物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)開發(fā)研究

趙慧娟

（安陽師范學(xué)院 河南省安陽市 455000）

新時(shí)期隨著信息技術(shù)的普及與智能城市建設(shè)步伐的加快，我國對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究已經(jīng)達(dá)到了一個(gè)新的高度。在此背景下，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)研究也取得了進(jìn)一步的提升。同時(shí)，人們逐漸意識(shí)到物聯(lián)網(wǎng)對(duì)于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的重要性。在此背景下，有必要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)開發(fā)展開研究，并進(jìn)一步探討物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用。

1 物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)研究

1.1 物聯(lián)網(wǎng)主要特征

物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種設(shè)備和技術(shù)，如信息傳感器、射頻識(shí)別技術(shù)、全球定位系統(tǒng)等，實(shí)時(shí)收集任何需要監(jiān)控、連接和交互的對(duì)象或過程，利用網(wǎng)絡(luò)接入，將物與物、物與人聯(lián)系在一起，實(shí)現(xiàn)對(duì)物品與過程的智能信息感知、提取和管理[1]。隨著時(shí)代的進(jìn)步發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)逐漸趨于成熟，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。物聯(lián)網(wǎng)主要特征基本上可以概括成三個(gè)部分：整體感知、可靠傳輸以及智能處理。整體感知是指通過使用感應(yīng)設(shè)備，如RFID、QR 碼和智能傳感器，可以識(shí)別和獲取各種物體的信息?？煽總鬏斒侵咐没ヂ?lián)網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)的集成，可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地傳輸對(duì)象信息，實(shí)現(xiàn)信息交換和共享。智能處理是指通過各類智能技術(shù)對(duì)感知和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和信息進(jìn)行分析和處理，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的智能化。如傳統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái)雖然實(shí)現(xiàn)了對(duì)物體的遠(yuǎn)程監(jiān)管控制，但是只能小規(guī)模的監(jiān)控，并不能對(duì)多個(gè)物體進(jìn)行統(tǒng)一、有效的監(jiān)管控制，在大規(guī)模監(jiān)控時(shí)，監(jiān)控平臺(tái)非常容易由于超負(fù)載作業(yè)導(dǎo)致服務(wù)器崩潰，從而致使整個(gè)監(jiān)控平臺(tái)無法正常使用。而物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)在運(yùn)行的過程中利用內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行邏輯運(yùn)算存儲(chǔ)、順序控制等指令，進(jìn)而可以在真正意義上實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)對(duì)象控制。并且，物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)具備可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)以及適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)相比較而言具有更為廣泛的應(yīng)用前景。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

信息通信能力已經(jīng)逐漸成為大數(shù)據(jù)時(shí)代背景下的必備要求，因此，需要通過網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，進(jìn)一步完善遠(yuǎn)距離、大容載的光通信技術(shù)?，F(xiàn)階段全球物聯(lián)網(wǎng)體系已經(jīng)構(gòu)建，與物聯(lián)網(wǎng)聯(lián)系較為密切的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)主要有兩種：短距離通信、遠(yuǎn)距離通信。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)是指用物理鏈路將各個(gè)孤立的系統(tǒng)或主機(jī)進(jìn)行連接，一起組成數(shù)據(jù)鏈路，以此實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享通信。利用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)對(duì)用戶資料進(jìn)行分析，可以更加科學(xué)、精準(zhǔn)地掌握用戶的訴求，從而在大數(shù)據(jù)環(huán)境下為用戶提供更加具有指向性的軟件服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)主要為與Wi-Fi 功能相近的2G 通信技術(shù)與RFID 傳感設(shè)備。現(xiàn)階段我國物聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的建設(shè)側(cè)重點(diǎn)主要在于該技術(shù)手段的普及應(yīng)用，如自動(dòng)繳費(fèi)設(shè)置、無線設(shè)備互聯(lián)應(yīng)用以及遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。除此之外，目前各地電網(wǎng)基本上都可以通過移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)、道路基礎(chǔ)設(shè)施等進(jìn)行通信傳輸，而且還可以通過使用Wi-Fi 等途徑接入互聯(lián)網(wǎng)[2]。

1.2.2 智能傳感技術(shù)

