基于嵌入式系統的物聯網智能移動終端的設計

李津 孫毅 劉瓊俐

【摘要】 隨著物聯網技術的進一步發展和應用推廣，市場上對在物聯網系統中起關鍵作用的物聯網終端設備提出了更高的要求。為此，本文設計了一款具有多種功能、性能穩定的物聯網智能移動終端。首先，提出了這款物聯網智能移動終端的整體設計方案，方案采用的硬件平臺是三星公司出品的一款四核處理器，軟件平臺采用當前移動和智能設備領域應用最廣泛的Android操作系統。然后，針對物聯網終端的三個關鍵模塊進行了詳細設計，包含Wi-Fi無線通信模塊、GPS定位模塊、3G通信模塊。

【關鍵詞】 物聯網 嵌入式系統 Android平臺

物聯網被認為是當今信息化產業的第三次浪潮，是計算機技術，互聯網及移動通信網進一步發展的必然產物，特別是近幾年來，物聯網技術得到了飛速的發展和推廣[1]。世界各國政府也加大了對物聯網技術研究和基礎設施建設的投入，作為未來信息化發展方向和戰略需求，都在向物聯網這一新的信息技術高地靠近。我國也同樣對物聯網這一新領域非常重視，早在上世紀，便開始了相關領域的研究工作，使得現在我們可以看到未來物聯網市場的廣闊前景[2]。

隨著物聯網技術應用的進一步發展和推廣，對處在物聯網系統起關鍵作用的物聯網終端設備提出了更高的要求。在硬件方面，要求更高的處理速度、優越的性能，以及整機系統運行的穩定性；在軟件方面，同樣提出了在各種復雜場合下的應用需求，以及更加安全的保障和友好的交互界面。因此為了物聯網產業的繼續發展，很有必要設計并開發出一款具有多種功能，性能穩定的物聯網智能移動終端?；谶@種需求，本文研究設計了一款基于嵌入式系統的物聯網移動終端設備。

一、整體設計方案

1.1 系統架構

終端的系統整體方案架構如圖1所示。整機系統由應用軟件、應用軟件支撐、操作系統、硬件系統平臺及外設模塊等部分組成。

（1）應用軟件：根據具體的業務應用，配置不同的應用軟件；（2）應用支撐：主要提供整機操作使用、業務支撐等軟件，包括信息安全、通信協議API、手寫輸入、視頻/音頻解碼、系統管理等。（3）操作系統及設備驅動：操作系統采用Android操作系統，并根據平臺需求提供相應的設備驅動程序；（4）硬件系統平臺：由Exynos 4412、iNAND存儲、顯示/觸摸接口等組成；（5）外設模塊：主要由顯示屏、觸摸屏、RFID模塊及標準接口等組成。

1.2 設計方案

物聯網智能移動終端是嵌入式技術在物聯網應用這一特殊需求下的應用。為了實現該終端所需要的功能，本文采用的設計方案如下：（1）嵌入式微控制器采用三星的Exynos 4412處理器，它是目前市場上應用范圍較廣、性能優越、性價比較高、低功耗的一款ARM Cortex-A9四核處理器[3]。它自帶了許多的內部控制器，極大的減低了硬件設計的復雜度，并且提供了非常豐富的外設接口，包括常用的RS232串行接口、USB接口、攝像頭接口、顯示接口、存儲接口等。（2）嵌入式操作系統采用當前最流行的開放式系統Android，其采用開源Linux系統作為內核，其模塊式的設計方式為外設的添加及驅動移植帶來了極大的方便。并且Android提供了一套完整的應用開發API，很容易開發出滿足業務需要的應用程序。（3）為了滿足數據通信的需要，系統采用了包括3G、Wi-Fi等在內的多種通信技術。從而實現終端與“物”、終端與“人”的聯網功能，真正體現物聯網“物物相連”的基本特征。（4）為了收集各類數據信息，系統中還加入了射頻識別模塊、二維碼/條碼識別模塊、音視頻輸入輸出模塊，GPS模塊等。這些模塊可以根據具體的應用場合需要進行增減，充分體現嵌入式系統可裁剪的這一特性。

