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物联网-智慧交通-多传感器数据融合在物联网中的应用研究.pdf
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物联网-智慧交通-多传感器数据融合在物联网中的应用研究.pdf
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目
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第一章
绪论……………………………………………………………………………1
1.1研究背景和意义………………….…………………………………………………l
1.2国内外研究现状…………………………………………………………………….2
1.3本文的主要工作……………………………………………………………………..5
第二章传感器数据在物联网中的一般应用模式………………………………………6
2.1物联网概述………………………………………………………………………….6
2.1.1物联网三层结构………………………………………………………………..6
2.1.2物联网感知层……………………………………………………………………7
2.1.3物联网网络架构…………………………………■…………………………..7
2.2物联网带来的问题…………………………………………………………………..9
2.2.1传感器数据冗余性和精确性……………………………………………………9
2.2.2多传感器数据融合问题……………………………………………………….10
2.2.3物联网建设问题……………………………………………………………….10
2.2.4其他问题……………………………………………………………………….11
2.3多传感器数据融合技术……………………………………………………………12
2.3.1基本概念及融合原理………………………………………………………….12
2.3.2多传感器数据融合方法……………………………………………………….13
2.3.3多传感器数据融合的意义…………………………………………………….15
_2.4传感器数据在物联网中的一般应用模式…………………………………………1
5
2.4.1传感器+控制器…………………………………………………………………15
2.4.2通信方式……………………………………………………………………….17
2.4.3应用实例……………………………………………………………………….20
第三章基于最小二乘法多传感器数据融合系统的设计……………………………..21
3.1系统总体设计………………………………………………………………………21
3.2硬件设计……………………………………………………………………………23
3.2.1控制器………………………………………………………………………………………………23
万方数据
3.2.2硬件显示……………………………………………………………………….24
3.2.3开关送数模块…………………………………………………………………..26
3.2.4报警电路……………………………………………………………………….27
3.2.5程序下载模块………………………………………………………………….27
3.3软件设计……………………………………………………………………………28
3.3.1软件部分整体设计…………………………………………………………….28
3.3.2数据的采集模块……………………………………………………………….29
3.3.3标度变换模块………………………………………………………………….30
3.3.4
HBCD到BCD转换模块………………………………………………………31
3.3.5报警模块……………………………………………………………………….32
3.3.6液晶显示程序………………………………………………………………….32
3.4系统算法融合………………………………………………………………………33
3.4.1最小二乘法数学模型………………………………………………………….33
3.4.2数据融合算法………………………………………………………………….34
3.5结果数据分析………………………………………………………………………35
3.5.1功能分析……………………………………………………………………….35
3.5.2性能数据分析………………………………………………………………….37
3.6小结…………………………………………………………………………………………………………….38
第四章多传感器数据的融合在其他方面的应用……………………………………..39
4。1多传感器数据的融合在智能手机中的应用………………………………………39
4.2多传感器数据的融合在智慧城市中的应用………………………………………39
4.2.1智慧城市概要………………………………………………………………….40
4.2.2智慧城市总体架构…………………………………………………………….40
第五章总结与展望……………………………………………………………………..42
参考文献…………………………………………………………………………………..44
致谢………………………………………………………………………………………………………………….46
万方数据
多传感器数据融合在物联网中的应用研究
第一章绪论
1.1研究背景和意义
第一章绪论帚一早瑁比
在国家科技强国的号召下,我国在传感器技术、计算机技术、计算机控制技术领
域的研究突飞猛进,使得很多集众多高科技技术于一体的智能设备进入普通百姓家。
纵观社会,智能手机的普及率逐年上升,智能机器人设备在工厂中的装备率逐年上升,
并且这些智能设备变得更加智能,例如手机可以扫码、有重力感应器、指纹识别,更
有甚者可以通过拍照来判别年龄等,看到这些可以理解的物理量(例如年龄、温度、
扫码得到的数字),我们总是欣喜若狂,这些都极大的改善了人们的生活甚至改变了
