进。重点把握关键技术和关键功能的设计工作，其它加工等可控工作委托给设备厂商完成，后续完善设备的相关认证工作，最终达到快速实现产品开发工作的目标。

4.2低功耗技术

随着物联网技术的发展，物联测控终端越来越注重电源设计，尤其是在电池和太阳能供电工况下，低功耗的设备能拥有更长的续航时间，可以大大改善电池的维护周期。

一方面通过对实际使用工况的研究，在电源设计阶段，充分运用低功耗技术对供电电路进行优化，实现不同工况情况下的功耗优化。如在大负载情况下和休眠负载情况下合理选用器件，在提高电源转化效率的前提下，尽量减少静态损耗；在外设电路中，合理匹配采样电阻，以减少静态情况的电流小号；在MCU控制方面，合理优化GPIO的上拉下拉，未用引脚设置高阻，以实现相应的功耗优化。

另一方面通过嵌入式软件进行进行优化，通过设置不同的模式，对硬件进行低功耗控制，如设立多种工作模式，根据采集需求和实际情况进行合理切换，以达到最大限度的功耗优化。如在默认工作情况下全负载运行，将负载电流优化至200mA左右电流。但在休眠工况下，关闭无关芯片和模块，可以将负载电流优化至10mA左右电流。更进一步，在静态值守工况下，程序控制进入深度休眠模式，可以关闭大部分无关功能和模块，同时将MCU设定未深度休眠模式，将负载电流优化至2mA左右。而且可以通过程序设定的唤醒条件，实现各种模式的灵活切换和配置。

4.3多传感器数据采集和多协议适配技术

针对目前物联网设备和应用场景中对多种不同类型传感器的接入和协议解析不够灵活的问题，通过合理规划硬件资源，对多种传感器的采集传输方式进行研究，以实现对多传感器数据采集和多协议适配的功能。

目前市面物联网网关设备在传感器的接口上一般只会支持一种或者两种，仅满足单一需求的使用环境，但在智慧城市应用场景中，一个监测点会有两种以上的传感器接入需求，通用型物联网设备不能满足相应的需求，只能通过多种不同的设备和各种转接适配设备组合实现，增加了系统的复杂性和节点数量，不仅在稳定性上牺牲了优势，而且在成本上投入也会大大增加。通过合理规划硬件资源，对多种传感器的采集传输方式进行研究，通过深入研究，支持常用传感器的数据采集，如雨量计、水位传感器、水质、电压、RS232传感器、RS485传感器等。

在实现传感器采集技术基础上，开发协议解析模块，以便实现多种行业协议的解析适配，便于公司物联网产品应用在城市生命线安全相关领域协。如应用在水资源相关领域，可以通过配置，实现水资源协议方式上报。水文协议、MODBUS协议、环保协议等

4.4APP参数设置

在项目实施过程中，对物联网设备的调试、设参往往需要通过有线方式进行设置，在现场环境比较复杂的情况下，在操作笔记本电脑时还要满足线缆连接的空间，开展工作不仅不方便，对也存在一定的安全隐患。

针对此种情况通过近场无线传输技术，开发扩展参数设置功能，以实现便携手机APP就可以进行设备的参数读取、调试、参数设置等操作，从而避免了现场操作笔记本电脑的不便，一定程度的摆脱了有线连接的束缚，也能最大限度的减少相应的安全隐患。

结语

综上所述，由于物联网设备数据涉及物联网相关网络安全，本次依据实际应用需求，符合国家相关网络安全标准，提出保障系统长期稳定可靠运行、数据存储、访问、传输等方面安全的防范技术和措施。

参考文献

[1]陈夫鹏. 基于物联网的企业生产信息采集技术的研究[D].华北理工大学,2021.

[2]詹玉峰. 物联网中的群智大数据采集技术研究[D].北京理工大学,2018.

[3]张为,李亮.多传感器数据采集技术在物联网的应用研究[J].广州大学学报(自然科学版),2012,11(03):75-80.