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关键词： 动态网络   自组织网络   媒体接入控制   链路有效性   分组有效时间   嵌入式系统  

摘要： 随着无人机,无人船和车辆等移动设备的普及和应用,动态网络(Dynamic Network,DNET)通信需求的快速增长促使动态组网技术逐渐成为产学研的一大研究热点。移动自组织网络除了具有自组织、自维护的特点,还主要包括动态的拓扑结构、链路失效率较高、节点频繁入退网等特点。因此,在动态组网技术中,如何保证系统节点快速加入网络、最大程度降低通信时延、信道资源公平分配等成为亟待解决的问题,这也就要求其相关协议的设计更为严格。特别的,当节点缓存区分组等待发送到下一跳节点时,链路因动态网络中节点的高速运动而失效,那么该分组很可能因为时延增长而没有达到及时性需求甚至导致数据信息失去其作用。通过分析,动态组网MAC协议应满足以下要求:一是应提供超低延迟以确保及时传输信息;二是在复杂的通信环境中应支持高可靠性和高分组传送速率。因此,基于上述考虑,为了更好地适应动态网络场景,本文以IEEE 802.11协议为基础提出了一种名为LpMAC的新型接入协议。本文的贡献如下:(1)针对链路失效现象提出了链路有效性和分组有效时间的概念。(2)基于分组有效时间差分化分组,并提出了一种基于数据分组有效时间的退避算法,确保数据分组能够在有效时间内成功可靠地传输。(3)在NS2中进行关于节点动态程度和网络流量强度两个场景的性能验证,并进行嵌入式平台开发实现。本文的主要研究内容为以下两个方面:本文针对动态场景中由于网络拓扑结构和无线链路状态频繁变化特性而导致网络时延和分组丢失率较高的不足,通过考虑下一跳链路有效性和分组发送紧急度,设计出基于下一跳链路有效性预测的接入协议。首先利用推导公式得出分组有效时间,根据分组有效时间进行业务多差分策略,在此基础上,提出一个基于有效时间的退避算法,以缓解节点运动带来的分组失效问题,增强实时性和可靠性,然后对其进行理论建模分析,对协议的平均时延、投递率和系统吞吐量三方面性能进行了理论推导。最后通过仿真验证了所提接入协议LpMAC与对比协议FDCF相比,LpMAC在动态场景下时延、分组投递率和系统吞吐量方面均具有一定优势,并且节点动态性越强LpMAC的性能优势越明显。其次,仿真环境跟真实的环境的差别很大,为了研究所设计协议应用于实际场景时面临的挑战和更有力地验证本文所设计协议的性能,本文将所设计的协议在嵌入式硬件系统中实现并进行实际场景下的性能测试。采用2440ARM开发板和3070无线网卡作为主要硬件模块,设计相应的网络框架,进行底层模块的开发,然后调用无线收发模块等实现网络数据的发送、转发、接受、处理等功能,以及其他附属接口实现交互功能。最后在具有节点动态特性的测试场景下进行协议的性能测试,结果表明所设计协议LpMAC对节点动态性带来的性能恶化具有一定的抑制作用。

关键词： 糖膏锤度测量   微波测量   复介电常数反演   神经网络   嵌入式系统  

摘要： 在制糖工业中煮糖结晶过程是自动化程度最低的一个工序,而糖膏锤度的测量是实现煮糖结晶过程自动化控制的关键技术。在众多糖膏锤度测量方法中微波测量法具有稳定性好、精确度高的优势。但在国内很少有关于微波锤度测量方面的研究,且国外的微波锤度测量技术虽然较为成熟,但也鲜有相关的研究文献报道。因此,本文研究一种基于微波技术的糖膏锤度测量方法,用以探讨微波锤度测量的实现方法。主要研究内容包括:(1)研究从微波电磁参数到糖膏锤度的转换计算方法。根据微波测量原理,研究糖膏的微波特性,建立基于微波测量的糖膏锤度计算模型。其中包括了基于复介电常数反演的糖膏锤度计算模型和基于神经网络的糖膏锤度计算模型两个方面的研究。(2)研究不同结构参数和微波参数对糖膏锤度测量的影响,并寻找最优的参数组合。通过高频结构仿真软件HFSS构建糖膏锤度测量模型,模拟糖膏锤度的微波测量过程。通过仿真的方法研究微波信号频率、微波信号功率和探头距离等参数对测量结果的影响。并通过正交试验法对各个参数进行仿真试验,利用多指标优化分析方法研究各个因素的影响优先次序,寻找较优的测量参数组合。最后再利用HFSS的Optimetrics参数优化功能,搜索最优的测量参数组合。(3)针对微波测量方案,研究设计相关的测量硬件。其中包括的研究内容有:设计用于收发微波信号的天线探头;研究用于产生特定频率,且具有较低相位噪声的微波信号源;研究测量信号幅值比和相移的方法,设计具有较高精度的幅相检测模块;研究用于控制整个测量过程,且能提供方便的人机交互的嵌入式控制系统的硬件组成和具体的实现电路。(4)根据所确定的测量系统硬件,研究开发配套的驱动软件用于实现自动在线测量功能。软件的研究开发内容包括:用于生成特定频率的激励信号模块的驱动软件;用于实现自动化数据采集的幅相模拟信号采集软件;用于实现模块与模块之间、上位机与嵌入式模块之间数据通信的的通信接口;用于显示数据和设置测量参数的人机交互界面。(5)通过实验,验证分析本文开发设计的算法和软硬件的可靠性、稳定性和准确性,并比较本文提出的两种糖膏锤度计算模型的测量效果。

