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关键词： 嵌入式系统   通信中间件   通信流程  

摘要： 嵌入式系统存在跨平台互通、互连、互操作及通用性的特殊要求,根据中间件的设计思想,本文研发了一种基于嵌入式系统的通信中间件ACOM,并对通信中间件ACOM的设计思想、设计流程以及通信流程进行了介绍。

关键词： UWB定位   温湿度监测   Chan算法   Taylor算法   嵌入式系统  

摘要： 随着我国社会经济发展水平的不断提高,温湿度数据在环境管理、工业监控、农业粮食保存等方面取得越来越多的应用,人们对于温湿度的监测技术也不断提出新的更高的要求。目前常采用的温湿度监测手段往往需要布设有线的温湿度传感器,不仅增加了成本和系统复杂度,而且更新维护困难,难以满足温湿度数据的立体化监测的要求,因此研发新的温湿度监测技术成为一项重要的发展课题。UWB(超宽带)技术,是一种通过发射非正弦窄脉冲来传输信息的无线通信技术,具有结构简单、数据传输速率高、抗干扰性强等优点。同时,由于其时域窄脉冲的分辨率相当高,因此UWB技术能够实现高精度的定位功能。基于上述优点,将UWB技术应用于温湿度监测系统以同时实现数据传输和定位功能,具有部署快、精度高、立体化、方便灵活等优点。本文设计了一种兼具UWB定位与无线数据传输的温湿度监测系统并实现了其中的关键模块。本文的主要工作内容如下:(1)提出了一种基于RSSI的值选择基站进行定位的改进Chan算法。基站数目的多少会影响Chan算法的定位精度,随着基站数目的逐渐增多,Chan算法会逐渐缩小定位结果与真实结果之间的误差,提高定位精度。但这种增长不是无限的,当基站数目增加到一定值时,继续增加基站数目对定位精度的改善效果并不明显。且若基站中某一个或几个引入较大的非视距误差时,会极大的影响Chan算法的定位结果,本文提出了基于RSSI的值选择基站进行定位的改进Chan算法,并仿真了该算法在LOS和NLOS路径下的定位性能,结果表明该算法降低了非视距误差造成的定位结果偏差较大的影响,提高了定位精度。(2)提出了一种将位置指纹与传统Taylor算法相结合的位置指纹-Taylor算法。Taylor算法的定位结果与初始值的选取有关。若初始值选取的离真实值相差较远时,Taylor算法便可能会存在不收敛的情况,此时便无法得到定位结果。而且Taylor算法的定位精度也与初始值的选取有关,初始值选取距离真实值越近,定位精度越高。针对此问题,本文提出了一种位置指纹-Taylor算法。首先采用位置指纹算法对待测目标进行定位,然后将定位结果作为Taylor算法的初始值进行二次定位。仿真了该算法在LOS和NLOS路径下的定位性能,并与该算法与传统Taylor算法的定位性能进行对比,结果表明该算法解决了Taylor算法可能出现的不收敛的问题,并提高了定位精度。(3)设计了基于UWB定位技术的温湿度监测系统并实现了其中的关键模块。包括系统的组成,温湿度传感器模块及基站的硬件部分,温湿度传感器模块及基站和主站的软件设计流程。

