基于嵌入式系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)智能移動(dòng)終端的設(shè)計(jì)

李津 孫毅 劉瓊俐

【摘要】 隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用推廣，市場(chǎng)上對(duì)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備提出了更高的要求。為此，本文設(shè)計(jì)了一款具有多種功能、性能穩(wěn)定的物聯(lián)網(wǎng)智能移動(dòng)終端。首先，提出了這款物聯(lián)網(wǎng)智能移動(dòng)終端的整體設(shè)計(jì)方案，方案采用的硬件平臺(tái)是三星公司出品的一款四核處理器，軟件平臺(tái)采用當(dāng)前移動(dòng)和智能設(shè)備領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的Android操作系統(tǒng)。然后，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)終端的三個(gè)關(guān)鍵模塊進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，包含Wi-Fi無(wú)線通信模塊、GPS定位模塊、3G通信模塊。

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

物聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為是當(dāng)今信息化產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮，是計(jì)算機(jī)技術(shù)，互聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)通信網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展的必然產(chǎn)物，特別是近幾年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了飛速的發(fā)展和推廣[1]。世界各國(guó)政府也加大了對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投入，作為未來(lái)信息化發(fā)展方向和戰(zhàn)略需求，都在向物聯(lián)網(wǎng)這一新的信息技術(shù)高地靠近。我國(guó)也同樣對(duì)物聯(lián)網(wǎng)這一新領(lǐng)域非常重視，早在上世紀(jì)，便開(kāi)始了相關(guān)領(lǐng)域的研究工作，使得現(xiàn)在我們可以看到未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)的廣闊前景[2]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的進(jìn)一步發(fā)展和推廣，對(duì)處在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)起關(guān)鍵作用的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備提出了更高的要求。在硬件方面，要求更高的處理速度、優(yōu)越的性能，以及整機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；在軟件方面，同樣提出了在各種復(fù)雜場(chǎng)合下的應(yīng)用需求，以及更加安全的保障和友好的交互界面。因此為了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的繼續(xù)發(fā)展，很有必要設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出一款具有多種功能，性能穩(wěn)定的物聯(lián)網(wǎng)智能移動(dòng)終端。基于這種需求，本文研究設(shè)計(jì)了一款基于嵌入式系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)終端設(shè)備。

一、整體設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

終端的系統(tǒng)整體方案架構(gòu)如圖1所示。整機(jī)系統(tǒng)由應(yīng)用軟件、應(yīng)用軟件支撐、操作系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)平臺(tái)及外設(shè)模塊等部分組成。

（1）應(yīng)用軟件：根據(jù)具體的業(yè)務(wù)應(yīng)用，配置不同的應(yīng)用軟件；（2）應(yīng)用支撐：主要提供整機(jī)操作使用、業(yè)務(wù)支撐等軟件，包括信息安全、通信協(xié)議API、手寫(xiě)輸入、視頻/音頻解碼、系統(tǒng)管理等。（3）操作系統(tǒng)及設(shè)備驅(qū)動(dòng)：操作系統(tǒng)采用Android操作系統(tǒng)，并根據(jù)平臺(tái)需求提供相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；（4）硬件系統(tǒng)平臺(tái)：由Exynos 4412、iNAND存儲(chǔ)、顯示/觸摸接口等組成；（5）外設(shè)模塊：主要由顯示屏、觸摸屏、RFID模塊及標(biāo)準(zhǔn)接口等組成。

1.2 設(shè)計(jì)方案

物聯(lián)網(wǎng)智能移動(dòng)終端是嵌入式技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用這一特殊需求下的應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)該終端所需要的功能，本文采用的設(shè)計(jì)方案如下：（1）嵌入式微控制器采用三星的Exynos 4412處理器，它是目前市場(chǎng)上應(yīng)用范圍較廣、性能優(yōu)越、性價(jià)比較高、低功耗的一款A(yù)RM Cortex-A9四核處理器[3]。它自帶了許多的內(nèi)部控制器，極大的減低了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，并且提供了非常豐富的外設(shè)接口，包括常用的RS232串行接口、USB接口、攝像頭接口、顯示接口、存儲(chǔ)接口等。（2）嵌入式操作系統(tǒng)采用當(dāng)前最流行的開(kāi)放式系統(tǒng)Android，其采用開(kāi)源Linux系統(tǒng)作為內(nèi)核，其模塊式的設(shè)計(jì)方式為外設(shè)的添加及驅(qū)動(dòng)移植帶來(lái)了極大的方便。并且Android提供了一套完整的應(yīng)用開(kāi)發(fā)API，很容易開(kāi)發(fā)出滿足業(yè)務(wù)需要的應(yīng)用程序。（3）為了滿足數(shù)據(jù)通信的需要，系統(tǒng)采用了包括3G、Wi-Fi等在內(nèi)的多種通信技術(shù)。從而實(shí)現(xiàn)終端與“物”、終端與“人”的聯(lián)網(wǎng)功能，真正體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)“物物相連”的基本特征。（4）為了收集各類(lèi)數(shù)據(jù)信息，系統(tǒng)中還加入了射頻識(shí)別模塊、二維碼/條碼識(shí)別模塊、音視頻輸入輸出模塊，GPS模塊等。這些模塊可以根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合需要進(jìn)行增減，充分體現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)可裁剪的這一特性。