目前，我國在物聯(lián)網(wǎng)下所采用傳感技術(shù)主要為換能器網(wǎng)絡(luò)。換能器網(wǎng)絡(luò)主要指用于感知、傳遞的換能器組成的網(wǎng)絡(luò)；換能器網(wǎng)絡(luò)基本上可以分為內(nèi)部和外部兩種，內(nèi)部主要用來向工作人員提供所需要的相關(guān)信息，外部則是用來感應(yīng)當(dāng)前外部環(huán)境狀況。智能傳感技術(shù)可以說新時(shí)期是衡量我國信息化程度的重要標(biāo)志，是關(guān)于從自然信源獲取信息，并對(duì)之進(jìn)行相處的處理和識(shí)別。智能傳感器在處理信息方面，同傳統(tǒng)傳感器相比較而言，不僅精準(zhǔn)度更高，并且所需費(fèi)用相對(duì)較少；還具有一定的編程自動(dòng)化能力；功能多樣化等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是，因?yàn)椴煌瑐鞲衅魉兄幕瘜W(xué)原理、物理原理都有一定的差別，使其感知數(shù)據(jù)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的異構(gòu)的性質(zhì)。故而應(yīng)按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)已經(jīng)異構(gòu)的感知數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析匯總以及合理配置運(yùn)用，以便于促進(jìn)傳感器數(shù)據(jù)融合。

1.2.3 RFID 射頻識(shí)別技術(shù)

智能傳感技術(shù)其中還包括RFID 射頻識(shí)別技術(shù)，RFID 射頻識(shí)別技術(shù)可以通過無線電訊號(hào)識(shí)別特定的目標(biāo)并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單讀寫。RFID 射頻識(shí)別技術(shù)可以通過無線電訊號(hào)識(shí)別特定的目標(biāo)并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單讀寫。物聯(lián)網(wǎng)將RFID 射頻識(shí)別技術(shù)與已有的數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等相結(jié)合，由此構(gòu)建一個(gè)由大量聯(lián)網(wǎng)的RFID 終端組成比互聯(lián)網(wǎng)更龐大的物聯(lián)網(wǎng)。因此，RFID 射頻識(shí)別技術(shù)可作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)技術(shù)。而目前我們國家關(guān)于RFID 方面的核心技術(shù)仍比較缺乏，需要進(jìn)一步深入研究。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)可靠性探索

物聯(lián)網(wǎng)作為新時(shí)期產(chǎn)生的一種新興產(chǎn)品，其內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，且目前在國內(nèi)外也沒有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此各方面的安全問題更加突出。并且網(wǎng)絡(luò)木馬和網(wǎng)絡(luò)病毒的種類繁多、危害極大，網(wǎng)絡(luò)木馬和網(wǎng)絡(luò)病毒能夠以各種形式，入侵物聯(lián)網(wǎng)下的傳感網(wǎng)絡(luò)，并且很難在第一時(shí)間被工作人員所發(fā)現(xiàn)，如果長時(shí)間未被發(fā)現(xiàn)處理，甚至很有可能直接導(dǎo)致整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)崩潰。因此，要想有效保證物聯(lián)網(wǎng)下傳感網(wǎng)絡(luò)的安全、穩(wěn)定，必須進(jìn)一步完善網(wǎng)絡(luò)安全預(yù)警技術(shù)。搭建一個(gè)既能全程化、全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測整體網(wǎng)絡(luò)安全威脅與態(tài)勢的安全預(yù)警平臺(tái)，又能對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、核心業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行通報(bào)預(yù)警的技術(shù)平臺(tái)?，F(xiàn)階段我國所采用的網(wǎng)絡(luò)通信安全預(yù)警技術(shù)主要是通過對(duì)入侵?jǐn)?shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以分析并確定在網(wǎng)絡(luò)通信中傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)是否確實(shí)得到了相應(yīng)授權(quán)，如果發(fā)現(xiàn)未經(jīng)授權(quán)則認(rèn)定入侵?jǐn)?shù)據(jù)信息為非法信息，從而發(fā)出預(yù)警。另外，要做好數(shù)據(jù)信息通信傳輸?shù)陌卜拦ぷ?，與此同時(shí)進(jìn)一步完善數(shù)據(jù)備份恢復(fù)技術(shù)。這樣在進(jìn)行采集或儲(chǔ)存數(shù)據(jù)時(shí)，即使相關(guān)數(shù)據(jù)信息不幸遭到認(rèn)為篡改，工作人員也可以通過數(shù)據(jù)備份恢復(fù)技術(shù)及時(shí)恢復(fù)重要的數(shù)據(jù)信息，從而保障數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性和完整性。