关键词： 物联网   温室盆栽   自动浇灌   嵌入式系统   NRF24L01无线传感网  

摘要： 盆栽幼苗植物可以缓解疲劳、装饰展厅环境、改善空气质量,在人们的生活环境里装扮着很重要的角色。盆栽幼苗的批量培育主要是在温室中进行的,传统的温室盆栽灌溉主要依赖人工经验判断植物的土壤干湿程度并决定浇水量,经验不足的园丁容易淋水太多或者太少,因自动化程度不够,人工干预过多的情况下往往容易干扰了植被的健康生存。针对眼下温室盆栽浇灌系统中操作繁琐、周围数据采集单一、以及远程监控等实时性等问题,文章选取物联网、自动化、嵌入式等技能完成了整个基于物联网架构的温室盆栽自动浇灌系统,实现了温室盆栽的自动浇灌、环境参数采集与远程监控。本文的主要工作如下:首先,分析了目前温室盆栽自动浇灌系统的一般性需求,讨论了 Bluetooth、WiFi和NRF24L01等组网方案的优缺点,根据温室盆栽自动浇灌系统的相关特性,设计了总体框架。其次,设计了系统底层的NRF24L01无线传感网。硬件上,完成了传感器节点中NRF24L01光照度模块、土壤湿度模块、温湿度模块和无线模块的原理图绘制。软件上,基于Small RTOS51实时操作系统为NRF24L01无线传感网设计了一种网络地址分配方法,并设计了一种简单的路由算法,促成了温室盆栽植物的环境数据收罗与传输,以及下发自动灌溉控制指令等。其三,完成了 Linux嵌入式主控平台的人机交互页面、硬件设计和软件设计。运用Linux设计了一个完整的自动灌溉系统,并基于Qt设计了ARM开发板上的人机交互程序,实现了温室盆栽自动浇灌系统的近端监控。第四,介绍了远程监控CGI的工作原理,构建了以B/S结构为主的Web远程监控中心,设计了远程监控界面、CGI程序和Web服务器,完成了温室盆栽自动浇灌系统的远端监控。最后,完成了 NRF24L01无线传感网试验和整机系统机能试验。实验成效讲述,本次所测试的温室盆栽自动浇灌系统达到了预期效果,运行平稳,且简单易用,存在很大的推广市场。

关键词： 目标检测   目标跟踪   全景交通监控   卷积神经网络   嵌入式系统  

摘要： 在城市智能交通系统中,全景交通监控目标检测与跟踪成为一个研究的热点,基于深度学习的目标检测及跟踪技术发展越来越快,其广泛应用于城市智能交通领域。通过对监控视频中的目标进行检测和跟踪,获得目标定位信息以及轨迹信息,对其进行分析和智能化处理,得到交通目标各项参数信息用于分析交通状况,制定合理的交通规则和预警措施,创建智慧交通。针对城市交通场景复杂、车辆及行人等目标多且尺度变化大等特点,提出一种改进的YOLOv3全景交通监控多目标检测方法。首先以YOLOv3网络为基础,兼顾大小尺度目标特性设计4个检测尺度,并对4个检测尺度特征进行融合处理。然后利用K-means聚类方法对数据集中的标注目标框进行聚类分析,选取优化的聚类锚点框宽高维度作为改进YOLOv3网络的初始候选框。全景交通监控检测目标包括大型汽车、小型汽车、骑行摩托车、骑行自行车和行人等5类。在测试集上目标检测平均精度和召回率分别达到84.49%和97.18%,较原始YOLOv3分别提高了7.76%和4.89%,处理速度可满足交通场景下实时性检测要求。将改进YOLOv3检测模型移植进嵌入式GPU平台进行应用,分别设计了视频目标检测系统和静态图像目标检测系统,分别对城市交通视频目标和监控图像目标进行检测,并统计检测到的交通目标数目,获取交通信息参数。对视频和监控图像目标运行情况进行分析,经过实验测试,视频和静态图像检测系统具有较高的检测性能,具有一定应用价值。最后利用检测和跟踪相结合的思想,在检测基础上,应用光流跟踪算法对全景交通监控目标实现跟踪,跟踪准确率在90%以上。并对特定目标进行重点跟踪,打印跟踪轨迹,获得目标运行轨迹信息,方便交通部门进行有效地监控。

