基于嵌入式系統(tǒng)視角下的物聯(lián)網(wǎng)

在物聯(lián)網(wǎng)中，嵌入式系統(tǒng)具有非常重要的作用，其也是物聯(lián)網(wǎng)中的必不可少的技術(shù)組成部分。在物聯(lián)網(wǎng)的研究中，我們應(yīng)該重視嵌入式系統(tǒng)的地位，并通過(guò)嵌入式系統(tǒng)來(lái)促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物三者之間的信息交互。

【關(guān)鍵詞】嵌入式系統(tǒng) 物聯(lián)網(wǎng) 研究

物聯(lián)網(wǎng)（The Internetof things，IOT）通過(guò)智能感知、識(shí)別技術(shù)與普適計(jì)算，將所有物體融入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的信息交換。很多行業(yè)都應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)，如智能農(nóng)業(yè)、工業(yè)4.0、智慧交通、智能家居等等，在這些行業(yè)中，物聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮了重要的作用，極大促進(jìn)了各行業(yè)的智能化和信息化，提高工作效率。目前，很多設(shè)備已經(jīng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)連接到網(wǎng)絡(luò)中，如PC、手機(jī)等多種設(shè)備。而這些設(shè)備不能直接接入到互聯(lián)網(wǎng)，需要通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)連接。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)具有很多功能，如協(xié)議轉(zhuǎn)換、重新封裝數(shù)據(jù)、防火墻、信息過(guò)濾等。嵌入式系統(tǒng)（Embedded system）屬于一種專用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，能夠特定地執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。也就是說(shuō)，該系統(tǒng)主要是依照預(yù)先定義的任務(wù)進(jìn)行完全執(zhí)行?，F(xiàn)主要結(jié)合個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，闡釋在嵌入式系統(tǒng)視角下如何應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)。

1 嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)述

1.1 嵌入式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)屬于一種完全嵌入受控器件內(nèi)部的系統(tǒng)，其可分為硬件、軟件系統(tǒng)兩個(gè)部分。嵌入式系統(tǒng)設(shè)備由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、系統(tǒng)執(zhí)行設(shè)備兩部分構(gòu)成。其中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中包含了系統(tǒng)軟件層、應(yīng)用軟件層、硬件層和硬件抽象層四個(gè)組成部分。硬件層系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相似，其具有良好的兼容性。但在功能上，硬件層系統(tǒng)儲(chǔ)存量小、指令處理速度低。硬件抽象層也叫中間層，其能夠?qū)⒌讓佑布蜕蠈榆浖珠_(kāi)，形成有不同功能的獨(dú)立的部分。因此，在進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)不受到硬件影響，使開(kāi)發(fā)效率極大提高。硬件抽象層還具有初始化底層硬件設(shè)備、配置硬件設(shè)備的部分基本參數(shù)等等。軟件層包括文件和操作兩大主要系統(tǒng)，形成一個(gè)開(kāi)發(fā)環(huán)境。應(yīng)用軟件層主要是提供應(yīng)用接口，使用戶可以直接進(jìn)行編程應(yīng)用軟件，并控制和應(yīng)用整個(gè)系統(tǒng)。

1.2 嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)中的關(guān)系

在物聯(lián)網(wǎng)中，嵌入式系統(tǒng)是連接物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)關(guān)鍵部分。由于在互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計(jì)中，并沒(méi)有將其自然延伸到物聯(lián)網(wǎng)，兩者之間并無(wú)直接的關(guān)系，為了讓互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)無(wú)縫連接，就需要使用嵌入式系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，在物聯(lián)網(wǎng)中，嵌入式系統(tǒng)的存在具有物控、物感、人-物交互、物-物交互等特性?？偟膩?lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)是當(dāng)前新技術(shù)發(fā)展下而形成的信息技術(shù)而且是其信息技術(shù)中重要的構(gòu)成部分，而嵌入式系統(tǒng)則是物聯(lián)網(wǎng)中的技術(shù)組成部分。嵌入式系統(tǒng)的存在推進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，真正實(shí)現(xiàn)了人、機(jī)、物之間的無(wú)障礙交融。

2 基于嵌入式系統(tǒng)視角下的物聯(lián)網(wǎng)研究

2.1 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和操作系統(tǒng)分析

常見(jiàn)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)、軟硬件獨(dú)立設(shè)計(jì)兩種。通常采用軟硬件順序獨(dú)立設(shè)計(jì)的方法，也就是先設(shè)計(jì)硬件再進(jìn)行設(shè)計(jì)軟件。其中硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言常用的有Verilog HDL、VHDL等。軟件設(shè)計(jì)常用的軟件語(yǔ)言有C++、C、Java等。常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)有WinCE、Linux、PalmOS等。嵌入式操作系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性、特定性、時(shí)間準(zhǔn)確性、可裁剪性、支持網(wǎng)絡(luò)功能、接口標(biāo)準(zhǔn)化等特點(diǎn)。在開(kāi)發(fā)環(huán)境中，嵌入式操作系統(tǒng)發(fā)揮了極大的作用，體現(xiàn)其強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)功能，并得到人們的青睞和廣泛應(yīng)用。