1.4 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景

就目前國家形勢而言，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)屬于高精端產(chǎn)業(yè)技術(shù)，打破傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電子技術(shù)間的固有界限，擁有十分廣闊的發(fā)展創(chuàng)新空間。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠更為人性化，同時(shí)應(yīng)該注重將其與時(shí)代發(fā)展相適應(yīng)。

2 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)研究

2.1 嵌入式系統(tǒng)的組成

目前，國內(nèi)普遍采用的嵌入式系統(tǒng)的核心層為中央處理器，其主要包括：運(yùn)算單元和控制器模塊這兩大部分。并且，在CPU 的基礎(chǔ)上，還配備了存儲(chǔ)模塊、電源模塊和復(fù)位模塊，形成了所謂的最小系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，大多集成電路制造商習(xí)慣于將多個(gè)外圍設(shè)備集成到同一個(gè)集成電路芯片之中，以便于用戶日常工作使用。這種芯片則被稱為微控制器，在應(yīng)用微控制器的前提下，進(jìn)一步擴(kuò)展功率傳感和檢測、執(zhí)行器模塊和配套軟件，形成一個(gè)具有特定功能的完整單元，稱為嵌入式系統(tǒng)。

2.2 嵌入式系統(tǒng)性能測試

由于用戶在應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)過程中，經(jīng)常會(huì)遇到系統(tǒng)卡頓、崩潰的情況發(fā)生，造成這種情況發(fā)生的主要原因是，嵌入式系統(tǒng)無法再持續(xù)承載龐大的數(shù)據(jù)信息，從而對(duì)嵌入式系統(tǒng)造成一定的損害。因此，在嵌入式系統(tǒng)投入使用前，程序員應(yīng)當(dāng)對(duì)嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行有效的性能測試，以確保用戶在應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行流暢性。首先，程序員應(yīng)確保嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的兼容性，最大程度提高嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的質(zhì)量。不僅要測試嵌入式系統(tǒng)的荷載狀況，還要測試真實(shí)應(yīng)用場景下嵌入式系統(tǒng)的整體情況，進(jìn)一步確保嵌入式系統(tǒng)性能測試的科學(xué)性和合理性。除此之外，程序員還應(yīng)當(dāng)模擬用戶長期使用后嵌入式系統(tǒng)的基本運(yùn)行情況，并采取性能測試，倘若性能測試結(jié)果存在差異，需要針對(duì)干擾因素及時(shí)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化，以保障嵌入式系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，給用戶帶來更好的體驗(yàn)感。由此也能看出，性能測試對(duì)于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的重要性。

2.3 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的具體流程

首先要建立發(fā)展環(huán)境，安裝操作系統(tǒng)和交叉編譯器。操作系統(tǒng)通常使用RedHat Linux。選擇custom installation（自定義安裝）或all installation（全部安裝），通過網(wǎng)絡(luò)下載相應(yīng)的GCC 交叉編譯器進(jìn)行安裝，或安裝產(chǎn)品制造商提供的相關(guān)交叉編譯器[3]。配置mnicom 參數(shù)。Mnicom 軟件用作顯示器和鍵盤輸入工具，用于調(diào)試嵌入式開發(fā)板的信息輸出。通常，參數(shù)為波特率115200 波特/秒，數(shù)據(jù)位8，停止位1，無奇偶校驗(yàn)，軟硬件流量控制設(shè)置為無。Windows 下的超級(jí)終端配置相同。配置網(wǎng)絡(luò)一般是NFS 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)。應(yīng)當(dāng)關(guān)閉防火墻，從而有效簡化網(wǎng)絡(luò)調(diào)試環(huán)境的設(shè)置過程。建立引導(dǎo)加載程序，因?yàn)槠浯a的版權(quán)及開源等多方面的問題，如果不了解其內(nèi)部的工作原理，就只能完全依據(jù)說明書進(jìn)行流程式的操作應(yīng)用，所以應(yīng)下載公開源代碼，并根據(jù)具體芯片進(jìn)行移植和修改。在沒有內(nèi)置的引導(dǎo)加載程序的開發(fā)板上編寫flash 刻錄程序。倘若有特意為所用CPU 移植的Linux 操作系統(tǒng)，下載后可以添加特定硬件的驅(qū)動(dòng)程序，再調(diào)試和修改。對(duì)于使用MMU 的CPU 在模塊模式下調(diào)試驅(qū)動(dòng)程序，但mcliunx 系統(tǒng)只能編譯內(nèi)核調(diào)試。下載并使用busybox 軟件適當(dāng)進(jìn)行功能縮減，以生成根文件系統(tǒng)，然后根據(jù)應(yīng)用程序具體需要添加其他程序。如不滿足應(yīng)用程序的需要，可在根文件系統(tǒng)中修改啟動(dòng)腳本。在嵌入式系統(tǒng)中，根文件系統(tǒng)通常設(shè)置為只讀。需要使用mkcramfs 和genromfs 等工具來生成刻錄映像文件。通常使用JFFS2 或yaffs 文件系統(tǒng)。再根據(jù)具體需要進(jìn)行開發(fā)應(yīng)用程序。成功開發(fā)的應(yīng)用程序可以放入根文件系統(tǒng)、yaffs和JFFS2 文件系統(tǒng)中。