关键词： 目标跟踪   判别式模型   相关滤波   TLD算法   DSST算法   嵌入式系统   DSP  

摘要： 视觉目标跟踪作为机器视觉中的一个研究热点,其在军事、民用等诸多领域具有广阔的应用前景。本文主要对TLD(Tracking-Learning-Detection)算法和DSST(Discriminative Scale Space Tracking)算法进行分析和研究,并在DSP嵌入式平台下进行了部分算法的移植与实现。具体的研究内容如下:(1)首先对生成式算法、判别式算法、相关滤波算法和深度学习算法进行了介绍,并对四种类型算法的优缺点进行分析和总结。(2)针对TLD算法抗遮挡、光照变化和尺度变化等方面性能差的问题,本文提出一种改进的TLD算法。在TLD算法的基础上将平方根容积卡尔曼滤波器融合到中值流跟踪器中,当目标被短时遮挡时,用于预测目标的位置和大小;并且将FREAK(Fast Retina Keypoint)特征引入到跟踪器,以提高跟踪器对尺度变化和光照变化的适应能力。此外,在综合模块中引入重叠率和归一化互相关系数比较机制以获得高置信度的跟踪结果。采用OTB-50数据集进行算法的性能测试,并与多种流行的算法进行对比和分析。实验结果表明,ITLD算法具有更高的跟踪精度和鲁棒性。(3)针对DSST算法无法长期跟踪目标的问题,本文提出一种基于失败检测、重检测模块和高置信度更新策略的鲁棒跟踪算法。首先利用响应最大值和峰值旁瓣比来决策跟踪结果的置信度水平,当跟踪结果置信度较低时,利用基于一致性关键点匹配的检测器重新检测和定位目标。此外,为了避免错误的模型信息引入跟踪器,提出一种自适应的高置信度更新方法,以选择高置信度的目标模型。采用OTB-2015和VOT-2016数据集进行算法性能评估,实验结果表明,改进的DSST算法的性能优于大多数流行的算法,并且比DSST算法具有更高的精度和鲁棒性。(4)为完成图像算法在嵌入式平台的移植与实现,设计了一个基于DSP的图像处理系统,该系统主要包括图像采集、处理以及显示等三个模块。图像采集模块利用CCD摄像头来采集图像;处理模块负责图像算法的处理与实现;显示模块采用LCD显示器实现对图像的显示。

关键词： 微流控   生化检测仪   硬件系统设计   嵌入式系统   人机交互  

摘要： 不管是灾害救护和战场救治,还是疫情防护以及社区门诊检验等应用条件下,快速了解伤员患者相关生化指标有着至关重要的作用。大中型医院常见的生化检测仪因体积庞大、环境条件要求高,难以适用于灾害、野外环境;全自动化生化检测仪大多操作复杂、造价昂贵,也难以普及到基层医疗机构。因此结合微流控技术,研制出多参数、易操作、低消耗、快检测、体积小的生化检测仪,以适应于野外诊疗,以及提升基层医疗实力、改善医疗结构,具有重大的社会意义和实用价值。论文针对野外条件下以及社区门诊在问诊过程中能够即时获取伤患者多参数生化指标的应用要求,开展了基于微流控技术的生化检测仪软硬件系统技术的研究。提出了一种基于离心微流控试剂盘和LED与光敏管的检测系统设计方案,实现了生化检测系统在小型化的同时又保证快速检测精度高的要求。根据检测原理和总体技术方案,设计了以S3C2440为核心的嵌入式软硬件系统,使仪器同时具备小体积和高性能的特点;设计了可用性高的人机交互界面,降低用户的学习成本,提高用户的操作效率;完成了基本功能测试和临床对比试验,所得数据表明,研制的微流控生化检测仪运行稳定、测量结果重复性好,且检测精度和检测效率基本达到临床应用要求。本文主要完成工作如下:(1)查阅了半自动生化仪的发展现状,总结了几款商用仪器的不足。分析微流控技术和生化检测技术的相关资料,确定了本文的重点研究目标和内容。(2)研究了分光光度法和微流控进样原理,提出了基于离心微流控试剂盘和LED与光敏管的检测系统设计方案。(3)根据光电检测设计方案和仪器功能需求,提出检测系统电路和其它功能电路方案,完成硬件选型并实现具体电路设计。(4)根据硬件系统方案,提出嵌入式软件系统方案;完成硬件设备的驱动软件设计和仪器功能的应用软件设计。(5)根据检测流程,分析用户各步骤所需操作,完成人机交互界面设计,并通过对控件的优化布局,提高用户的操作效率。(6)将硬件系统和软件系统整合,完成仪器组装;进行仪器调试和临床对比试验,实验结果表明,研制的微流控生化检测仪基本达到临床应用需求。