关键词： 嵌入式系统   独立学院   人才培养  

摘要： 针对近年来不断深化的工科院校嵌入式系统教学模式改革,本文从独立学院教学实际出发,通过对多年来教学工作的梳理,重点剖析了人才培养模式的一些不足,从多个层面提出了针对性的意见建议,对形成特色教学,培养合格人才提供了一定借鉴和帮助。

关键词： 计算机   嵌入式系统   体系结构  

摘要： 嵌入式系统是一种完全嵌入受控器件内部,为特定应用而设计的专用计算机系统。目前,计算机嵌入式系统已经广泛应用于机器设备、监控设备、信息家电、智能家庭管理、POS网络、环境工程等重要领域。因此,对于计算机嵌入式系统的体系结构研究也显得更为重要。为此,本研究对计算机嵌入式系统体系结构的软件层、硬件层、中间层做出了系统分析,以便为相关研究提供理论参考。

关键词： 水位监测   图像识别   边缘检测   字典学习   嵌入式系统  

摘要： 目前,水资源和水安全问题己经成为影响社会、经济和生态发展的重要因素之一,其中,水位数据是可以反映这些问题的非常关键的水文资料。水位站检测水位的方法有许多种,人工测量水位时需要考虑监测人员的人身安全问题,而且数据实时性较差;采用水位计测量的缺点是工作方式复杂,精度受环境条件的影响很大,以上方法都不能实现远程测量。随着科技的发展,这些传统的水位测量方式被自动智能监测水位方式取代是必然趋势。基于此,本文综合利用图像识别技术和多媒体传输技术,设计开发了一个远程水位智能监测系统,利用图像识别技术对水位图像进行处理,识别出水位线,通过多媒体传输技术将采集到的多媒体数据(文本、图片、视频等)准确传送到监控端,从而可以实现水位的远程实时自动监测。本文的主要内容如下:研究了系统相关图像识别技术以及水位识别关键算法,面向具体环境,规划、设计了水位监测的整体流程。给出了一个水位监测系统的设计和开发,从水位监测基站和监测中心两大模块来叙述,水位监测基站包含嵌入式数据采集模块,以便周期性地收集包括水位、视频和图像等数据。然后通过蜂窝网络将收集的数据发送到监测中心,根据历史数据确定该地区的洪水或枯水预警。这种设计不仅解决了测量精度问题,而且提高了工作效率。本文研发的基于图像识别理论的智能水位监测系统经过测试,系统运行稳定,测量数据比较准确,基本达到了预期目标,可以较好的满足市场需要。

关键词： 数控机床   热误差补偿   边缘计算   卷积神经网络   嵌入式系统  

摘要： 数控机床是精密和超精密加工制造的基石,承担着为航空航天、船舶、核电等领域提供高端装备的重任。随着“中国制造2025”计划的提出和落实,制造业对数控机床的加工精度的要求日益提高。国内外多项研究表明,机床因受热形变而引起的热误差是影响数控机床加工精度的最主要因素。因此,有效的补偿机床热误差从而提高机床加工精度,具有重大的理论价值和实践意义。本文以ZK5540A重型数控机床为研究对象,设计开发基于边缘计算的嵌入式热误差补偿控制器,使用轻量化卷积神经网络建立热误差预测模型,并在数控机床上对补偿装置进行测试验证。论文的主要研究工作如下:(1)根据边缘计算的架构,制定热误差补偿控制器的总体方案,将其分为边缘网络层、边缘应用层和边-云网络层三个层次。边缘网络层中,设计两种传感器通信接口以感知机床温度和热误差数据,利用NCUC-IP核设计基于FPGA的总线通信模块实现与数控系统的通信。边-云网络层中,设计网络通信电路和基于MQTT-XML的通信协议实现边缘和云平台间的双向通信。采用ARM处理器作为主控单元并部署边缘应用开发环境,针对采集数据中的异常值研究基于可变阈值的实时预处理方法,同时提出基于G代码内嵌参数法的补偿控制策略。(2)研究基于轻量化卷积神经网络的热误差建模方法。首先针对传统热误差建模方法依赖关键测温点选取效果的问题,采用卷积神经网络建立热误差模型。然后为降低模型运行时的资源消耗,使该模型能在补偿控制器上训练更新以快速适应不同加工条件,使用轻量化卷积计算框架shufflenet代替标准卷积以减少模型的计算量,同时提出渐进阈值剪枝方法减少全连接层的参数量。最后在补偿装置上验证提出的建模方法的预测精度和运行效率。(3)将补偿控制器部署在配有HNC-848C数控系统的ZK5540A重型数控机床上,对该装置的边缘网络和边-云网络通信功能进行长时间测试,并通过仿真实验验证数据预处理方法的有效性和实时性。最后设计基于控制变量法的补偿实验方案,在铣削加工工况下于不同季节对补偿控制器的热误差补偿功能进行测试验证。