2.2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)需求分析

物聯(lián)網(wǎng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成其基本的架構(gòu)，感知層主要作用是對(duì)信息的識(shí)別和采集；網(wǎng)絡(luò)層的作用主要是轉(zhuǎn)發(fā)、處理網(wǎng)絡(luò)信息、實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理控制等；應(yīng)用層的作用是根據(jù)需求來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能，使行業(yè)能夠根據(jù)其特點(diǎn)和需求實(shí)現(xiàn)信息化、智能化。由于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的無(wú)縫連接，進(jìn)而使各種設(shè)備能夠無(wú)縫接入互聯(lián)網(wǎng)，真正實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物之間的無(wú)障礙溝通。因此，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)在設(shè)計(jì)方面有較高的要求，具體有以下幾點(diǎn)：

（1）具備廣泛感知網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)縫接入的能力。由于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)要將互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行無(wú)縫連接，這就需要其具備廣泛感知網(wǎng)絡(luò)能力，才能夠?qū)烧哌B接起來(lái)。但傳感器設(shè)備具有一定的局限性，這就需要在設(shè)計(jì)中考慮到各種傳感器的特點(diǎn)。而傳感器則屬于通信技術(shù)中的一種，常見(jiàn)的有藍(lán)牙、Zigbee、Wi-Fi等等。這些通信技術(shù)實(shí)際上都屬于近程通信，而且協(xié)議體系都有所不同，并沒(méi)有設(shè)置統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。這就需要物聯(lián)網(wǎng)感知層能夠?qū)@些不同的網(wǎng)絡(luò)具有廣泛的感知和接入的能力。

（3）具備較強(qiáng)的各類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能力。目前我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)采用的協(xié)議有TCP/IP、IPv6等。不同的無(wú)線接入設(shè)備、傳感器也采用不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議。可見(jiàn)，我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議具有多樣性的特點(diǎn)。因此，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)必須要具備較強(qiáng)的各類型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換能力，才能夠在不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議中實(shí)現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換，使將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為同一種格式，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中。

（3）具備良好的管理與控制能力。目前我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)中的各大網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商都設(shè)置了專屬的管理平臺(tái)，也就是說(shuō)其網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議都有所不同。物聯(lián)網(wǎng)最終要與這些網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)連接，這就需要物聯(lián)網(wǎng)自身能夠具備良好的管理與控制能力。例如實(shí)現(xiàn)對(duì)自身登錄、故障、狀態(tài)等方面的管理與控制，對(duì)傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理與控制的等等。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)

在傳輸網(wǎng)絡(luò)方面，TCP/IP模型結(jié)構(gòu)主要包括應(yīng)用層、傳輸層、互聯(lián)網(wǎng)層、網(wǎng)絡(luò)接口層。其中應(yīng)用層的作用是執(zhí)行用戶的應(yīng)用程序，在這一過(guò)程中，主要通過(guò)不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的交換。傳輸層的作用主要是正確地把數(shù)據(jù)傳遞給進(jìn)程，使端與端之間實(shí)現(xiàn)信息交換。傳輸層中所使用的協(xié)議為T(mén)CP和UDP。網(wǎng)絡(luò)接口層的功能主要是面向物理接口使各種設(shè)備能夠互聯(lián)，另外其還能夠面向模型上層接收數(shù)據(jù)?；ヂ?lián)網(wǎng)層的作用主要是區(qū)分不同的網(wǎng)絡(luò)，分組和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

在傳感層網(wǎng)絡(luò)方面，采用的通信方式主要有無(wú)線和有限兩種，無(wú)線有Wi-Fi、Zigbee、紅外線等等；常見(jiàn)的有線通信方式是USB、RS232等等。傳感層網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成主要有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層。以無(wú)線Wi-Fi為例，物理層的功能主要是開(kāi)啟、關(guān)閉無(wú)線收發(fā)，檢測(cè)接收端的能量，測(cè)量信號(hào)強(qiáng)度和質(zhì)量、自主選擇信道頻率等等。網(wǎng)絡(luò)層的功能主要是分析信息、路由管理、網(wǎng)絡(luò)安全管理等等。應(yīng)用層的功能是安全管理、反應(yīng)管理、功能定義、定義設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接等等。

3 基于嵌入式系統(tǒng)視角下物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

嵌入式開(kāi)發(fā)板常用的有A20和樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板，以A20開(kāi)發(fā)板為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)中，軟件部分的設(shè)計(jì)使用C、PHP、MySQL等語(yǔ)言。硬件設(shè)計(jì)應(yīng)用A20開(kāi)發(fā)板、網(wǎng)線、串口、51單片機(jī)等。開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Linux操作系統(tǒng)，并按照Linux的開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)具體流程如表1。

按照上述步驟完成工作后，測(cè)定數(shù)據(jù)庫(kù)是否正常，便完成了物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，我們對(duì)整個(gè)架構(gòu)再進(jìn)行具體分析和細(xì)化，并進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，就可以完成嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)中的重要技術(shù)組成部分，其對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)是不可缺少的。在當(dāng)前傳輸協(xié)議類型眾多的復(fù)雜的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，要實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的無(wú)縫連接，實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物的無(wú)障礙信息交互，就需要采用嵌入式系統(tǒng)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使各種接口都?jí)蚝臀锫?lián)網(wǎng)連接。在設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)不同軟件的需求來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足各行各業(yè)對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的需求。

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作者簡(jiǎn)介

張舉（1987-），男，山西省人，大學(xué)本科學(xué)歷。研究方向?yàn)榍度胧脚c物聯(lián)網(wǎng)。

作者單位

山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院 山西省晉中市 030800