关键词： 物联网   异构网络   网关   嵌入式系统  

摘要： 随着通信技术以及智能硬件的飞速发展,信息社会已经逐步进入一个万物互联的物联网时代。M2M(Machine to Machine,机器对机器)的数据交互方式已经成为了信息技术未来发展的重要方向。物联网系统具有接入设备多样性以及通信协议异构性的特点,从而导致网络节点之间的数据互操作性较差;网关设备是物联网系统进行数据整合以及协议转换的基础组件,如何处理异构对象所带来的网络标准问题和数据整合问题是物联网网关亟需解决的关键问题,而传统的网关设备存在转换网络相对单一、部署成本较高等局限性,无法应对物联网场景下设备广泛接入的需求。针对传统网关设备的不足,本文研究与设计了基于异构BLE(Bluetooth Low Energy,低功耗蓝牙)、Lo Ra(Long Range Radio,远距离无线电)以及Wi Fi等多种无线网络技术的物联网多模网关系统,主要的研究工作和创新点如下:(1)针对传统物联网中数据互操作性较差的问题,研究与对比了紧耦合与松耦合两种不同的异构网络融合模型,本文提出了基于松耦合模型进行异构网络融合的设计方法;根据异构融合问题以及网关系统的功能特点,提出了多模网关系统的层级模型以及功能架构。(2)针对多模网关系统的功能模块提出了具体的设计方案,主要包括终端接入、数据解析转换、数据发布接收等;基于传统网关扩展性较差的问题以及异构网络节点寻址以及数据转发的功能需求,本文提出了一种轻量的寻址规范以及数据格式,并在此基础上设计了网关系统在域内与域间的数据通信机制,通过将MQTT(Message Queuing Telemetry Transport,消息队列遥测传输)作为本地域和广域网融合的基本消息协议,有效解决了不同区域下节点数据互联互通的问题。(3)根据实际应用需求,本文提出了基于嵌入式系统平台上的物联网多模网关系统软硬件的实现方案,硬件采用ARM Cortex-M4微处理作为主控芯片,ESP32及SX1278芯片等作为网关接口模组,并设计对应的硬件电路和程序处理流程,实现了具体功能;在此基础上,设计开发了一套网关系统远程管理上位机软件。从节点接入、数据透传、时延性能等方面进行了网关系统的测试,结果表明,本文所设计的物联网多模网关系统具有较为可靠和高效的异构网络融合能力,对提升网络间的互操作性具有显著的意义。

关键词： 桥式吊车   防摇   嵌入式系统   模糊自适应控制  

摘要： 桥式起重机作为现代化的运输工具,广泛应用于码头、仓库、工厂等各种生产运输场所。在其运行过程中因其非线性、欠驱动、强耦合等特点,会因惯性、风力、外界碰撞等内外因素产生吊载摆动,这不仅会降低作业效率,还存在着巨大的安全隐患。如何采取科学的控制策略抑制吊载的摆动,提高其安全性与稳定性,是一个非常重要的问题。本文通过分析桥式吊车系统的运行机理和主要因素,通过广义分析力学下的Lagrange方程建立了系统简化数学模型。对模型的非必要因素进行线性简化后,得到了系统的传递函数与状态方程,对系统的特性进行理论分析。在所建模型的基础上,根据桥式吊车的系统特点及控制目标分别设计了吊车防摇系统的PID控制器和模糊控制器,并在Matlab/Simulink根据其控制原理进行仿真,分析这两种算法的控制效果。在对传统PID算法和模糊控制研究和仿真的基础上,设计了改进的吊车防摇系统的模糊自适应PID控制器,并将仿真结果与性能参数与传统PID控制算法和模糊控制算法相对比,发现该控制方案可以提高位移和摆角的响应速度并降低摆角超调量,也可以满足的定位精度的要求。相比传统控制算法,模糊自适PID该控制器可以解决传统控制方法对模型的精确度依赖程度较高的问题,并且有更好的鲁棒性、实时性与准确性。针对传统桥式吊车PLC控制系统结构简单,不利于实现复杂算法的问题,本文设计了基于STM32的嵌入式桥式吊车智能控制系统代替传统PLC控制,在嵌入式控制器中集成控制算法,并设计相应的外围电路满足信息传输与人机交互的需求,提高了系统的集成性、信息传输的可靠性以及算法的实用性。经过现场的实验与测试,设计的基于嵌入式的桥式吊车防摇控制系统可以满足工程现场的控制需求,并且相对传统的控制方法,达到了很好的防摇与定位效果,可以大大提高工场的作业效率以及作业安全性。