关键词： 动力电池控制系统   嵌入式系统   AES   Modbus   加密  

摘要： 随着新能源汽车的快速发展,全球各个国家对新能源汽车的要求也日益增大。作为新能源汽车的核心组成部分,动力电池的安全问题显得尤为突出。由于工业控制系统在数据通信安全方面的薄弱性,使得动力电池在生产过程中存在数据泄露,数据被篡改等各种安全风险,为动力电池以后在新能源汽车中的应用埋下安全隐患。因此,对动力电池控制系统中通信协议的安全性研究就显得十分重要和迫切。针对Modubs协议缺乏保密性的缺陷,本文选择AES算法对其进行加密处理。AES算法是以字节为单位进行列混淆变换运算,而动力电池控制系统中的设备所采用的处理器大多数都是32位,因此AES算法无法让处理器达到最优状态。此外,嵌入式系统资源有限,程序的编写方式也对算法性能有着重要影响。针对这些问题,本文提出一种基于查询表操作的改进AES算法,一方面将AES算法的S盒表和逆S盒表生成的查询表做简化处理或集中储存,并给出两种具体方案,可根据实际的嵌入式平台选择应用。另一方面,结合C语言和嵌入式系统的特点,对程序代码的编写整理出几点原则。通过以上两个方面的改进,并对两种方案进行分析对比,结果表明改进后的算法具有良好的性能,不但能满足系统对通信协议保密性的要求,同时也满足系统对通信过程实时性的要求。对于算法在系统上的实现,本文从硬件和软件两个方面进行了设计,并在最后给出了一种简单易操作的方案对算法的实现进行验证。实验结果表明,通信协议具有保密性,系统能够实现加解密功能。

关键词： 外包数据库   密码技术   数据隐藏技术   保序加密   同态加密  

摘要： 随着信息技术的发展,数据库外包服务正日益普及。在外包数据库模式下,个人或组织将自己的数据库业务外包给数据库服务提供商。外包服务商为数据所有者和数据库用户提供远程的数据库服务,避免个人或组织在数据库管理方面重复的人力和物力投入,并提供更好的可维护性和可扩展性。但是,由于第三方提供的数据库服务并不完全可信,外包数据库模式面临隐私泄露、数据盗窃、恶意篡改等一系列安全问题。密码技术将原始数据转换为无法辨识的加密数据,是一种非常有效的隐私保护方法。在外包数据库模式下,为避免将私有数据内容直接暴露给第三方数据库服务器,数据所有者可以在上传之前对原始数据进行加密。第三方数据库服务器只能访问无法辨识的密文,从而大大降低数据隐私泄露的风险。而数据隐藏技术通过引入细微的修改,将有意义的数据嵌入到载体介质中,可以为数据分发过程中的身份验证、指纹识别和版权保护提供解决方案。数据加密后,数据所有者可以在加密数据中嵌入秘密数据,以用于指纹识别和版权保护。出于管理、指纹识别或完整性验证的需求,外包数据库管理员也可以在数据所有者上传的加密数据中嵌入相应的秘密数据。在外包数据库模式下,密码技术和数据隐藏技术的结合可以显著提高外包数据库的安全性。,数据所有者仍然希望原始数据能够被完全还原,因而数据嵌入不能影响密文的解密。数据嵌入需要以可逆或无损的方式进行。针对海量且动态的现代关系数据库,本文提出一种基于保序加密的无损数据隐藏算法。该数据库数据隐藏算法通过修改加密属性值的奇偶性来嵌入秘密比特,并采用分组重复嵌入的方式,在多数表决机制的基础上提供较强的鲁棒性。由于在加密算法中引入了随机数,奇偶性修改等同于只修改了随机数。数据嵌入不影响加密数据的解密。直接解密包含嵌入数据的加密数据库即可完全恢复原始数据。实验结果和分析表明,与现有算法相比,该算法具有鲁棒性强、嵌入率高、计算复杂度低、无辅助信息、无失真等优点。此外,由于数字图像在上传数据中占有很大份额,许多针对加密数字图像的可逆数据隐藏算法被陆续提出。针对静态的数字图像,我们提出一种基于同态加密的无损数据隐藏算法。该数据隐藏算法利用同态加密算法的同态性和概率性来嵌入秘密数据。在整个数据嵌入过程中没有引入任何失真。直接解密包含嵌入数据的加密图像与原始图像相同。实验结果和分析表明,与现有算法相比,该算法具有嵌入率高、计算复杂度低、辅助信息少、无失真等优点。

