【摘要】：改革開放以來,社會經(jīng)濟發(fā)展取得了顯著成效,國家對環(huán)境發(fā)展問題也越來越重視。隨著構(gòu)建資源節(jié)約型,環(huán)境友好型社會政策被確定為長期發(fā)展戰(zhàn)略任務(wù),如何提高環(huán)境綜合管理能力,實現(xiàn)國家經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展已成為亟待解決的問題。當前環(huán)境保護問題錯綜復雜,如何充分利用物聯(lián)網(wǎng)及嵌入式技術(shù)完成對各類環(huán)保信息的感知、處理與分析,需要不斷深入探索與研究應(yīng)用。借助新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來解決日益嚴峻的環(huán)境問題,是新時代發(fā)展的必然趨勢,智慧環(huán)保的概念孕育而生。智慧環(huán)保是利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),將傳統(tǒng)的環(huán)境保護工作轉(zhuǎn)變?yōu)樾畔⒒沫h(huán)境保護工作,實現(xiàn)對污染的全面感知,精準管理,有效預防。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,在智慧環(huán)保領(lǐng)域,大量的環(huán)保設(shè)備接入其中,由此將產(chǎn)生數(shù)億級環(huán)保數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)云計算的數(shù)據(jù)處理模式難以滿足智能分析的需求,一種新型的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)——邊緣計算逐漸被人們所關(guān)注。邊緣計算的提出主要是緩解數(shù)以億級的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)處理壓力,邊緣計算技術(shù)已經(jīng)在眾多領(lǐng)域中得到應(yīng)用,將邊緣計算技術(shù)應(yīng)用于環(huán)保領(lǐng)域中,能加速智慧環(huán)保行業(yè)應(yīng)用的落地,更好的促進環(huán)保智能化。本文主要研究將邊緣計算技術(shù)應(yīng)用于智慧環(huán)保領(lǐng)域,通過全面研究邊緣計算的參考架構(gòu)模型以及在實踐應(yīng)用中的架構(gòu)模型,設(shè)計出一種基于邊緣計算的智慧環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),并在此基礎(chǔ)上,結(jié)合北京市物聯(lián)網(wǎng)軟件與系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心智慧環(huán)保項目,針對項目中的具體需求,設(shè)計出一種面向智慧環(huán)保的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)軟件體系結(jié)構(gòu),并最終實現(xiàn)面向智慧環(huán)保的物聯(lián)網(wǎng)邊緣智能網(wǎng)關(guān)。在硬件選型上使用基于ARM+FPGA架構(gòu)的Zynq-7000系列全可編程SoC作為主控芯片,并使用Xilinx Vivado 2017.4集成開發(fā)環(huán)境完成硬件系統(tǒng)設(shè)計。操作系統(tǒng)及BSP設(shè)計使用Xilinx PetaLinux 2017.4工具生成功能可擴展的Linux系統(tǒng),實現(xiàn)網(wǎng)關(guān)應(yīng)用層開發(fā)環(huán)境的快速搭建。軟件系統(tǒng)設(shè)計中使用Xilinx SDK 2017.4工具進行應(yīng)用軟件的開發(fā),重點研究智慧環(huán)保邊緣智能網(wǎng)關(guān)在環(huán)保設(shè)備智能接入,環(huán)保數(shù)據(jù)安全傳輸,環(huán)保平臺快速對接等方面的問題。最后在實際項目中進行測試,驗證智慧環(huán)保邊緣智能網(wǎng)關(guān)的穩(wěn)定性與可靠性。系統(tǒng)評測結(jié)果表明,智慧環(huán)保邊緣智能網(wǎng)關(guān)支持對多種類型環(huán)保設(shè)備的快速接入,支持對環(huán)保數(shù)據(jù)使用AES算法加密進行傳輸,支持使用4G和NB網(wǎng)絡(luò)向多個云平臺進行數(shù)據(jù)上報,具有良好的擴展性,充分驗證了基于邊緣計算的智慧環(huán)保物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的正確性。
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP391.44;TN929.5;TP311.52
【圖文】：

