综合传感网实验平台
1. 建设目标与内容
建设目标是根据综合传感网架构，采用边缘计算等技术，在实验室搭建了基于边缘计算的综合传感网创新实验平台。通过各种有线/无线传感器（系统）收集、存储、处理传感数据，在任何时间向位于任何地点的用户提供个性化、多元化业务，具有完整且独立的物理感知与执行、数据传送和业务处理能力，可分为感知层、传送层和业务层三部分。
2. 平台框架与方案
首先根据综合传感网三层划分，测试平台也划分为三个功能区。其中感知层对应传感器接入区、传送层对应边缘节点区、业务层对应汇聚技术区。其实应用边缘计算技术实现云边协同，在OSCC实验室搭建了可扩展性强的测试平台。
1）传感器接入区：
传感器接入区服务于各个传感器子系统，按接口分为四类，包含有线电传感器、有线光传感器、无线电传感器、无线光传感器：
有线电传感器例如基于RS485的电子式温度传感器；
有线光传感器例如分布式光纤振动、温度传感子系统基于通过Modbus TCP等协议传输；
无线电传感器例如zigbee温度、湿度传感器；
无线光传感器例如基于无线传输的光学类传感器子系统；
2）边缘节点区：
边缘计算区位于靠近传感接入区的网络边缘侧，具有融合网络、计算、存储、应用核心能力，在南向接口上满足不同有线无线接口传感数据接入。同时具备实时业务处理、边缘算法处理能力，北向接口统一协议向云端传输，实现数据汇聚；
由于传感器接入区各类传感器传输接口和协议不同，边缘节点区硬件系统首先要兼容四大类硬件接口，此外在软件上兼容异构的传感器传输协议转化成统一的协议与云端交互。
其中南向接口包含网口、RS485、数模转换等有线接口，zigbee、wifi、6lowpan等无线接口。北向接口包含NB-IOT、4G、网口等接口和云服务器协同；
边缘计算节点采用ARM+FPGA的架构具有实时计算能力，存储方面配备8G flash可扩展tf卡、SATA硬盘，能对区域数据进行保存。软件架构采用安全传输协议，保证了数据的可靠性；
除此之外，边缘节点配有具有计算能力的CPU和FPGA芯片，可以对传感器数据进行分析，配合云端制定出边缘的管理策略算法，降低系统时延，提高系统可扩展性能。
3）汇聚计算区：
位于测试系统顶端，收集边缘节点区数据，具有存储计算的功能，与边缘节点通过统一的传输接口协议进行传输。
汇聚服务器负责边缘计算网关的接入、数据处理与分析、边缘计算网关的管理与业务编排。云服务器具有数据处理与分析能力，可以实现时序数据库、数据整形、筛选、大数据分析、流分析、函数、人工智能集中训练与推理等功能；
测试系统中，边缘计算与汇聚各有所长、相互补充。汇聚层擅长全局性、非实时、长周期的大数据处理与分析，能够在长周期维护、业务决策支撑等领域发挥优势；边缘计算更适用局部性、实时、短周期数据的处理与分析，能更好地支撑本地业务的实时智能化决策与执行。
边缘计算与汇聚需要通过紧密协同才能更好的满足各种需求场景的匹配，从而放大边缘计算和汇聚的应用价值。边缘计算既靠近执行单元，更是汇聚所需高价值数据的采集和初步处理单元，可以更好地支撑汇聚应用；反之，汇聚通过大数据分析优化输出的业务规则或模型可以下发到边缘侧，边缘计算基于新的业务规则或模型运行。
图1 测试平台框架图
边缘计算是综合传感网平台搭建中的关键技术，以下从硬件和软件两方面具体介绍边缘技术硬件和软件平台搭建。
2.1边缘计算节点硬件平台
硬件平台由主处理器（iMX6系列）系统和FPGA芯片组组成。此板上还连接了高速接口，如SATA（HDD），SD卡和USB2.0。电源功能在该板上实现（接口板上的电源适配器接口）。