二、硬件設(shè)計(jì)

為了節(jié)約設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本，本文設(shè)計(jì)的物聯(lián)網(wǎng)智能移動(dòng)終端采用市場(chǎng)上成熟的CES-4412P開(kāi)發(fā)板，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，增加所需要的相應(yīng)模塊。

CES-4412P開(kāi)發(fā)板由兩部分組成：核心板和擴(kuò)展板。其中核心板尺寸為：51*62mm，非常小巧且方便拆卸安裝[4]。擴(kuò)展板的尺寸為：126*191mm，其中集成了3G、無(wú)線Bluetooth、WiFi、Camera、GPS等功能模組，帶有HDMI 1.4（1080P/60Hz）高清接口。顯示及交互部分可支持7寸多點(diǎn)電容（或電阻）液晶顯示觸摸屏，以及10.1寸多點(diǎn)觸摸電容液晶屏，用戶可以根據(jù)實(shí)際需要自由選擇。

CES-4412P開(kāi)發(fā)板已經(jīng)搭載了Android 4.2.2 Jelly Bean操作系統(tǒng)，并提供整個(gè)系統(tǒng)的源代碼，包括bootloader，Linux內(nèi)核以及Android系統(tǒng)等。支持3G、WiFi、Bluetooth、GPS、Camera、Flashplayer V11網(wǎng)頁(yè)Flash播放、1080P視頻播放、3D圖形顯像、QQ、HDMI1.4等多媒體功能[5]。

三、軟件設(shè)計(jì)

本文的物聯(lián)網(wǎng)智能移動(dòng)終端，是為了滿足多功能多用途的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。為了達(dá)到對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，綜合各種因素考慮，終端采用目前市場(chǎng)上占優(yōu)勢(shì)地位的Android操作系統(tǒng)。在具體的CES-4412P開(kāi)發(fā)板上，除了Android系統(tǒng)外還需要其他的一些輔助軟件來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

在Exynos4412處理器的內(nèi)部有一個(gè)64KB大小的iROM和一個(gè)256KB大小的iRAM，在系統(tǒng)上電或者重啟時(shí)，會(huì)首先執(zhí)行存儲(chǔ)在iROM里面的程序，這是一段很小很簡(jiǎn)單的代碼，用于處理器內(nèi)部最基本的初始化。等內(nèi)部初始化完成后，會(huì)從外部存儲(chǔ)設(shè)備中讀取bootloaer代碼，這里的外部存儲(chǔ)設(shè)備可以是普通的NAND Flash存儲(chǔ)器、SD卡、eMMC存儲(chǔ)設(shè)備或者USB存儲(chǔ)設(shè)備。Bootloader由兩部分組成：第一部分是芯片相關(guān)代碼，用于初始化處理器芯片；第二部分是平臺(tái)相關(guān)，用于初始化和控制硬件平臺(tái)上的各類(lèi)外設(shè)。

四、總結(jié)和展望

物聯(lián)網(wǎng)終端的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)是嵌入式技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的一個(gè)專(zhuān)門(mén)的應(yīng)用，本文采用嵌入式設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的一般方法和流程，與此同時(shí)，還會(huì)圍繞著“物聯(lián)網(wǎng)”這一應(yīng)用，有針對(duì)性的加入了某些模塊，比如無(wú)線通信模塊、射頻識(shí)別模塊、條碼掃描模塊、GPS定位模塊、音視頻模塊等等。本文提出了系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案，并從硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)兩個(gè)方面分別進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。在總體方案設(shè)計(jì)之后，緊接著是對(duì)終端中的一些關(guān)鍵模塊進(jìn)行更詳細(xì)的設(shè)計(jì)，主要包括無(wú)線通信模塊、GPS定位模塊、3G通信模塊等。在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，各種各樣的終端設(shè)備在離信息源最接近的底層為其他部分提供各類(lèi)數(shù)據(jù)信息，其作用也隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展而不斷變化。文中提到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)從“垂直”向“水平”轉(zhuǎn)變，但在這個(gè)過(guò)程中，“垂直”系統(tǒng)和“水平”系統(tǒng)是混合存在的。物聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)的延伸，在未來(lái)泛在物聯(lián)網(wǎng)來(lái)臨的時(shí)候，系統(tǒng)的復(fù)雜度會(huì)成倍甚至幾何級(jí)系數(shù)地增加，那時(shí)候的物聯(lián)網(wǎng)終端也會(huì)和現(xiàn)在的不一樣。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)不斷探索和發(fā)展，相信未來(lái)會(huì)有更多的“物”融入到物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)大家庭中來(lái)，也會(huì)不斷地出現(xiàn)各種功能各種形態(tài)的物聯(lián)網(wǎng)終端并帶給我們?nèi)碌墓ぷ骱蜕铙w驗(yàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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[3]魏鳳. 我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展及建設(shè)的思考. 中國(guó)科技投資， 2010， 10 ： 29～31

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