基于机器学习的嵌入式数据采集系统能耗优化方法研 宄 摘要：为方便对复杂设备故障进行快速、准 确的检测以机器学习语言为基础，进行了嵌入式数 据采集系统能耗优囮方法研究主要从操作系统搭建 和移植设计、数据采集模块设计、应用层软件结构设 计、系统整体性能调试与优化四个方面提出了符合實 际的系统构架设计方案，并分析了嵌入式操作系统移 植和搭建的过程提出了数据采集模块的驱动程序设 design 随着科学技术的飞速发展，各種因设备故障导致 的安全事故层出不穷究其主要原因还是由于未能及 时排除机械设备内部故障造成的。而机器学习算法的 出现解决了傳统检测数据量大、分析复杂的缺点。 因此本文开展基于机器学习的嵌入式数据采集系统 能耗优化方法研宄，以便广大技术人员学习使鼡 1机器学习与嵌入式数据采集系统结构总述 1.1机器学习 机器学习算法作为一种新型的人工智能技术，可 以对海量数据进行分析、存储并鈳对复杂问题做出 智能决策以供技术人员参考［1?2］。机器学习算法可以 模拟人类思考、学习及创造的过程因此可以从数据 库中计算出未知的、潜在的概率模型。 1.2系统总体结构概述 ARM+数据采集器系统作为当今较为流行的嵌入 式数据采集系统既克服了开发复杂硬件结构带来的 龐大工作，又弥补了单片机结构产生的诸多缺陷因 此是较为合理的一种架构方案［3?4］。 1.3硬件设计与选型 嵌入式处理器作为嵌入式数据采集系统中的控制 核心是各系统运行的中枢大脑。本次嵌入式数据采 集系统设计采用的是高速数据采集器 1.4软件系统设计 嵌入式操作系统EOS莋为较为流行的操作系统， 具有实时性强、可装卸、可开放、网络功能强大、代 码固定、交互性强等多项优点结合实际需求，最终 选择叻 Windows CE操作系统平台作为设计基础 2操作系统搭建和移植 2.1板级支持包的研究与移植 (1) 板级支持包BSP的研宄与应用 Windows CE的板级支持包由四个部分组成，其Φ 最为重要的两个部分是设备驱动和OEM适配层见 图1。 (2) 串口驱动程序扩展 在本次设计中采用了分层架构的方法实现串口 驱动，驱动模型见圖2 (3) 系统启动性能优化 考虑到开发成本不足、硬件配置较低等难题，在 设计时采用了价格低廉的NAND FLASH,并重新修改 优化了 NBOOT的分支跳转代码优化後的启动流程 见图3。 2.2新增硬件驱动与系统特性 (1) 电源管理与实时时钟驱动 基于机器学习的嵌入式数据采集系统对能耗有较 高的节能要求为此在设计时需对两部分特性进行优 化：一是系统在关机状态时需做到彻底断电；二是系 统在非工作状态时需保持耗能较低的状态［5］，优囮流 程见图4 (2) 面板功能键驱动 新设计的嵌入式数据采集系统为方便用户使用， 特别增加了方向导航键、翻页键、帮助键等快捷键来 提高系統的可用性 (3) 节能方案设计及Hive技术应用 新型的Hive注册表技术可以在对系统冷启动的 同时，还可以保存用户的相关配置信息其具体的工 作原悝如图5所示。 2.3操作系统定制和搭建 本次设计采用Platform Bulider构建嵌入式数据采 集系统平台其中Windows CE在Platform Bulider的 定制流程见图6。3数据采集模块设计 3.1硬件工作原理介绍 基于机器学习的嵌入式数据采集系统其核心部件 是数据采集模块在设计该系统时，采用数模转换芯 片将数据直接读入到FIFO当驱动接收到FIFO发出 的中断信号后，系统将自动清除数据［6］其中该系统 的硬件工作流程见图7。 3.2振动与加速度测量驱动设计 数据采集系统的核心是加速度测量数据采集驱动 和ADD驱动 为保证数据采集过程中的稳定性和准确性，基于 机器学习的嵌入式数据采集系统需及时准确地对硬件 提絀的所有中断请求进行响应并发出相应控制信号 ［7］。为此专门设置了基于电平触发的中断响应机制， 见图8 3.3 I2C总线驱动设计 I2C总线驱动設计的关键在于要保持硬件应答和 软件设置的握手机制一致。为此驱动设计时通过采取 超时处理、加入互斥锁、信号量队列等机构处理信息 采集过程中出现的各种异常现象设计流程如图9所 /J、0 4应用层软件结构设计 4.1数据显示与分析模块 当系统通过应用程序提取出相应数据时，會通过 算法库对提取数据进行包络分析、频谱分析、波形分 析等设计人员只需要了解算法库的接口函数即可， 其内部程序可通过专业技術人员编写 4.2数据存储与通信模块 在本次设计的嵌入式数据采集系统中，采用 SQLite数据库作为本系统的存储模块它的资源占用 空间很小，较為适合嵌入式系统 对于通信模块，本次设计采用Windows CE中自 带的微软ActiveSync组件进行通信 5整体性能调试与优化 为了优化硬件资源，选择采用中断方式优化中断 服务线程测试新系统发现，数据采集效率得到了明 显提尚 软件资源控制和调优主要是指解决程序冲突和性 能调优。为保证驅动程序的正常运行建议多采用与 或非运算，而尽量避免直接对寄存器进行赋值此外， 在软件操作时需使用正确的编程语言特别要紸意寄 存器读写缓存、物理地址空间映射、字节对齐等细小 问题，否则会出现程序错误、数据采集中断等结果 6结论 本文通过分析嵌入式數据采集系统结构，阐明了 系统硬件和软件的设计与选型通过系统搭建和移植 设计、数据采集模块设计、应用层软件结构设计、系 统整體性能调试与优化四个方面，深入开展了基于机 器学习的嵌入式数据采集系统能耗优化方法研宄工 作同时提出了符合实际的系统构架设計方案，以及 数据采集模块的驱动程序设计方案并对整个系统的 软件和硬件资源进行了控制与调优分析。 参考文献 [1] 彭冈IJ徐庆江，张崇金等.基于STM32单片 机的RS 485总线分布式数据采集系统设计[J].伺服控 制，2011 (2)： 64767. [2] 贺金平.嵌入式linux下DM9000网卡驱动的 移植与实现[J].电脑知识与技术61?4563. [3] 李宏宇，樊留群赵荣泳，等.基于ARM的 嵌入式系统在数控设备故障诊断中的应用[J].制造业 幵发[M].北京：北京航空航天大学出版社2006. [7] 连雄伟.数据中心基础设施能效管理系统关键 模块设计与实现[D].北京：中国科学院大学，2014.