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关键词： 嵌入式系统   无线视频传输   链路聚合   4G网络  

摘要： 随着移动蜂窝网络技术和高清视频技术的飞速发展,无线流媒体业务的质量和规模逐步扩大,因其在传输效率、清晰度以及交互能力等方面的优势,逐渐成为当前互联网流量的重要组成部分。在4G网络无线视频传输中,网络传输质量受信号强度、运营商覆盖范围、运营商对上下行带宽配置差异以及网卡设备差异等因素的影响,可能导致大量数据包丢失和视频质量劣化,即使在5G网络中,单运营商网络仍难以完全满足高清视频传输的需求。链路聚合提供了一种简单高效的网络带宽扩展方法,它集成多个物理链路形成一个逻辑通路,通过在链路聚合成员端口之间共享流量,提升网络吞吐量和鲁棒性。本文结合链路聚合思想,针对当前移动网络不稳定、网络带宽难以扩展等问题,以提升高清视频传输性能为目的,从以下几个方面展开研究:(1)深入研究蜂窝移动网络、高清视频技术、流媒体传输技术以及链路聚合技术的研究背景和现状,详细分析链路聚合中的负载均衡关键技术理论和技术难点,针对本文无线网络聚合场景分析讨论,提出在软件应用层实现可扩展的无线带宽融合方案。(2)基于4G网络设计开发多运营商带宽聚合传输系统。系统包括聚合传输终端和云上聚合服务器,并采用基于UDP的应用层多路聚合协议,构成多路聚合核心传输平台。在网络稳定性差的情况下的实现稳定的大吞吐量链路。(3)深入研究链路聚合中的数据调度方案,结合无线信道的传输特点,采用动态平滑加权(DSWRR)负载均衡算法,将视频流均匀分摊到多个信道,实现多运营商网络的带宽融合。

关键词： 集群机器人   自主系统   定位   UWB   嵌入式系统  

摘要： 自然界中广泛存在着生物的集群行为,学术界研究这些生物个体之间的协作机制,并总结为集群算法在机器人平台上实现,希望将其应用在实际场景中以提高工作效率。集群算法通常要求机器人具备感知、定位、通信等功能,而现有的群机器人平台存在机器人感知范围小、定位依赖外部设备、通信范围小且不可靠、无法应用于室外等不足。针对这些不足,本文设计并实现了分布式自主集群机器人实验平台,设计的机器人具有自主移动、群体内通信、相对定位、环境感知等功能模块。本文对各个功能模块都进行了设计与实现,主要工作如下:(1)针对机器人自主移动的功能需求,设计了充电与驱动电路板,负责驱动机器人上搭载的减速电机;此外,为保证续航能力,机器人使用锂电池组供电,锂电池的充电管理电路也设计在该电路板上。(2)设计了导航控制板,该电路板上搭载了UWB模块,用于集群内的通信,同时,使用该模块构建了集群内的测距网络,实现了机器人之间的两两测距;此外,该电路板还负责电机的转速控制和集群算法的运行。(3)针对机器人相对定位的功能需求,为机器人设计了相对定位电路板,该电路板通过UWB的PDOA技术实现对其他机器人相对方位的测量,配合导航控制板上的测距结果,实现了对其他机器人的相对定位。(4)为了实现机器人对周围环境的感知,基于Open MV设计了环境感知板,该电路板负责测量环境中障碍物的边界与机器人自身的相对距离。(5)基于实时操作系统对各个功能模块进行了软件实现,最终在导航控制板上为集群算法提供了API函数,使其可以方便地使用机器人平台提供的各项功能。(6)为了对机器人各项功能进行测试,设计了一个环航编队算法,将其运行于本文设计的机器人平台,实验结果说明了机器人各模块均可正常工作。