人们的生活。但从技术角度理解,这种变化离不开传感器技术的发展,所有这些功能
或者智能都是在利用传感器采集信号并且加以处理、展示而已,但是这其中确蕴含着
多传感器数据的统一与融合的重要作用。
影响最深的莫过于最近比较热门的物联网技术。物联网技术是互联网技术的延
伸,互联网从二十世纪末时以学术交流为目的网络开始,已经逐步发展成全球范围内
的信息交互平台,影响着我们的社会、经济、文化。由于对智能化的追求,人们希望
将各种设备、物品加入互联网的队列,在这样的背景下,人们提出了物联网的概念。
物联网的出现引发了很多问题,例如它要求的传感器数据冗余性要低,精确性要
高;传感器网络中的多传感器数据融合问题;多种设备、物品的信息连接问题;它们
之间的数据通信问题;对设备或者物体的监控和控制问题。这些问题有的是技术性的,
有些事非技术性的。本文仅从技术性问题入手来探究物联网建设。
国际电信联盟(International
Teleco唧unication
Union,ITU)
[3]对物联
网概念的内含又进行了一次延伸,认为物联网是利用传感器设备对信息进行采集、处
理和控制,并按照各种网络协议,将各种连入物联网的物理主体接入互联网,形成一
个大的网络来进行信息采集、交换,以实现各种功能与应用的一种网络。
物联网是受传感器和计算机影响最深的领域。主要是在物联网组网的过程中就离
不开传感器的存在,离不开计算机控制系统的存在,本文将主要论述多传感器数据的
统一与融合在物联网技术中的重要性,并给出多传感器数据的融合系统,最终讨论多
传感器数据融合的重要性和现实意义。
万方数据
第一章绪论
多传感器数据融合在物联网中的应用研究
本课题以物联网技术为背景,设计多传感器数据融合系统。多传感器数据融合系
统主要实现将各种模拟信号或者自然信号处理为人们日常所见并且可以理解的信息,
从而更好地为人们服务。
研究多传感器数据的统一与融合具有重要应用意义。首先,我们想感知自然,获
取信息,就需要通过传感器对信号进行采集,但这一步过后我们获取的只是一些信号,
并不能为人们认知,需要我们处理成我们熟知的信息(例如温度数值、海拔数值等等),
所以研究多传感器数据的统一与融合为人们认知自然提供了极大的帮助;其次,研究
多传感器数据的统一与融合有助于我们构建集计算机、智能设备、家居设备等一系列
设备的物联网体系,有助于我们形成统一接口,统一规范。最后,研究多传感器数据
的统一与融合还有助于我们更好的利用传感器,例如最近比较热点的无人驾驶汽车、
人工智能机器人等等领域,都离不开传感器的作用,也离不开多传感器数据的统一与
融合模块的作用。总之,研究多传感器数据的统一与融合知识具有重大意义。
通过以上分析,我们需要设计多传感器数据融合系统,并把多传感器数据融合系
统成功应用于各种系统(包括物联网)当中,才能更好的将各种自然信号处理为信息,
从而更好的为人们服务。
由于物联网的兴起,要求我们必须提升传感器技术水平,必须深入研究传感器方
面的知识和计算机控制方面的知识。但由于传感器会感知自然环境,得到自然信号。
这些信号想为人们服务,人们需要的是可视化的信息,所以需要对其形式做进一步的
处理,因此研究多传感器数据的统一与融合具有重大意义。
1.2国内外研究现状
在工业比较发达的国家例如西欧、日本和美国,还有控制技术比较先进的德国,
他们的传感器技术比较先进,传感技术大体经历三代“1:
第一代是结构型传感器
这种传感器是利用有些物理或者化学物质当感受到自然信号或者能感受自然环
境而引起结构参量变化的特性来采集信号的传感器。例如:使用某种金属材料当收到
力的作用发生形态扭曲时可以改变电信号的特性研制的电阻传感器。
第二代是固体传感器(二十世纪七十年代)
2
万方数据
多传感器数据融合在物联网中的应用研究
第一章绪论
这种传感器是在二十世纪七十年代时期,微电子技术的研究逐渐深入,计算机技
术逐步成熟,再加上分子合成技术和集成技术的发展,人们发现一些半导体或者是电
解质自身拥有一些特性,比如热电效应。它可以感知自然环境,采集自然信号,所以
逐渐发展成固体传感器。这种传感器有很多优点,造价低、接口可复用性好、可靠性
高性能好等,所以得到了快速的发展,逐步占领了大半的传感器市场,并且它依然在
价格低廉功能多样化方向发展。
第三代是智能传感器(二十世纪八十年代).
二十世纪八十年代,智能传感器,随着微处理器的发展,逐步形成了以微处理器
为核心,将传感器与微处理集成起来,能够对自然信息具有采集、一定的分析、适当
的自诊断能力、数据处理能力,是计算机技术、传感器技术与集成电路技术相结合的
产物。到了二十世纪八十年代后期,慢慢的将传感器和微处理器,存储器集成到一个
芯片上,使得传感器拥有了一些智能。二十世纪九十年代随着测量技术的进一步的发
展,深入的研究,在传感器水平实现初步的智能化,使得传感器不再只是信号采集的
工具,而逐步拥有了一定的数据处理、存储功能、联网通信功能等。
现在传感器一直变得越来越小,越来越智能,越来越可移动,并且随着技术的提
高,传感器技术在生活中逐步得到普及。可以采集复杂环境和移动信息的集成化程度
高,性能好的传感器技术日益增强,而且在存储方面,逐步形成大存储的传感器,在
通信方面,初步形成拥有无线通信传感器技术和传感器信号处理技术的传感器也渐渐
变得普及。同时,传感器种类与数量也越来越多,传感器可以获取的信息形式也逐渐
增多,将传感器获取的多种信息相组合的应用技术发展非常迅速,随之而来的多传感
器融合技术工作显得尤为重要。并且随着传感器的越来越小,智能设备中可以同时装
载的传感器数量增多,也一定程度上促进传感器的发展,但是带来了多传感器数据融
合问题。
物联网的发展也促进了传感器行业的发展,要想实现物物相连形成物联网,信号
的采集和处理是必不可少的模块。所以传感器是实现物联网的重要基础。
下面我们阐述一下国内外物联网技术的发展现状:
1、美国
美国是一个毋庸置疑的高科技国家,他在计算机、信息化、计算机控制、传感器
技术等等各个高科技行业都处于领先地位。并且美国在物联网技术的发展中也处于领
3
万方数据
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