無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用

摘 要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種嶄新的信息獲取和處理技術(shù)，集成了傳感器、網(wǎng)絡(luò)、無線通信和嵌入式系統(tǒng)四大技術(shù)而形成。它是一項全新的無基礎(chǔ)設(shè)施的無線網(wǎng)絡(luò)，能夠隨時監(jiān)控、感知和獲取各種物理環(huán)境或監(jiān)控對象的信息，并對其展開處理、傳輸?shù)叫枰@些信息的用戶手中。嵌入式系統(tǒng)是當前電子計算機的一種較普遍應(yīng)用形式，此類電子系統(tǒng)不易被用戶注意，也可稱它為埋藏式計算機。本文主要介紹在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)組成、工作原理與嵌入式系統(tǒng)及其體系結(jié)構(gòu)，以及無線傳感器中嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀和未來前景。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；嵌入式系統(tǒng) 系統(tǒng)組成；體系結(jié)構(gòu)；應(yīng)用發(fā)展

中圖分類號：TP393

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成及工作原理

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN） 是未來計算環(huán)境的重要組成部分。它由多種類、大數(shù)量的傳感節(jié)點而構(gòu)成的自治網(wǎng)絡(luò)，連接著現(xiàn)實世界，以此來實現(xiàn)對物理世界的感知了解。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)濕集合了信息采集、傳送、處理于一身的綜合智能的信息系統(tǒng)，它不需要專用特殊的通信路線；傳遞速度迅速；能夠傳送多種形式信號；對于任一種Web瀏覽器都適用；信息反饋形式多樣；同時又具備實時自動更新的功能，并且集合了通信、計算機、網(wǎng)絡(luò)與傳感器等技術(shù)，擁有十分廣闊的應(yīng)用和研究發(fā)展價值。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由無線設(shè)備模塊、服務(wù)器模塊、客戶界面模塊這3大模塊組成，其中服務(wù)器模塊又由無線接收模塊、網(wǎng)卡硬件模塊、網(wǎng)絡(luò)軟件模塊、嵌入式系統(tǒng)模塊這幾個部分構(gòu)成。于此同時，研究者又一致把服務(wù)器當中的“無線接收模塊”和無線設(shè)備中的“無線發(fā)送模塊”合稱為“無線收發(fā)模塊”，而客戶界面模塊主要指瀏覽器。

如圖1和圖2所示是基于嵌入式系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集節(jié)點和數(shù)據(jù)接收主控端的組成原理圖。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集節(jié)點組成

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收主控端組成

如上圖1和圖2所示，傳感器收集到的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器的處理加工，之后被傳遞到嵌入式系統(tǒng)中，經(jīng)過相應(yīng)的運算后，又由無線發(fā)射裝置傳出。無線接收裝置能夠在同一時間加工多個傳感器傳輸過來的信號，再將這些傳來的信息利用通信適配器（如RS232）送到主控機上。

2 嵌入式系統(tǒng)及其體系結(jié)構(gòu)

嵌入式系統(tǒng)是電子計算機應(yīng)用形式之一，通常情況下是指嵌入在電子設(shè)備中的微處理機系統(tǒng)。該系統(tǒng)的主要功能就是輔助幫助它所嵌入的電子設(shè)備，使它們這一整個系統(tǒng)的功能網(wǎng)絡(luò)化智能化，使其更好地為用戶提供優(yōu)化的作用。所以在此類嵌入式系統(tǒng)中，計算機硬件系統(tǒng)中通常都包含有操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，這就讓該系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與硬件構(gòu)成一體化。因此，嵌入式系統(tǒng)的硬件與應(yīng)用軟件的高效率協(xié)同工作，就能夠在同樣的系統(tǒng)配置上實現(xiàn)更高的應(yīng)用性能。

