智慧灯杆正逐渐成为促进智慧城市快速发展的最佳载体之一,其通过部署“端、管、云”的物联网系统架构为现代社会提供智能服务。集多功能为一体的智慧灯杆的感知层包含多而不同的智能模块、传感节点,网关可通过协议转换等手段实现感知层与云平台的交互。但目前以云平台为中心的智慧灯杆物联网系统中,网关仅完成数据转发和协议转换,数据分析、计算以及网络管理工作均交由云平台,必然会造成计算资源过于中心化、数据传输时延严重、网络易拥塞等不足之处。和云计算为互补协同关系的边缘计算,通过在边缘侧构建具有智能计算、数据管理等能力的平台,可弥补上述存在的缺陷。但边缘计算节点常常会出现基础资源层单一、虚拟化层缺失及边缘虚拟功能缺失的问题,对极大化利用硬件资源、提高系统的灵活性以及完成功能业务隔离还存在不足。因此,本研究在纵向项目的支持下,研发了一个以智慧灯杆为载体的边缘智能网关,其通过硬件虚拟化的方式实现功能业务隔离,支持多协议转换、管理及本地边缘计算,可在网络边缘侧完成检测、计算、决策等实时处理运算工作。本地计算为根据多种实时环境参数决策出合适的灯光参数,包括亮度和色温值。亮度调节技术已经比较成熟,但对路灯的色温调节还处于简单的分级方式,且针对多环境参数调节协同调节色温和亮度较少。论文主要内容如下:(1)边缘智能网关设计。设计基于边缘计算的智慧灯杆物联网系统,采用云、边协同的三层部署模型,在边缘智能网关上部署智能资产、智能网关;设计边缘智能网关的功能框架和系统结构,明确在实现边缘智能网关硬件虚拟化的基础上,实现总线协议适配、资产管理、优化计算等边缘虚拟服务。(2)边缘智能网关的嵌入式平台虚拟化设计与实现。对虚拟化技术基础进行了简要介绍,分析了不同嵌入式微处理器架构所存在的差异,选定了适合嵌入式微处理器的虚拟化技术,确定采用多业务部署多虚拟机的模式,完成智能网关的Xen嵌入式虚拟化设计。分别选用ARMv8架构及ARMv7架构的嵌入式微处理器主机板,独立完成了Xen虚拟化的实现,通过实验验证,证明了Xen虚拟化平台的成功搭建,并在分析结果的基础上,明确了边缘智能网关的硬件选择ARMv7架构的主机板来作为后续轻量级应用的开发平台。(3)智能网关与智能资产研发。在智能网关层,设计网络拓扑,为边缘智能网关支持的以太网、ZigBee和RS485通信设计协议,并完成以太网转ZigBee/RS485报文的多协议转换。针对智能资产,提出采用通信分层思想实现对实时检测数据的汇集,设计数据管理框架和存储映射表,为智能网关和传感节点设计配置流程。最后搭建实验平台,验证边缘智能网关的多种通信、协议转换、实时数据汇集、系统配置的功能。(4)色温调节参数边缘计算。在实现边缘智能网关Xen虚拟化的基础上,为色温调节参数边缘计算业务创建DomU,设计边缘智能网关Xen的域间通信模型。再根据温度、湿度、光照度及PM2.5浓度4种实时环境参数,设计多输入双输出模糊计算系统,基于多环境参数实时计算当前灯光最佳亮度和色温。通过对系统模型进行仿真,以及对实际开发的应用程序测试,结果均表明,所设计多参数模糊计算系统能够在网络边缘侧完成预期的路灯参数计算任务,具有更好的实时性。