关键词： 家庭用电   嵌入式系统   智能插座   Web服务器  

摘要： 随着人们生活水平的提高和智能家居的普及,人们生活的精细化水平越来越高,并且能源短缺环境问题日益突出,出于生态和经济可持续发展的考虑,从用户的角度来看,节能降耗在尽一个公民职责的同时也能为自身节省用电开销。家庭用电管理系统应运而生,针对这些问题设计一种家庭用电管理系统,实现家庭用电信息的可视化,方便用户随时了解家庭的用电信息,并且实现家庭用电器的远程控制,结合不同时段的电价和用电策略,促使用户形成良好的用电习惯,达到节能降耗的目的。本设计针对目前我国家庭用电管理发展刚刚起步,人们节能降耗意识淡薄,对家庭用电器的使用不合理,导致电量无故流失电费增长,结合家庭用电管理的优化方案,通过对用户用电行为的具体分析和对用电器的具体管理,实现对用电器用电数据和状态的可视可控,有效地调整用电时段做到错峰用电。本设计的核心为家庭网关、服务器模块、用户界面、智能插座和主控制器模块几部分,家庭网关作为中枢管理Web服务器,完成数据的存储,实现网络协议的转换;通过智能插座完成用电信息数据的采集,并且实现智能插座和家庭网关的网络互联通信;服务器模块基于Linux系统平台设计实现,完成U-Boot移植、内核裁剪和根文件系统的配置等工作,提供网页用户界面的开发环境,用户通过浏览器登录网页用户界面查看用电详情,实时管理家庭用电;主控制器模块通过电力线载波通信实现和服务器之间的数据传输,来执行用户下达的相关指令控制用电器的开关状态。本系统集简单高效、方便使用、便于管理、智能化高、兼容性强等特点于一身,有效地解决耗电不明确和通过单一账单形式反馈电费的问题。用户使用家庭用电管理系统,由网页客户端登录便可方便快速地了解家庭用电器的状态、日用电数量和费用,实现了家庭用电的精准化和数字化管理。

关键词： 视频行人检测   卷积神经网络   卡尔曼滤波   现场可编程逻辑门阵列   图形处理单元   嵌入式系统  

摘要： 近年来,卷积神经网络在行人检测领域被广泛应用。为将基于卷积神经网络的视频行人检测算法推向工程应用,实际工程中算法设计、硬件选型、算法实现等问题亟待解决。多硬件平台的算法实现与性能分析将为实际工程应用提供重要的参考依据。在此背景下,本文研究视频行人检测应用中卷积神经网络的硬件实现与性能分析问题,主要完成的工作如下:(1)针对视频输入下由运动模糊、遮挡等造成漏检的问题,提出了基于卡尔曼滤波的SSD网络后处理算法。卡尔曼滤波用于传播SSD网络的检测结果并提升、稳定行人的置信度。该算法平衡了漏检率、检测速度和硬件实现难度三方面的关系。经公开和私有数据集的训练和测试,验证了该算法的有效性,同时也为后续多硬件平台的实现奠定基础。(2)在卷积神经网络硬件实现需求和硬件平台对比分析的基础上,完成了GPU、FPGA和嵌入式三种硬件平台的选型及各平台下的卷积神经网络算法的硬件实现与优化。经对比测试,结果表明三种硬件平台下的设计与实现正确,能有效完成行人的检测。(3)针对三种硬件平台下算法的实现结果,从漏检率和计算速度两方面进行了性能的对比与分析。根据实验和调研结果,从网络计算量的选择、功耗、开发难度差异三个角度入手分析了各硬件平台的限制因素,为工程应用提供参考。本文完成了面向视频行人检测的卷积神经网络多硬件平台实现与性能分析。硬件平台实现的卷积神经网络基本单元可用于网络搭建与应用,性能分析与对比为工程中算法设计、硬件选型、算法实现等问题提供了参考依据。