嵌入式系統(tǒng)是一種硬件和應(yīng)用軟件相互配合并能夠分別單獨工作的系統(tǒng)，它的主要組成部分包括嵌入式微處理器、外部硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件系統(tǒng)等。根據(jù)其應(yīng)用方式的差異，可將嵌入式系統(tǒng)分為知識產(chǎn)權(quán)核（IP）級、模塊級和芯片級，它們都需要結(jié)合真實狀況，把需要的功能或模塊嵌入到各類應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)品中。其中知識產(chǎn)權(quán)核IP技術(shù)代表著知識產(chǎn)權(quán)，是該系統(tǒng)內(nèi)部所要完成某項系統(tǒng)功能的核心，也是對擁有系統(tǒng)內(nèi)部的某些特制硬件和軟件等技術(shù)的保障。IP核不僅指數(shù)字IP，也指IP核的模擬，IP核又包括軟核、硬核等。所以，綜上所述的核可能是芯片設(shè)計者設(shè)計的某一過程中所采用的軟核，也可能是設(shè)計者為保障技術(shù)需求而設(shè)計的專門過程中的硬核。模塊級是指該應(yīng)用系統(tǒng)是由x86處理器組成的計算機系統(tǒng)模塊而嵌入構(gòu)成的一種設(shè)計方式，這種方式的嵌入式系統(tǒng)重點是要縮小設(shè)備體積，增加設(shè)備使用的可靠性，將操作系統(tǒng)優(yōu)化為嵌入式操作系統(tǒng)，同時把應(yīng)用軟件固定在這樣的固態(tài)盤中。至于芯片級，是按照各種應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)品的具體情況或要求，選擇相對應(yīng)的處理器芯片，共同構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)，并將相對應(yīng)的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件以固定的形式固化在不容易丟失的存儲器芯片中去。

3 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展價值及前景

通常提到的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用主要指將這類系統(tǒng)嵌入于各種設(shè)備或產(chǎn)品內(nèi)部的計算機中，這些對應(yīng)的設(shè)備（產(chǎn)品）被稱為嵌入式設(shè)備（產(chǎn)品）。十分典型的例子就是嵌入式計算機。嵌入式計算機是將先進的計算機、半導(dǎo)體、電子技術(shù)與其它行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合而產(chǎn)生的產(chǎn)物。根據(jù)嵌入式計算機的發(fā)展現(xiàn)狀，它主要包括嵌入式微處理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP處理器、嵌入式片上系統(tǒng)等多個部分。嵌入式計算機的應(yīng)用領(lǐng)域是十分廣闊的，例如制造工業(yè)、過程控制、通信儀器、儀表汽車、船舶、航天軍事裝備、消費類產(chǎn)品等方向都涵蓋其中。

至于嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用價值，主要有以下幾類：1）為滿足客戶的網(wǎng)絡(luò)需求以及為適應(yīng)嵌入式分布處理結(jié)構(gòu)，最新式的嵌入式系統(tǒng)中應(yīng)要求配備并安裝多種通信網(wǎng)絡(luò)接口，以期為設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信提供標準接口。2）嵌入式產(chǎn)品的設(shè)計是按照低功耗、低成本以及實現(xiàn)小尺寸的特性，相應(yīng)地降低了處理器的設(shè)計性能，以限制其內(nèi)存容量，從而提高了嵌入式系統(tǒng)的相應(yīng)設(shè)計要求。3）充分考慮用戶感受，提供精巧細致的多媒體人機界面，在用戶體驗方面表現(xiàn)突出。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)逐步擴展到了人們生活中的方方面面，這也為嵌入式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的進一步發(fā)展提供了必要的客觀環(huán)境。設(shè)計者在利用龐大的Internet 技術(shù)的同時，同時又為嵌入式系統(tǒng)功能作用的發(fā)展進步提供了更大的空間。網(wǎng)絡(luò)和嵌入式系統(tǒng)兩者是高效的集合體，是不可割裂的。網(wǎng)絡(luò)的遠程操作，它的意義不僅在于其巨大的經(jīng)濟價值，更重要的是它實現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。

4 結(jié)束語

目前，我國針對嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用，主要還是體現(xiàn)在計算機外圍設(shè)備、信息家電、電子商務(wù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、國防工業(yè)、生物微電子技術(shù)等領(lǐng)域。而對于嵌入式系統(tǒng)在線可編程技術(shù)和數(shù)字信號處理器的結(jié)合的研究還較少，在未來，這將是該系統(tǒng)研究與應(yīng)用的一個重要發(fā)展和研究方向。這有待于我們的研究者繼續(xù)深入探討和發(fā)現(xiàn)。

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作者簡介：陶銳（1978-），男，達斡爾族，內(nèi)蒙古海拉爾人，講師，碩士研究生，研究方向：計算機應(yīng)用技術(shù)。

作者單位：呼倫貝爾學(xué)院，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021008

基金項目：本文受呼倫貝爾學(xué)院科研一般項目“嵌入式實驗教學(xué)軟件開發(fā)平臺研究”資助（項目編號：YJYBZC201215）。