关键词： 嵌入式系统   交流灯丝转换继电器   时间参数   差值法  

摘要： 交流继电器是保障色灯信号机正常工作的重要电气设备。依照《铁路技术管理规程》的相关规定,需要每月对点灯单元内的继电器进行一次检修。目前,主要由工人现场拆下送至检测部门进行检测,存在操作复杂、周期长等问题。本课题结合嵌入式系统和物联网技术,研制了一套铁路色灯信号机交流灯丝转换继电器时间参数在线检测系统。该系统包括远程控制、实时检测、数据远程传输、云端处理、及时报警等诸多功能,具有在线检测、集成度高、速度快、设备部署简单和操作容易等特点。同时,针对铁路部门使用率较高的JZSJC型交流继电器,开展了动态特性分析,提出差值法时间参数提取方法,并在嵌入式终端上实现应用。本课题所设计系统主要包括嵌入式终端采集设备及云平台两部分,终端采集设备主要包括主控单元、数据采集单元和信息传输单元三部分。主控单元选取STM32F407ZET6为系统主控芯片;数据采集单元使用电流变送器和AD7606模数转换芯片组合实现继电器参数检测,用BME280芯片采集周围温度、湿度和大气压强;利用ISO3088光电耦合隔离RS485芯片作为信息传输单元控制器,通过RS485通信方式与4G/GPRS-DTU设备进行双向链接,从而实现接收远程终端服务器控制和采集数据上报。云平台采用C#语言进行编写,利用API接口进行开发。主要包括远程控制继电器切换、采集数据存储与展示和从机设备管理等功能。终端采集设备与云平台依靠4G/GPRS-DTU设备,通过Modbus-RTU协议机型数据透传。最后,通过对终端采集设备各模块进行数据采集验证,连接云平台进行铁路交流灯丝继电器在线检测系统完整性测试。实验结果表明该系统稳定可靠,能够满足实际使用需求。

关键词： DEPA   数字产品   电子传输   非歧视待遇   密码技术   密码法  

摘要： DEPA是全球首个专门的数字经贸协定,采用独特的模块式框架协议。中国正积极推进加入DEPA谈判进程,其中数字产品规则是重要议题。中国对接DEPA在数字产品规则的挑战主要在于数字产品的定性问题导致待遇标准的不确定性、电子传输永久免征关税对中国关税的减损影响、数字产品的非歧视待遇规则对中国数字产品监管的挑战,以及密码技术管理规则与《密码法》相关规则的衔接。为此,中国应对DEPA数字产品规则进行更系统的文本解读和比较分析,全面考察对接DEPA数字产品规则的潜在挑战,并尽早制定相应策略,对于规则差异明显或高于中国现有保护水平的数字产品规则,可以在自贸区(港)进行先行先试,为正式加入DEPA做好充足准备。

关键词： 数控机床   数据采集   生产数据   嵌入式系统   TCP/IP  

摘要： 机床设备关乎国家生产制造,关乎国家重工业发展,数控机床作为现代装备制造业的核心,其数据采集工作可以直接决定国家生产计划。机床的生产数据和设备运行情况的实时追踪,是生产车间数字化的基础,由于数控机床生产车间数据信息杂乱繁多,数控机床结构各异,要形成有效的采集方案非常困难,因此研究设计适合于各类数控机床的生产数据采集系统势在必行。本设计首先分析和比较了国内外数控机床数据采集常用的几种方法,指出了已有的几种典型方法存在的问题以及发展的方向。基于数控机床生产数据采集通用性的需求,结合了无线传输通讯技术、嵌入式单片机技术等,提出了一种分布采集、集中管理的总体设计方案,采集平台为嵌入式单片机STM32数据采集终端,上位机为实时显示和管理平台。其次本文研究了数控机床生产数据采集系统实现的方法和思路,设计了采集系统中的最小系统原理电路和上位机管理程序等,并制作完成了STM32的电路开发板,模块可以采集机床外部接口、外部传感器和内部中继节点的数据状态。最后设计了采集数据Wi-Fi无线传输程序,把采集到的数据通过TCP/IP协议发送到上位机;同时利用C++语言设计了上位机管理系统,测试了整个系统的工作流程,测得系统在室外200m左右、室内30m范围内数据采集及通讯良好,满足一般车间的采集要求。整个设计兼顾了数据采集的准确性以及良好的人机交互,测试结果表明,本文所设计的采集系统可以较为全面准确的采集到数控机床加工过程中的生产数据信息,采集速度快、传输迅速,能够实时显示采集数据。系统扩展性好、管理方便,具有很强的实用价值。

