基于嵌入式系統視角下的物聯網

在物聯網中，嵌入式系統具有非常重要的作用，其也是物聯網中的必不可少的技術組成部分。在物聯網的研究中，我們應該重視嵌入式系統的地位，并通過嵌入式系統來促進物聯網的發展，從而實現人、機、物三者之間的信息交互。

【關鍵詞】嵌入式系統 物聯網 研究

物聯網（The Internetof things，IOT）通過智能感知、識別技術與普適計算，將所有物體融入互聯網，實現各設備之間的信息交換。很多行業都應用到物聯網，如智能農業、工業4.0、智慧交通、智能家居等等，在這些行業中，物聯網發揮了重要的作用，極大促進了各行業的智能化和信息化，提高工作效率。目前，很多設備已經通過物聯網連接到網絡中，如PC、手機等多種設備。而這些設備不能直接接入到互聯網，需要通過物聯網網關連接。物聯網網關具有很多功能，如協議轉換、重新封裝數據、防火墻、信息過濾等。嵌入式系統（Embedded system）屬于一種專用的計算機系統，能夠特定地執行相應的任務。也就是說，該系統主要是依照預先定義的任務進行完全執行。現主要結合個人經驗，闡釋在嵌入式系統視角下如何應用物聯網。

1 嵌入式系統簡述

1.1 嵌入式系統的結構

嵌入式系統屬于一種完全嵌入受控器件內部的系統，其可分為硬件、軟件系統兩個部分。嵌入式系統設備由計算機系統、系統執行設備兩部分構成。其中計算機系統中包含了系統軟件層、應用軟件層、硬件層和硬件抽象層四個組成部分。硬件層系統和計算機系統相似，其具有良好的兼容性。但在功能上，硬件層系統儲存量小、指令處理速度低。硬件抽象層也叫中間層，其能夠將底層硬件和上層軟件分開，形成有不同功能的獨立的部分。因此，在進行開發時不受到硬件影響，使開發效率極大提高。硬件抽象層還具有初始化底層硬件設備、配置硬件設備的部分基本參數等等。軟件層包括文件和操作兩大主要系統，形成一個開發環境。應用軟件層主要是提供應用接口，使用戶可以直接進行編程應用軟件，并控制和應用整個系統。

1.2 嵌入式系統與物聯網中的關系

在物聯網中，嵌入式系統是連接物聯網和互聯網的物聯關鍵部分。由于在互聯網的設計中，并沒有將其自然延伸到物聯網，兩者之間并無直接的關系，為了讓互聯網和物聯網無縫連接，就需要使用嵌入式系統來實現。因此，在物聯網中，嵌入式系統的存在具有物控、物感、人-物交互、物-物交互等特性。總的來說，物聯網是當前新技術發展下而形成的信息技術而且是其信息技術中重要的構成部分，而嵌入式系統則是物聯網中的技術組成部分。嵌入式系統的存在推進了物聯網的發展，真正實現了人、機、物之間的無障礙交融。

2 基于嵌入式系統視角下的物聯網研究

2.1 嵌入式系統設計方法和操作系統分析

常見的嵌入式系統設計方法有軟硬件協同設計、軟硬件獨立設計兩種。通常采用軟硬件順序獨立設計的方法，也就是先設計硬件再進行設計軟件。其中硬件設計語言常用的有Verilog HDL、VHDL等。軟件設計常用的軟件語言有C++、C、Java等。常見的嵌入式操作系統有WinCE、Linux、PalmOS等。嵌入式操作系統具有實時性、特定性、時間準確性、可裁剪性、支持網絡功能、接口標準化等特點。在開發環境中，嵌入式操作系統發揮了極大的作用，體現其強大的開發功能，并得到人們的青睞和廣泛應用。

2.2 物聯網網關的特點和設計需求分析

物聯網由感知層、網絡層和應用層構成其基本的架構，感知層主要作用是對信息的識別和采集；網絡層的作用主要是轉發、處理網絡信息、實現網絡管理控制等；應用層的作用是根據需求來實現各種功能，使行業能夠根據其特點和需求實現信息化、智能化。由于物聯網網關要實現物聯網與互聯網的無縫連接，進而使各種設備能夠無縫接入互聯網，真正實現人、機、物之間的無障礙溝通。因此，物聯網網關在設計方面有較高的要求，具體有以下幾點：

