网络化嵌入式系统的设计技术和应用

网络化嵌入式系统的设计技术和应用摘要随着医疗电子、智能家居、物流管理和电力控制等方面的不断风靡，嵌入式 系统利用自身积累的底蕴经验，重视和把握这个机会，想办法在已经成熟的平台 和产品基础上与应用传感单元的结合，扩展物联和感知的支持能力，发掘某种领 域物联网应用。作为物联网重要技术组成的嵌入式系统，嵌入式系统的视角有助 于深刻地、全面地理解物联网的本质。本文旨在阐述网络化嵌入式系统设计和应 用。一、引言随着医疗电子、智能家居、物流管理和电力控制等方面的不断风靡，嵌入 式系统利用自身积累的底蕴经验，重视和把握这个机会，想办法在已经成熟的平 台和产品基础上与应用传感单元的结合，扩展物联和感知的支持能力，发掘某种 领域物联网应用。作为物联网重要技术组成的嵌入式系统，嵌入式系统的视角有 助于深刻地、全面地理解物联网的本质。这有两层意思：第一，物联网的核心仍然是互联网，是在互联网基础上的延 伸和扩展的网络;第二，其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信 息交换和通信，必须具备嵌入式系统构建的智能终端。因此，物联网系统是通过 射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按 约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信的系统架构。物联网不仅仅提供了传感器的连接，其本身也具有智能处理的能力，能够对 物体实施智能控制，这就是我们嵌入式系统所能做到的。诚然，物联网将传感器 和智能处理相结合，利用云计算、模式识别等各种智能技术，扩充其应用领域。 从传感器获得的海量信息中分析、加工和处理出有意义的数据，以适应不同用户 的不同需求，发现新的应用领域和应用模式。二、嵌入式系统简介嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”从中 可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前 国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件 可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算 机系统。嵌入式系统从最初的intel 4004微处理器芯片到后来的16位6800芯 片至今，其结构功能不断完善。至今，嵌入式已应用或将应用到人们的日常生活 当中各个方面了：小到最常见的手机、mp3、pda，大到智能楼宇、航空航天，以 及谷歌近期研制当中的自动行驶汽车。三、物联网技术简介随着互联网所引导的全球信息产业的不断推进，物联网得到了巨大的发展空 间。试想一下在工作的休息时间，便可操纵家里的电冰箱、洗衣机；在走到商场 门口，手机中便收到了该商场的促销活动消息；驾车途中随时更新路况信息，从 而选择最优的行车路线。这一切的实现都将依赖于物联网的发展。物联网的英文名称是“the internet of things”顾名思义，“物联网就是 物物相连的互联网”物联网的定义是通过射频识别（rfid）、红外感应器、全球 定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相 连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和 管理的一种网络。物联网技术并不是一个单独的技术，而是多种已有技术的融合：如互联网技 术、嵌入式系统技术、传感器网络技术、通信技术、rfid技术、epc技术。下文 将对rfid和epc技术作详细介绍。物联网的体系结构：物联网包含感知层、网络层、应用层三层。最底层负责 采集物和物相关的信息;第二层是异构融合的泛在通信网络，包括现有的互联网、 通信网、广电网以及各种接入网和专用网，通信网络对采集到的物体信息进行传 输和处理；第三层是应用和业务，为手机、pc等各种终端设备提供感知信息的 应用服务。四、嵌入式系统和物联网之间的区别与联系物联网是集多种专用或通用系统于一体，因而备具有信息采集、处理、传输、 交互等功能；嵌入式系统强调的是嵌入到宿主对象的专用计算系统，相对物联网 而言更具备专用性，实现某些单一特定对的功能。因而物联网的功能包括了嵌入 式系统的功能，但随着嵌入式系统的不断发展，其功能日趋复杂化。如现今发展 已经比较成熟的手机、gps定位等系统，均可以直接融入到物联网当中。 从技术的角度来看，首先物联网与嵌入式系统融合了非常相似的技术，其次物联 网技术中又包含有嵌入式系统技术。举例来说，物联网和嵌入式系统均具备如电 子硬件技术、软件技术；而在rfid （射频识别技术）、传感器技术、通信技术等 方面物联网是必须具备的而嵌入式系统不一定全部具备。目前的很多嵌入式系统，只要能提升系统设备的网络通信能力和加入智能信息处 理的技术都可以应用于物联网。两者之间的系统构成也非常相似。唯一嵌入式系 统不具备的是标签识别模块。五、网络化嵌入式系统的设计技术1、地址资源物联网的实现需要给每个物体分配唯一的标识或地址。最早的可寻址性想法 是基于RFID标签和电子产品唯一编码来实现的。