关键词： 交通锥桶   智慧交通   嵌入式系统   NB-IoT   IPv6  

摘要： 近年来,随着城市化进程的不断推进,人口活动逐渐频繁,多样性的出行方式对城市的道路通行能力提出了严峻的挑战。交通锥桶作为重要的道路基础设施,在车辆引流、道路警示等方面发挥了重要的作用。由于传统的交通锥桶存在功能单一、警示效果差、维护困难等问题,不能满足现代化交通建设的要求,因此采用当前先进计算机技术对传统交通锥桶进行改造,以提高交通锥桶的应用效率,提升道路通行能力。本论文广泛调研了国内外相关国家在交通建设领域中交通锥桶应用现状,对不同道路场景下交通锥桶部署过程中存在的问题进行了深入研究,在此基础上进行了智慧交通锥桶系统项目的需求分析,提供了详细的系统设计方案,实现了基于NB-IoT和IPv6协议的智慧交通锥桶系统。该系统由两部分组成,分别为具备智能控制功能的硬件终端和面向管理人员的在线应用程序。智慧交通锥桶的内部有功能完善的物联网监测电路系统,该电路系统集成有STM32主控微处理器、物联网传感器、NB-IoT通信模组等电路。物联网传感器实时的感知交通锥桶的运行状态数据,由STM32主控制器处理后经NB-IoT模块上传至中国移动One NET物联网控制平台,应用管理服务器通过接入控制平台获取终端数据并为应用程序提供数据服务,管理人员通过应用程序可以实时的查看交通锥桶的状态信息并能够发出控制指令实现对交通锥桶的远程控制。通过对智慧交通锥桶系统的终端结构、可靠性、性能、功耗等方面的详细测试,结果表明,该系统能够全方位的监测交通锥桶的状态信息,实现远程管理功能,提高了交通锥桶在道路建设方面发挥的作用。

关键词： 嵌入式系统   机器视觉   图像处理   木工锯片   尺寸检测  

摘要： 新中国成立以来,我国建筑业持续快速发展,规模不断扩大,结构日趋优化,技术显著提高,实力明显提升,对经济社会发展作出了突出的贡献。而整个建筑业中,增长最快的就是建筑装饰行业,到现在为止,建筑装饰行业已成为建筑业的三大支柱产业之一。随着建筑装饰行业的发展,也带动了其相关产业的发展,木工锯片作为主要的装修刀具之一,市场需求越来越大。在锯片出厂前需要对锯片进行性能检测,锯片的几何参数是判断锯片是否满足切削要求的主要指标。人工测量方法不仅测量速度慢、很难保证测量精度,而且测量结果不直观、数据整理缓慢,不适用于对大批量的锯片进行检测,而机算机视觉检测成本高、占用工作空间大。鉴于此种情况,本文针对锯片的几何尺寸,设计了一套基于嵌入式视觉的锯片几何尺寸检测系统。该系统结合了嵌入式系统与图像处理技术,在树莓派开发平台上对利用工业摄像头采集到的图像进行预处理和几何计算,实现对木工锯片几何尺寸的检测。因此,有如下优点:由于采用嵌入式系统,可以减小工作区域的占地面积和成本;采用机器视觉对锯片进行检测,可以显著的提高检测速度和精度。本文的主要研究工作如下:(1)设计了一套锯片几何尺寸检测系统,该系统由图像获取部分、图像处理部分和运动控制系统组成,对系统里的相机、镜头、光源、嵌入式开发板等关键硬件进行了选型。(2)使用张正友标定法对镜头的畸变进行了矫正,通过相机标定技术将图像上的像素尺寸转换为实际的尺寸。(3)进行了图像预处理的研究,对实际图像中的噪声采用中值滤波技术降噪处理;针对图像灰度图中颜色差别大而使用双峰法对图像进行二值化处理;借助形态学处理进一步对二值化图上的缺陷做了处理;分析对比了各种边缘检测算子,最终选用canny算子对二值化图像进行边缘提取。(4)根据锯片的几何形状特性,以齿尖为特征点来设计算法,实现对锯片几何尺寸的检测。(5)对系统进行检测实验,并对误差进行分析。