二、硬件設計

為了節約設計開發成本，本文設計的物聯網智能移動終端采用市場上成熟的CES-4412P開發板，在此基礎上進行二次設計開發，增加所需要的相應模塊。

CES-4412P開發板由兩部分組成：核心板和擴展板。其中核心板尺寸為：51*62mm，非常小巧且方便拆卸安裝[4]。擴展板的尺寸為：126*191mm，其中集成了3G、無線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寸多點電容（或電阻）液晶顯示觸摸屏，以及10.1寸多點觸摸電容液晶屏，用戶可以根據實際需要自由選擇。

CES-4412P開發板已經搭載了Android 4.2.2 Jelly Bean操作系統，并提供整個系統的源代碼，包括bootloader，Linux內核以及Android系統等。支持3G、WiFi、Bluetooth、GPS、Camera、Flashplayer V11網頁Flash播放、1080P視頻播放、3D圖形顯像、QQ、HDMI1.4等多媒體功能[5]。

三、軟件設計

本文的物聯網智能移動終端，是為了滿足多功能多用途的物聯網應用而設計的。為了達到對系統的設計目標，綜合各種因素考慮，終端采用目前市場上占優勢地位的Android操作系統。在具體的CES-4412P開發板上，除了Android系統外還需要其他的一些輔助軟件來完成整個系統的運行。

在Exynos4412處理器的內部有一個64KB大小的iROM和一個256KB大小的iRAM，在系統上電或者重啟時，會首先執行存儲在iROM里面的程序，這是一段很小很簡單的代碼，用于處理器內部最基本的初始化。等內部初始化完成后，會從外部存儲設備中讀取bootloaer代碼，這里的外部存儲設備可以是普通的NAND Flash存儲器、SD卡、eMMC存儲設備或者USB存儲設備。Bootloader由兩部分組成：第一部分是芯片相關代碼，用于初始化處理器芯片；第二部分是平臺相關，用于初始化和控制硬件平臺上的各類外設。

四、總結和展望

物聯網終端的設計和開發是嵌入式技術在物聯網系統中的一個專門的應用，本文采用嵌入式設計與開發的一般方法和流程，與此同時，還會圍繞著“物聯網”這一應用，有針對性的加入了某些模塊，比如無線通信模塊、射頻識別模塊、條碼掃描模塊、GPS定位模塊、音視頻模塊等等。本文提出了系統的整體設計方案，并從硬件平臺和軟件平臺兩個方面分別進行分析和設計。在總體方案設計之后，緊接著是對終端中的一些關鍵模塊進行更詳細的設計，主要包括無線通信模塊、GPS定位模塊、3G通信模塊等。在整個物聯網系統中，各種各樣的終端設備在離信息源最接近的底層為其他部分提供各類數據信息，其作用也隨著物聯網的發展而不斷變化。文中提到物聯網系統從“垂直”向“水平”轉變，但在這個過程中，“垂直”系統和“水平”系統是混合存在的。物聯網作為互聯網的延伸，在未來泛在物聯網來臨的時候，系統的復雜度會成倍甚至幾何級系數地增加，那時候的物聯網終端也會和現在的不一樣。隨著計算機技術和信息技術不斷探索和發展，相信未來會有更多的“物”融入到物聯網這個大家庭中來，也會不斷地出現各種功能各種形態的物聯網終端并帶給我們全新的工作和生活體驗。

參 考 文 獻

[1]吳德本. 物聯網綜述. 有線電視技術. 2011， 01： 107～110

[2]王英.UHF頻段RFID讀寫器研究與實現： [碩士學位論文]. 安徽： 合肥工業大學圖書館， 2010

[3]魏鳳. 我國物聯網發展及建設的思考. 中國科技投資， 2010， 10 ： 29～31

[4]胡清， 詹宜巨， 黃小虎. 基于RFID企業物聯網及中間件技術研究. 微計算機信息， 2009， 20 ： 35～36

[5]陸東. 無線射頻識別技術的應用及發展研究 .科技資訊， 2007， 14 ： 29～30