另一个来自语义网的想法是，用现有的命名协议，如统一资源标志符来访问 所有物品（不仅限于电子产品，智能设备和带有RFID标签的物品）。这些物品本 身不能交谈，但通过这种方式它们可以被其他节点访问，例如一个强大的中央服 务器。下一代互联网将使用IPv6协议，它拥有极大数量的地址资源，使用IPv6 的程序能够和几乎所有接入设备进行通信。这个系统将能够识别任何一种物品GS1/EPCglobal EPC Information Services （EPCIS）是这些想法的一个综 合实践。这个系统被用来标识从航天、交通到消费电子领域的物品2、人工智能环境智能和自主控制并不是物联网最初概念的一部分。环境智能和自主控制 也并不依赖于网络架构。但目前的研究趋势是将自主控制和物联网结合在一起， 在未来物联网可能是一个非决定性的、开放的网络，其中自组织的或智能的实体 和虚拟物品能够和环境交互并基于它们各自的目的自主运行。嵌入式智能是一种基于人工智能视角对物联网的解释，可以被粗略定义为： 借助于广泛部署的智能设备来取得关于人类、环境和社会的更多信息，来强化人 工智能收集和分析人类生活轨迹的能力。3、架构物联网系统很可能是一个事件驱动的架构，由下而上进行构建，并囊括各种 子系统。因此，模型驱动和功能驱动的方式将会共存，系统能够较容易地加入新 的节点，并能够处理意外(Mul ti-agent sys tems, B-ADSc, et c.).在物联网中，一个事件信息很可能不是一个预先被决定的，有确定句法结构 的消息，而是一种能够自我表达的内容：例如语义网。相应地，信息也不必要 有着确定的协议来规范所有可能的内容，因为不可能存在一个“终极的规范能 够预测所有的信息内容。那种自上而下进行的标准化是静态的，无法适应网络动 态的演化，因而也是不切实际的。在物联网上的信息应该是能够自我解释的，顺 应一些标准，同时也能够演化那种标准。4、子系统物联网中并不是所有节点都必须运行在全球层面上，比如TCP/IP层。举例 来讲,很多末端传感器和执行器没有运行TCP/IP协议栈的能力，它们通过ZigBee、 现场总线等方式接入。这些设备通常也只有有限的地址翻译能力和信息解析能力, 为了将这些设备接入物联网，需要某种代理设备和程序实现以下功能：在子网中 用“当地语言”与设备通信；将“当地语言”和上层网络语言互译；补足设备欠 缺的接入能力。因此该类代理设备也是物联网硬件的重要组成之一。此外出于安全考虑，家庭、办公室、工厂等地方可能采用一个自治的物联网 子网，与全球网有受限的交互。六、网络化嵌入式系统的应用物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家 居、智能消防、工业监测、环境监测、路灯照明管控、景观照明管控、楼宇照明 管控、广场照明管控、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、 敌情侦查和情报搜集等多个领域。国际电信联盟于2005年的报告曾描绘“物联网”时代的图景：当司机出现 操作失误时汽车会自动报警;公文包会提醒主人忘带了什么东西;衣服会“告诉” 洗衣机对颜色和水温的要求等等。物联网在物流领域内的应用则比如：一家物流 公司应用了物联网系统的货车，当装载超重时，汽车会自动告诉你超载了，并且 超载多少，但空间还有剩余，告诉你轻重货怎样搭配；当搬运人员卸货时，一只 货物包装可能会大叫“你扔疼我了”，或者说“亲爱的，请你不要太野蛮，可以 吗？ ”；当司机在和别人扯闲话，货车会装作老板的声音怒吼“笨蛋，该发车了！”物联网把新一代IT技术充分运用在各行各业之中，具体地说，就是把感应 器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气 管道等各种物体中，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会 与物理系统的整合，在这个整合的网络当中，存在能力超级强大的中心计算机群， 能够对整合网络内的人员、机器、设备和基础设施实施实时的管理和控制，在此 基础上，人类可以以更加精细和动态的方式管理生产和生活，达到“智慧”状态， 提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然间的关系。七、结束语物联网将现实世界数字化，应用范围十分广泛。物联网的应用领域主要包括 以下几个方面：运输和物流领域、健康医疗领域、智能环境（家庭、办公、工厂） 领域、个人和社会领域等，具有十分广阔的市场和应用前景。参考文献1 朱洪波，杨龙祥，朱琦物联网技术进展与应用j.南京邮电大学学报（自然科学版），第31卷第1期第3页2 王莹物联网为嵌入式系统带来机遇j.电子产品世界出版社，电子产品世界编辑部2010,17卷（5期）第25页3 王俊宇，闵昊.epc系统结构及其面临的问题j.小型微型计算机系统，第27卷第 7 期 1280-12844 杨辉，王毅.物联网与嵌入式系统的关系研究j.计算机与现代化2011年第8期128页5 嵌入式系统网络化是带动产业发展新要素.2014-1-1.6 百度百科:嵌入式系统.2014-1-1.htt p:/ tm7 百度百科:物联网.2014-1-1.htt p:/ tm