关键词： 余热回收VRV空调   改进差分进化算法   串级控制   变论域模糊PID   嵌入式系统  

摘要： 余热回收VRV(Waste Heat Recovery Variable Refrigerant Volume)空调是集冷凝热回收技术与VRV空调的变制冷剂流量技术为一体的新型空调系统。冷凝热回收技术将VRV空调运行过程中所排放的废热回收再利用;而VRV(Variable Refrigerant Volume)空调系统将多联机、变频、节能等多种技术集于一身,依靠其能耗较小而且工作性能稳定等优势,被广泛应用于住宅建筑中。然而,冷凝热回收技术的加入会增加VRV空调系统的不确定性,为系统的稳定控制带来困难。因此,研究适用于余热回收VRV空调这一新型空调系统的控制策略具有重要意义。为此本文做了如下工作:首先,分析了余热回收VRV空调系统的结构和制冷循环原理,以及主要部件的运行机理,建立了空调系统的工程化模型。针对房间送风温度扰动较大的特点,设计了改进差分进化(MDE)算法和串级PID控制方法相结合的室内机控制器,使用MDE算法整定主、副PID控制器参数,实现对室温的精准控制。其次,针对制冷压缩机吸气压力扰动参数复杂,具有非线性、时变性、大滞后等特点,设计了变论域模糊PID和模糊前馈补偿器相结合的制冷机控制器,变论域模糊PID控制是以吸气压力的误差及其变化率为输入,在线调整PID控制器参数,控制制冷压缩机吸气压力进而实现制冷量控制。同时,针对余热回收VRV空调中板式热交换器水温变化对系统稳定性的影响,设计了模糊前馈补偿器,提前修正制冷压缩机频率。通过仿真验证MDE串级PID控制器能够有效减小送风温度出现波动情况下对房间温度的影响,同时表明变论域模糊PID与模糊前馈补偿器相结合的方法,改善了热回收水温变化对制冷量的影响。然后,在上述研究确定的控制策略的基础上,基于嵌入式系统开发了余热回收VRV空调智能控制器,完成了硬件电路并制成PCB板,开发了嵌入式控制器驱动程序、室内机控制程序和制冷机控制程序。最后,以实验室物理实物模型搭建了能源综合利用实验平台,在实验平台上对嵌入式控制器进行了实验。实验结果表明,设计的嵌入式控制器运行稳定,控制算法达到了预期效果,可满足余热回收VRV空调实际控制需求。

关键词： 嵌入式系统   量化神经网络   FPGA加速器   神经网络加速  

摘要： 随着半导体和计算机技术的不断发展,以深度神经网络为代表的人工智能技术在各个领域得到了广泛应用。伴随着硬件的发展,嵌入式设备上的存储与计算资源大幅提升,使得在嵌入式系统上部署深度神经网络成为可能,同时越来越多的嵌入式系统对部署深度神经网络的需求迫切,例如自动驾驶、手机等。但深度神经网络有着复杂的网络结构、巨大的参数量以及大量计算,为其在嵌入式智能系统的部署和运行提出挑战。为了实现深度神经网络在嵌入式系统的高效部署,本文重点研究了面向嵌入式智能系统的神经网络加速方法。首先,从神经网络数值精度的角度,提出了一种基于数值量化的神经网络加速方法。通过对神经网络权重空间表示的分析,设计了基于空间逼近的量化方法,即将神经网络32位浮点表示的权重量化为定点数表示。将神经网络的权重量化到2比特,激活量化到8比特,并且通过权重空间逼近和重训练微调来减少量化对神经网络精度的损失。在多个数据集和多个神经网络模型上进行了大量的实验,从量化的收敛性、模型精度等多方面对基于空间逼近的量化方法进行了评估。然后,从神经网络专用硬件加速器的角度,提出了一种匹配前序研究的数值量化方法的神经网络FPGA加速器。根据神经网络在运算时的数据传输方式,优化设计了存储系统,以保证高效的数据传输。详细设计了全连接层、池化层和卷积层的运算的数据流,有效降低定点数乘法对于FPGA的资源消耗。通过大量实验,从内存占用、资源消耗和峰值性能等方面评估神经网络FPGA加速器的性能,实验数据表明本文方法能够有效加速神经网络性能。最后,面向特定神经网络应用,提出了一种针对自动驾驶车道线检测的神经网络加速方法,实现了基于微分的快速车道线检测。对车道线检测问题进行建模分析,推导了车道线微分方法,利用连续线段对车道线进行曲线微分。通过卷积神经网络提取输入特征,对车道线的微分进行预测,通过嵌入向量对车道线微分进行分组。在公开数据集上,从车道线检测的准确率、神经网络的推理速度等多方面进行了大量实验,实验数据表明本文方法能够有效提升车道线检测神经网络模型的加速性能,实现了快速车道线检测。本文面向嵌入式智能系统的神经网络加法方法的研究与实现,从数值精度、硬件加速器和特定应用三个角度提供了一套深度神经网络的软硬件协同加速方案,实现了深度神经网络在嵌入式智能系统的部署与加速。

