嵌入式系統傳感器的設計與應用研究

摘要：基于軟件和硬件的應用嵌入式系統可以獨立運行。軟件部分一般包括軟件運行環境的構建和操作系統的應用而硬件部分主要由信號處理器、存儲設備和通信模塊組成。嵌入式系統傳感器在物聯網等領域的應用越發頻繁需要明確其設計和應用原理并對其進行優化。文章根據嵌入式系統的特點對嵌入式系統傳感器的設計和應用進行了深入分析以期找到在實際使用中保證穩定性和有效性的途徑。

關鍵詞：嵌入式系統;傳感器;設計應用

中圖法分類號：TP212

文獻標識碼：A

Research on design and application of sensor in embedded system

PANG Zhigang

（Zhejiang Dali Technology Co.，Ltd.，Hangzhou 310000，China）

Abstract：Based on software and hardware applications，embedded systems can run independently. The software part generally includes the construction of the software operating environment and the application of the operating system， while the hardware part is mainly composed of signal processors，storage devices and communication modules. The application of embedded system sensors in the Internet of Things and other fields is more and more frequent， and its design and application principles need to be clarified and optimized. According to the characteristics of the embedded system，the article deeply analyzes the design and application of the embedded system sensor，in order to find a way to ensure the stability and effectiveness in practical use.

Key words： embedded system，sensors，design application

隨著網絡通信技術的發展，嵌入式系統傳感器的應用加速并推動了大多數設備的智能化發展。為此，有必要對嵌入式系統傳感器的設計和應用進行研究，以保證嵌入式系統傳感器的實際應用效果。

1? 嵌入式系統技術和傳感器技術

就軟件部分而言，能夠獨立運行的設備一般涉及軟件運行環境的構建和操作系統的應用，而硬件部分主要由信號處理器、存儲器和通信模塊組成和應用[ 1] 。在實際應用過程中，嵌入式系統與傳統計算機處理系統有明顯不同。這是因為嵌入式系統的存儲容量比計算機處理系統要大，且嵌入式系統的存儲介質不多。不過，嵌入式系統的功能更簡單，可以在大多數環境中使用。目前，嵌入式系統中常用的存儲介質主要是 E?PROM 和 EEPROM 。在開發過程中，API 編程結構經常被視為開發平臺的一部分。傳感器是一種具有采集、控制、電子信息處理等功能的傳感裝置[2]。在實際應用過程中，其可以完成對信號的精確轉換。

隨著計算機技術的進步，人們已經實現了對信號的精確轉換（圖 1） 。然而，傳感器技術相對復雜，其中又包含許多技術以及較為復雜的使用步驟。在傳感器技術的幫助下，系統性能進一步優化。此外，應用傳感器需要良好的計算機網絡的支持[3]。在電子信息時代背景下，應用傳感器可使計算機網絡系統加速處理外界信號，滿足信息傳輸、資源獲取和共享的需要，從而提高網絡質量，拓寬信息收集渠道。同時，傳感器可以對外界信號進行轉換，計算機成功識別轉換信號后，計算機與外界之間即可架起一座橋梁，提高信號處理效率，實現遠程控制。

2? 嵌入式系統傳感器的設計

嵌入式系統傳感器具有優異的串行連接能力，基于其靈活性、智能化和互聯性，可以很好地應用于工業和環境工程領域[4～ 7]。因此，為了實現嵌入式系統傳感器的全部功能，有必要了解傳感器的設計方法和形式，以保證其在實際應用中的有效性。

反射式傳感器是最常用的硬件電路之一。其基本原理是在傳感器內部結構中設置紅外發射器和紅外接收器，使紅外反射器在使用過程中發光，并根據與測量目標的接觸產生反射光[8～10]。反射光可以容納于接收管中，以獲得最準確的輸出結果。此外，接收器接收到的紅外信號可以直接影響電阻變化。同時，基于集成設計架構，為嵌入式系統設計傳感器更為便捷。

使用紅外傳感器可以避免普通光線中紅外線造成的過度干擾，因此嵌入式系統傳感器可以在智能導航設計領域取得良好的應用效果。同時，在傳感器設計過程中，也可以將嵌入式控制系統的硬件原理定義為傳感器的安裝平臺原理，從而根據傳感器的應用情況來配置安裝平臺。因此，在研究過程中，需要結合嵌入式操作系統選擇最合適的嵌入式集成處理器，以保證嵌入式系統傳感器的整體應用效果。此外，在反射式廣電傳感器的應用中，紅外光的光譜特性可以通過彩色濾光片的應用來改變。