所有无线电解决方案分为两种接口：北向和南向。北向代表网络连接，具有长途接入能力，包括LTE/ WCDMA和NB-IOT。南向代表本地传感器连接（短距离和低功率技术），包括BLE4.2，6LoWPAN，ZigBee和Wi-Fi（AP模式）。在STA模式下配置时，Wi-Fi作为北向接口。
外部有线传感器可以支持不同类型的串行端口：RS232，RS485，RS422和模拟采样接口（单端，差分电压和电流传感器输入）。四个数字IO（DI或DO）设计用于ON / OFF信号检测。灵活的SPI接口可用于SPI传感器。还提供了两个GE接口（RJ45）。
硬件平台采用i.MX 6Dual/6Quad处理器，该处理器采用二路/四路ARM Cortex-A9内核，工作速率高达800MHz。它们包括2D和3D图形处理器，1080p视频处理和集成电源管理。每个处理器都提供64位DDR3/DDR3L/ LPDDR2-800存储器接口和许多其他接口，用于连接外围设备，如WLAN，蓝牙，GPS，硬盘驱动器，显示器和相机传感器。
i.MX 6Dual / 6Quad处理器提供了许多高级功能，例如：
l 多级存储器系统-每个处理器的多级存储器系统基于L1指令和数据高速缓存，L2高速缓存以及内部和外部存储器。这些处理器支持多种类型的外部存储器设备，包括DDR3，DDR3L，LPDDR2，NOR闪存，PSRAM，蜂窝RAM，NAND闪存（MLC和SLC），OneNAND托管NAND，包括转速达4.4 / 4.41的eMMC。
l 智能速度技术-处理器在整个设备中具有电源管理功能，使丰富的多媒体功能和外围设备套件在主动和各种低功耗模式下都能消耗最少的功率。智能速度技术使设计人员能够提供功能丰富的产品，要求的功率水平远低于行业预期。
l 动态电压和频率调整-处理器通过调整电压和频率来优化性能，从而提高器件的功效。
l 多媒体发电站-多级缓存系统，Neon MPE（媒体处理器引擎）协处理器，多标准硬件视频编解码器，2个自主独立图像处理单元（IPU），以及可编程智能DMA（SDMA）控制器。
l 强大的图形加速-每个处理器提供三个独立的集成图形处理单元：一个OpenGL ES 2.0 3D图形加速器，带有四个着色器（高达200MTri/s和OpenCL支持），2D图形加速器和专用的OpenVG™1.1加速器。
l 接口灵活性-每个处理器都支持与各种接口的连接：LCD控制器，最多可支持四个显示器（包括并行显示器，HDMI1.4，MIPI显示器和LVDS显示器），双CMOS传感器接口（并行或通过MIPI），高带有PHY的高速USB，带PHY的高速USB主机，多个扩展卡端口（高速MMC / SDIO主机和其他），10/100/1000 Mbps千兆以太网控制器以及其他各种其他流行的接口（如UART，I2C和I2S串行音频，SATA-II和PCIe-II）。
l 高级安全性-处理器提供支持硬件的安全功能，可实现安全的电子商务，数字版权管理（DRM），信息加密，安全启动和安全软件下载。i.MX 6Dual / 6Quad安全参考手册（IMX6DQ6SDLSRM）中详细讨论了安全功能。
l 集成电源管理-处理器集成线性稳压器，并在内部为不同域产生电压电平。这显着简化了系统电源管理结构。
图3 i.MX 6Dual/6Quad处理器工业级系统框图
i.MX 6 CPU在复位时根据BOOT_MODE [1:0]有三种启动模式，如图5所示。默认情况下，主板从eFuse启动配置字。 请注意，eFuse只能写一次，但在使用跳线更改启动模式时，软件仍然可以从串行下载器模式更新。
图4 i.MX6的启动模式配置
输入为100~240VAC / 50~60Hz。 通过使用适配器，输入电压将转换为12VDC。 接口板，主板和射频板的输入电压为12VDC。PSU原理框图在下面的附件中描述。