當前國內(nèi)對邊緣計算架構(gòu)的研究主要以邊緣計算產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（ECC）為主導盟自成立以來，致力于邊緣計算體系架構(gòu)制定與技術(shù)路線的研究，并將此作動邊緣計算產(chǎn)業(yè)不斷向前發(fā)展的重要目標。在 2017 邊緣計算產(chǎn)業(yè)峰會上，和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟聯(lián)合發(fā)布了《邊緣計算參考架構(gòu) 2.0》[45]，該架構(gòu)對邊算的概念、特點以及價值等內(nèi)容進行了重點闡釋，分別從三個維度概念視圖視圖以及部署視圖，對邊緣計算應(yīng)用進行了全方位展現(xiàn)。邊緣計算參考架構(gòu)是基于模型驅(qū)動的工程方法（Model-Driven Engineering MDE），構(gòu)建了模動的智能分布式開放架構(gòu)，實現(xiàn)了資源服務(wù)與行業(yè)業(yè)務(wù)需求的智能協(xié)同，T 設(shè)施自動化與可視化。主要目的是實現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界的充分協(xié)作，不同產(chǎn)業(yè)之間的生態(tài)協(xié)作，減少系統(tǒng)之間的異構(gòu)性，簡化跨平臺移植操作性支撐系統(tǒng)的全生命周期活動。邊緣計算是物聯(lián)網(wǎng)深度發(fā)展的一項新興技術(shù)T 和 ICT 的融合產(chǎn)業(yè)推動的需求，涉及眾多技術(shù)的應(yīng)用和創(chuàng)新，包括：SDN、、業(yè)務(wù)編排、微服務(wù)、虛擬化等技術(shù)的遷移，以及 TSN、AI 算法優(yōu)化、CCF、耗 OS、低功耗芯片等技術(shù)的創(chuàng)新。邊緣計算參考架構(gòu) 2.0 如圖 2-1 所示。

制；可體驗的開發(fā)測試云環(huán)境包括：開發(fā)測試環(huán)境與工具鏈，模擬仿真環(huán)境，者社區(qū)，代碼庫。邊緣計算跟據(jù)不同行業(yè)的特點和需求，通過與行業(yè)使用場景和相關(guān)應(yīng)用相結(jié)方式，完成了從水平的平臺解決方案到垂直行業(yè)部署的落地，在不同行業(yè)構(gòu)眾多創(chuàng)新的垂直行業(yè)落地解決方案，其中典型的行業(yè)應(yīng)用場景解決方案架構(gòu)：（1）梯聯(lián)網(wǎng)據(jù)統(tǒng)計，全球目前在運行的電梯超過 1500 萬部，每天乘電梯的人數(shù)達十，提高電梯運行的安全性，降低維護成本是梯聯(lián)網(wǎng)需要解決的問題。邊緣計用于梯聯(lián)網(wǎng)中，主要完成在終端邊緣測點對電梯運行數(shù)據(jù)的實時采集與數(shù)據(jù)理，同時與云端大數(shù)據(jù)分析平臺進行協(xié)同工作，實現(xiàn)對電梯運行各個部件的進行遠程全面監(jiān)控，確保電梯“健康運行”；通過對電梯的預測性維護與管提高電梯運營的維護效率，降低維護成本，并最終降低企業(yè)運行的 OPEX計算在梯聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用架構(gòu)如圖 2-2 所示。

2）智慧水務(wù)水是城市發(fā)展的基本工作之一，城市供水系統(tǒng)是城市可持續(xù)發(fā)展的基智慧城市至關(guān)重要�；谶吘売嬎慵夹g(shù)應(yīng)用的智慧水務(wù)項目，全面利傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算技術(shù)、控制技術(shù)、智能分析技術(shù)，對供水全面感知與智能管理，實現(xiàn)可預測性維護，降低能耗；同時對城市各、供水業(yè)務(wù)流程以及供水系統(tǒng)等進行整合，實現(xiàn)多個系統(tǒng)間數(shù)據(jù)融合全面控制與故障自診斷，從而保障用水安全。邊緣計算在智慧水務(wù)如圖 2-3 所示。緣計算應(yīng)用于智慧水務(wù)中的價值主要有：硬件平臺支持工業(yè)級設(shè)計，議；使用云端平臺與智能網(wǎng)關(guān)終端協(xié)同處理的模式，在終端利用各模型對數(shù)據(jù)進行實時分析，并根據(jù)具體策略與需求進行及時響應(yīng)處理系統(tǒng)實現(xiàn)分布式邊緣設(shè)備數(shù)量的彈性擴容；使用智能服務(wù)支持多 AP管理，靈活擴展新業(yè)務(wù)。

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