基于顏色傳感器的制造，傳感器可以使用不同的顏色路徑并充分利用電路配置的影響。在嵌入式系統傳感器的軟件設計過程中，關鍵是完成嵌入式控制系統軟件平臺的構建。為保證控制軟件平臺在實際應用中的有效性，需要實現嵌入式交叉開發。因此，需要根據當前系統環境的實際狀態，明確架構差異，從而選擇對應的運行模式和內核，使交叉編譯器成功運行。

3? 通用嵌入式系統傳感器節點硬件平臺的設計

3.1? 傳感器和擴展功能接口模塊

接口模塊主要用于提供外部傳感器接口、模擬傳感器應用接口、可編程增益放大器等。目前，沒有標準的傳感器數字通信總線，研究表明，串行外圍接口 SPI 和 IIC 總線被廣泛使用，并且對于大多數類型的測量和傳感器具有一定的通用性。可編程增益放大器主要用于放大模擬傳感器的信號。基于可編程功能，允許選擇放大元件以滿足各種信號放大的需求。在相關設計中，一般采用美國微芯片公司生產的 mcp6s28芯片，其中8 個可選增益可以在多個通道之間切換。基于該芯片的靈活性，簡化了模擬電路，滿足了節點設計的一般要求。

3.2? 測試節點的應用

江蘇互聯網研發中心采用通用內置傳感器節點。應用結果表明，其傳感器節點穩定、可靠、可擴展、易于部署。根據相關研究可以得出結論：數據收發節點的功耗相對較高，主要是由于無線收發模塊的高功耗所致[11]。由于節點在低功耗模式和高功耗模式下交替運行，且節點每30秒進入低功耗模式，待機時間設置為10分鐘，有效降低并實現了節點的平均功耗和低能量目標。

4? 嵌入式系統傳感器的應用

在實際應用中，常用的傳感器有兩種，即可見光傳感器和紅外傳感器（圖2、圖3）。其中，可見光傳感器主要用于改變電阻值。使用對可見光非常敏感的電子元件來傳輸信息，即可實現相應的傳感器功能 [12]。目前，典型的可見光傳感器主要包括光敏電阻和硅光電池。在實際應用中，硅光伏電池可以利用光伏電池的優勢發電。當被照亮時，硅光電池會產生一個特定的電流，這取決于它接收到的可見光的強度;紅外傳感器是最常見的嵌入式系統傳感器之一，具有較高的靈敏度，通常應用于紅外儀表、紅外攝像機、紅外遙控器等設備的控制領域。然而，嵌入式系統傳感器在應用過程中面臨的挑戰主要是計算機病毒威脅和物聯網安全威脅。在實際應用中，一些不法分子利用相關技術手段侵入系統，尋找漏洞，利用解密、攔截、篡改等手段達到目的，給用戶造成巨大損失。在應用嵌入式系統傳感器的過程中，計算機病毒通常通過郵件和網絡傳播，如果與嵌入式系統傳感器相連的設備出現問題，整個系統將被破壞甚至癱瘓 [13]。同時，作為信息技術的重要組成部分，嵌入式系統的運行基于互聯網技術，從而在物聯網中完成商品交換。在這個過程中，要應用傳感器來完成對相關數據和信息進行處理，實現物聯網中的物品的位置跟蹤、識別和管理。一旦網絡受到攻擊，就會影響物聯網的安全，嵌入式系統傳感器將無法發揮作用。因此，要根據網絡的發展特點，優化各領域的計算機系統防護體系，提高人們的網絡防護意識，保障嵌入式系統的網絡安全。

5 ?結語

嵌入式系統和傳感器技術在實際應用中取得了良好的效果。在設計嵌入式系統傳感器的過程中，需要明確其質量特性及設計優勢，并為其開發相應的軟硬件。同時，在應用嵌入式系統傳感器的過程中，需要了解其實際應用范圍，采取預防措施消除潛在風險，保證嵌入式系統傳感器的有效性。未來，嵌入式系統傳感器將向小型化、智能化方向發展，以適應人工智能技術的進步。

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作者簡介：

龐志剛 （1974—） ，本科，軟件設計師，研究方向：軟件設計。