图5电源功能配置
2.2边缘计算节点软件平台
软件总体架构符合Linux内核空间和用户空间之间的通用样式接口。总体软件层简单明了。
图6系统软件架构
总体分为以下三个部分：
l Boot：uBoot-2017.03；
l 操作系统：Linux-4.9.11；
l 应用程序：采用物联网软件框架兼容不同硬件接入。
应用软件平台采用Eclipse Kura框架。Eclipse Kura是一个Eclipse IoT项目，它为构建物联网网关提供了一个平台。它是一个智能应用程序容器，支持远程管理此类网关，并提供各种API，允许您编写和部署自己的IoT应用程序。
Kura运行在Java虚拟机（JVM）之上，并利用OSGi（Java的动态组件系统）来简化编写可重用软件构建块的过程。Kura API提供对底层硬件的轻松访问，包括串行端口，GPS，看门狗，USB，GPIO，I2C等。它还提供OSGI捆绑软件，以简化网络配置管理，与IoT服务器的通信以及远程管理网关。
Kura组件被设计为可配置的OSGi声明服务公开服务API和引发事件。虽然有几个Kura组件使用纯Java，但其他组件是通过JNI调用的，并且依赖于Linux操作系统。
Kura提供以下服务：
1）I / O服务
l 通过javax.comm 2.0 API或OSGi I / O连接进行串行端口访问；
l 通过javax.usb，HID API，自定义扩展USB访问和事件；
l 通过javax.bluetooth或OSGi I / O连接进行蓝牙访问；
l 从NMEA流中为GPS信息定位服务；
l 用于同步系统时钟的时钟服务；
l 用于GPIO / PWM / I2C / SPI访问的Kura API。
2）数据服务
l 存储和转发网关收集并发布到远程服务器的遥测数据的功能；
l 策略驱动的发布系统，它从应用程序开发人员的网络层复杂性和使用的发布协议中抽象出来。 Eclipse Paho及其MQTT客户端提供了使用的默认消息传递库。
3）云服务
l 易于使用的API层，用于物联网应用程序与远程服务器通信。除了简单的发布/订阅之外，Cloud Service API还简化了更复杂的交互流程（如请求/响应或远程资源管理）的实现。允许与远程服务器的单个连接在网关中的多个应用程序之间共享，从而提供必要的主题分区。
4）配置服务
l 利用OSGi规范ConfigurationAdmin和MetaType提供快照服务，以导入/导出容器中所有已注册服务的配置。
5）远程管理
l 允许远程管理Kura中安装的IoT应用程序，包括其部署，升级和配置管理。远程管理服务依赖于配置服务和Cloud Service。
6）联网
l 为内省提供API并配置网关中可用的网络接口，如以太网，Wifi和蜂窝调制解调器。
7）看门狗服务
l 将关键组件注册到看门狗服务，这将在检测到问题时强制通过硬件看门狗进行系统复位。
8）Web管理界面
l 提供在Kura容器内运行的基于Web的管理控制台，以管理网关。
图7 基于Kura的软件框架
3. 实验室运行使用情况
综合传感网创新实验平台搭建后，已开展基于光纤综合传感网的智能轨道交通检测系统应用。该项目是2017年夏季，南京普天通信股份有限公司、东南大学向江苏省科技厅申请江苏省政策引导类项目（国际技术合作）计划项目“基于光纤综合传感网的智能轨道交通监测系统”。英方项目于2018年6月批准实施，中方项目于2018年1月批准实施。
项目中采用智能受电弓传感器、FBG阵列环境传感器等光传感手段，对列车环境和运行状态进行监测。借助创新平台可以对项目中所采用传感器、边缘计算等技术进行初步测试。图8为，综合传感网创新实验平台照片。
图8 综合传感网创新实验平台