2.4 嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的實(shí)際意義

嵌入式系統(tǒng)是指以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的一種特殊的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它可以根據(jù)用戶的需要靈活地裁剪軟件和硬件模塊。嵌入式系統(tǒng)的目標(biāo)是滿足用戶的特定需求。對(duì)于大多數(shù)完整的嵌入式系統(tǒng)，用戶可以通過打開電源直接享受其功能，無需進(jìn)行二次系統(tǒng)開發(fā)，或只需少量的配置操作。由于過去互聯(lián)網(wǎng)的接入人數(shù)太少，對(duì)于軟件和硬件模塊裁剪要求不大，在我國以往的計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)中，大多數(shù)人認(rèn)為計(jì)算機(jī)軟件的代碼編譯與功能應(yīng)用才是關(guān)鍵。但現(xiàn)在隨著我國的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸成熟完善，因?yàn)槟繕?biāo)系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要組成，大家自然而然對(duì)于目標(biāo)系統(tǒng)的要求也隨之增高。嵌入式計(jì)算機(jī)將通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的多個(gè)PCB 板完成的任務(wù)集成到芯片中，有利于實(shí)現(xiàn)小型化，易于將嵌入式系統(tǒng)嵌入到目標(biāo)系統(tǒng)中[4]，是計(jì)算機(jī)軟件開發(fā)的重要技術(shù)支撐，能夠促進(jìn)計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷創(chuàng)新發(fā)展。由此可以得出，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的實(shí)際意義。

2.5 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展趨勢

微處理器作為嵌入式系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在中國計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開發(fā)初期，缺乏對(duì)微處理器的重視，造成了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的側(cè)重點(diǎn)與軟硬件應(yīng)用的實(shí)際需求不相符。由此計(jì)算機(jī)工作人員逐漸開始開發(fā)嵌入式系統(tǒng)。在快節(jié)奏的生活條件下，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)工作不僅能夠更好地滿足人們個(gè)性化、多樣化的生活需求，而且可以推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的未來發(fā)展，從而提升我們國家的發(fā)展速度，通過開發(fā)先進(jìn)的嵌入式系統(tǒng)，還可以推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展。隨著時(shí)代的不斷前進(jìn)與發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)越來越趨于成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越為廣泛，嵌入式系統(tǒng)作為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的重要環(huán)節(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)技術(shù)的整合，驗(yàn)證軟硬件的功能性，創(chuàng)建滲透式的運(yùn)行模式，提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的質(zhì)量。因此，可以預(yù)見在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開發(fā)體系的后續(xù)發(fā)展中，嵌入式系統(tǒng)必然成為重點(diǎn)研究對(duì)象，并進(jìn)一步應(yīng)用到計(jì)算機(jī)行業(yè)當(dāng)中，以保障計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，提高計(jì)算機(jī)軟硬件的工作效率。

3 結(jié)束語

綜上所述，隨著新時(shí)期技術(shù)的更新發(fā)展，目前國內(nèi)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)的功能也越來越強(qiáng)大，由于對(duì)嵌入式系統(tǒng)要求的增高，因此物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用可以說是極為重要。因?yàn)?，新時(shí)期物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用能夠大幅度提高我們國家軟件運(yùn)行過程的安全性，極大程度地節(jié)約人工收集、整理計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)信息的時(shí)間，是嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的重要技術(shù)支撐。