关键词： 纱线张力   张力检测   嵌入式系统   步进电机  

摘要： 在纺织及化纤等工业生产中,丝线的张力是一个十分重要的技术参数。张力不均匀会直接影响丝线在筒管上的成型,还会导致染色不均匀等。因此,如何提高纺纱环节中纱线张力检测的精确性和实时性成为提升化纤产品质量必须面对的问题。本文针对化纤生产过程中纺丝环节的纱线生产加工速度快,基本以人工抽样巡检的方式来获取张力参数,进而指导控制系统参数调整的现状。提出了一种采用相同间歇的方式来在线模拟人工检测的结构,设计并实现了应用于高速纺丝生产环节的在线张力检测装置。该装置不仅可以进行张力数据在线采集与显示,还为有效提升张力控制参数的调整提供了在线数据支持。本文主要研究内容和创新工作如下:(1)针对化纤生产过程中纱线高速运动的张力检测问题,提出了一款在线纱线张力传感器的设计方案。不仅可以实现数据的自动化采集以及相关信息的在线显示,还可以完成张力不稳定或断线时的报警功能,进而提高生产稳定性。此外,本文结合设计方案对设计结构进行了受力分析,并根据项目实际要求,使用三维设计软件对传感器机械机构进行三维建模设计,并通过3D打印技术使用光敏树脂材料打印获取了所需的结构件。(2)针对接触式纱线张力检测存在摩擦,容易对检测设备和纱线造成损坏的问题,提出间歇式纱线张力检测结构。通过结构的创新设计,采用周期性间歇式纱线张力检测,改善了陶瓷滑轮与丝线的接触方式,减少了它们之间的磨损。采用S型曲线算法以控制步进电机平稳运行,保证步进电机实现精准周期性位置控制,最终达到控制测量频率以提高检测精度的目的。(3)为增强张力检测系统的可视化程度,设计并开发了张力信息检测软件。可以将采集到的张力信息传输至上位机完成监控与显示,便于用户更加直观地查看张力信息检测结果。同时采用双以太网通信方式,兼容性好,通信速率快,便于调试、监控和组网。(4)制作出在线纱线张力检测传感器实物,对其基本性能和相关参数进行测试,采用最小二乘法进行拟合优化,并对实验数据进行分析。测试结果为:纱线张力传感器的张力测量范围为0～150g N,最大量程为0～300g N,张力分辨率为0.1g N,迟滞性为0.5825%,重复性为0.7106%,线性度为0.5822%,精度为1.0877%,满足纱线张力检测的需求。本课题针对化纤生产的纺丝环节研究并开发了一款在线张力检测传感器,通过模拟人工检测的过程,利用自动化装置实现纺丝环节中的在线张力实时检测。实验结果证明,该纱线张力传感器具有实时性好、稳定性强等特点,对于提高纱线生产的自动化程度、提升产品品质、以及实现化纤产品在线回溯系统具有重要的现实意义,市场前景良好。