（1）具備廣泛感知網絡以及無縫接入的能力。由于物聯網網關要將互聯網和物聯網進行無縫連接，這就需要其具備廣泛感知網絡能力，才能夠將兩者連接起來。但傳感器設備具有一定的局限性，這就需要在設計中考慮到各種傳感器的特點。而傳感器則屬于通信技術中的一種，常見的有藍牙、Zigbee、Wi-Fi等等。這些通信技術實際上都屬于近程通信，而且協議體系都有所不同，并沒有設置統一的標準。這就需要物聯網感知層能夠對這些不同的網絡具有廣泛的感知和接入的能力。

（3）具備較強的各類型數據轉換能力。目前我國互聯網采用的協議有TCP/IP、IPv6等。不同的無線接入設備、傳感器也采用不同的網絡傳輸協議。可見，我國互聯網中的網絡傳輸協議具有多樣性的特點。因此，物聯網網關必須要具備較強的各類型數據轉換能力，才能夠在不同的網絡傳輸協議中實現協議的轉換，使將數據轉換成為同一種格式，并將數據傳輸到網絡中。

（3）具備良好的管理與控制能力。目前我國互聯網中的各大網絡運營商都設置了專屬的管理平臺，也就是說其網絡傳輸協議都有所不同。物聯網最終要與這些網絡平臺連接，這就需要物聯網自身能夠具備良好的管理與控制能力。例如實現對自身登錄、故障、狀態等方面的管理與控制，對傳感器網絡的管理與控制的等等。

2.3 物聯網網關的設計

在傳輸網絡方面，TCP/IP模型結構主要包括應用層、傳輸層、互聯網層、網絡接口層。其中應用層的作用是執行用戶的應用程序，在這一過程中，主要通過不同的網絡傳輸協議來實現信息的交換。傳輸層的作用主要是正確地把數據傳遞給進程，使端與端之間實現信息交換。傳輸層中所使用的協議為TCP和UDP。網絡接口層的功能主要是面向物理接口使各種設備能夠互聯，另外其還能夠面向模型上層接收數據。互聯網層的作用主要是區分不同的網絡，分組和轉發數據。

在傳感層網絡方面，采用的通信方式主要有無線和有限兩種，無線有Wi-Fi、Zigbee、紅外線等等；常見的有線通信方式是USB、RS232等等。傳感層網絡的構成主要有物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。以無線Wi-Fi為例，物理層的功能主要是開啟、關閉無線收發，檢測接收端的能量，測量信號強度和質量、自主選擇信道頻率等等。網絡層的功能主要是分析信息、路由管理、網絡安全管理等等。應用層的功能是安全管理、反應管理、功能定義、定義設備的網絡連接等等。

3 基于嵌入式系統視角下物聯網應用設計

嵌入式開發板常用的有A20和樹莓派開發板，以A20開發板為例進行設計。在物聯網網關設計中，軟件部分的設計使用C、PHP、MySQL等語言。硬件設計應用A20開發板、網線、串口、51單片機等。開發環境采用Linux操作系統，并按照Linux的開發環境進行設計。設計具體流程如表1。

按照上述步驟完成工作后，測定數據庫是否正常，便完成了物聯網基本架構的設計。在此基礎上，我們對整個架構再進行具體分析和細化，并進行針對性的設計，就可以完成嵌入式物聯網設計。

4 結束語

嵌入式系統作為物聯網中的重要技術組成部分，其對于物聯網來說是不可缺少的。在當前傳輸協議類型眾多的復雜的互聯網環境中，要實現物聯網與互聯網的無縫連接，實現人、機、物的無障礙信息交互，就需要采用嵌入式系統對物聯網網關進行設計，使各種接口都夠和物聯網連接。在設計中，設計人員需要根據不同軟件的需求來進行設計，以滿足各行各業對于物聯網網關的需求。

參考文獻

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作者簡介

張舉（1987-），男，山西省人，大學本科學歷。研究方向為嵌入式與物聯網。

作者單位

山西農業大學信息學院 山西省晉中市 030800