关键词： 火灾检测   MobileNet   轻量化   YOLOv4   嵌入式系统  

摘要： 火灾作为城市的多发性灾害,能在极短的时间造成巨大的破坏,严重威胁人们的财产安全与生命安全。快速准确的火灾检测能够为消防救援争取宝贵时间。当前阶段的火灾检测技术以传统火灾探测器为主,探测器误报率高、且检测延时较长,无法在火灾初期快速准确识别出火情并发出警报。随着基于深度学习的目标检测技术日益发展,一些优秀的目标检测模型检测精度高,适合应用于火灾检测,但是其模型往往需要很高的算力才能保证检测的速度,无法满足以嵌入式设备为主的传统火灾检测应用场景。本文基于深度学习目标检测算法实现在嵌入式平台上的火灾实时检测技术,具体工作如下:(1)火灾数据集的构建。当前火灾检测领域尚未出现权威的数据集,本文针对网络搜集的火灾图片设计筛选与优化方案,构建了以城市火灾场景为主的火焰数据集。(2)模型轻量化的实现。嵌入式设备的内存较小、算力较低,难以运行常规的深度学习目标检测模型。为了减小模型的参数量以适应嵌入式设备,本文基于轻量化网络GhostNet与MobileNet对YOLOv4模型的特征提取网络进行改进,构建不同的轻量化特征提取网络,替换YOLOv4的CSPDarkNet-53,并将模型特征融合网络中的3×3卷积替换为深度可分离卷积。基于本文数据集对模型进行性能测试与分析,并结合嵌入式设备下轻量化网络的性能情况与实际火灾情况,构建了模型的评价体系,最终选择MobileNet V3-YOLOv4作为本文的轻量化方案。(3)轻量化模型精度的优化。火灾实时检测系统对检测精度要求高,基于改进主干特征提取网络的轻量化模型精度下降严重。本文基于加权双向特征金字塔网络Bi FPN的权重分配思想,对模型的特征融合网络进行改进。不同输入特征对最终融合后输出特征的贡献是不同的,本文根据贡献的大小,给不同输入特征分配相应的权重,并且让网络进行权重分配训练以获得最佳权重分配。本文对改进后的模型进行了消融实验,验证了本改进方法能够有效地提升精度,精度较改进前上升1%。(4)基于嵌入式平台火灾实时检测系统的实现。本文基于OWL-RV1126与IMX307搭建了一款嵌入式火灾实时检测系统。经过实验验证,搭载本文改进后模型的火灾实时检测系统检测帧率可达10FPS,能有效识别小火焰目标,且对真实火灾监控视频中的火焰有效检测率达98.46%。

关键词： 自动气象站   气象传感器   嵌入式系统   专家系统   故障检测  

摘要： 自动气象站作为主流的地面气象观测装备,能够实现对多种气象要素的自动采集、处理、存储和传输,在综合气象观测系统中发挥着重要作用。因此,确保自动气象站处于正常的工作状态对气象数据质量起着决定性的作用。本文分析了自动气象站出现故障的原因,针对目前自动气象站故障检测操作繁琐、准确率低等问题,设计并实现了一款对自动气象站进行故障检测的仪器。该仪器包含故障专家系统和现场故障检测系统,能够快速定位自动气象站故障点。论文的主要研究内容有:(1)分析多类型自动气象站各气象要素通道的结构设计和工作原理,指出各个气象量所对应的电信号参数、类型、误差范围、测量范围和转换关系,明确自动气象站故障检测仪器的性能指标和主要功能,为整个故障检测系统的开发奠定理论基础。(2)建立基于置信规则库(BRB)的自动气象站故障专家系统。针对自动气象站传感器故障等级与传感器实际数据之间存在复杂的非线性关系,利用两者定性和定量的关系,建立基于置信规则库的自动气象站故障专家系统。相较于仅基于专家经验知识建模的方法,该系统对传统专家经验库进行优化,检测结果准确性高,可解释性强。(3)针对自动气象站故障原因,结合气象信号的测量原理,研制自动气象站现场故障检测仪器,该仪器采用下位机+上位机的硬件架构。下位机以STM32F103ZET6为主控芯片,以气象信号采集和模拟电路为核心,实现对实体电路的控制、气象量与电信号之间的逻辑计算;同时采用改进型四线制电阻信号输出电路,并结合光耦隔离、USB-串口通信转换和软件补偿等方法,能够有效减少各个通道间的相互干扰,从而提高信号采集和模拟的精度。工控机作为检测系统上位机的载体,搭载气象站现场故障检测软件,主要完成控制指令的发送和显示检测结果等功能。(4)开发了检测仪器下位机嵌入式软件和上位机运行控制软件。下位机软件包含芯片端口配置驱动和逻辑运算所需代码;上位机运行控制软件实现对整个系统数据的处理、显示以及对下位机的控制等功能。实验测试结果表明,本文研制的故障检测仪器不仅能够对气象传感器进行故障等级判别,精确采集自动气象站实际输入的气象信号,快速定位传感器故障部位;还能根据用户需求模拟生成所需的气象信号,从而快速判断采集器工作状态,提升检测维修效率。