物联网与嵌入式系统开发研究

2021-11-21赵慧娟

电子技术与软件工程 2021年18期

赵慧娟

（安阳师范学院河南省安阳市 455000）

新时期随着信息技术的普及与智能城市建设步伐的加快，我国对物联网技术的研究已经达到了一个新的高度。在此背景下，嵌入式系统开发研究也取得了进一步的提升。同时，人们逐渐意识到物联网对于嵌入式系统开发的重要性。在此背景下，有必要对物联网与嵌入式系统开发展开研究，并进一步探讨物联网技术与嵌入式系统的实际应用。

1 物联网开发研究

1.1 物联网主要特征

物联网是指通过各种设备和技术，如信息传感器、射频识别技术、全球定位系统等，实时收集任何需要监控、连接和交互的对象或过程，利用网络接入，将物与物、物与人联系在一起，实现对物品与过程的智能信息感知、提取和管理[1]。随着时代的进步发展，计算机技术逐渐趋于成熟，物联网应用领域也越来越广泛。物联网主要特征基本上可以概括成三个部分：整体感知、可靠传输以及智能处理。整体感知是指通过使用感应设备，如RFID、QR 码和智能传感器，可以识别和获取各种物体的信息。可靠传输是指利用互联网和无线网络的集成，可以实时、准确地传输对象信息，实现信息交换和共享。智能处理是指通过各类智能技术对感知和传输的数据和信息进行分析和处理，从而实现监控的智能化。如传统监控平台虽然实现了对物体的远程监管控制，但是只能小规模的监控，并不能对多个物体进行统一、有效的监管控制，在大规模监控时，监控平台非常容易由于超负载作业导致服务器崩溃，从而致使整个监控平台无法正常使用。而物联网监控平台在运行的过程中利用内部存储器进行逻辑运算存储、顺序控制等指令，进而可以在真正意义上实现对多个对象控制。并且，物联网监控平台具备可靠性高、抗干扰能力强以及适用性强等特点，与传统监控系统相比较而言具有更为广泛的应用前景。

1.2 物联网关键技术

1.2.1 网络通信技术

信息通信能力已经逐渐成为大数据时代背景下的必备要求，因此，需要通过网络通信技术，进一步完善远距离、大容载的光通信技术。现阶段全球物联网体系已经构建，与物联网联系较为密切的网络通信技术主要有两种：短距离通信、远距离通信。网络通信技术是指用物理链路将各个孤立的系统或主机进行连接，一起组成数据链路，以此实现数据共享通信。利用网络通信技术对用户资料进行分析，可以更加科学、精准地掌握用户的诉求，从而在大数据环境下为用户提供更加具有指向性的软件服务。网络通信技术主要为与Wi-Fi 功能相近的2G 通信技术与RFID 传感设备。现阶段我国物联网中网络通信技术的建设侧重点主要在于该技术手段的普及应用，如自动缴费设置、无线设备互联应用以及远程视频监控系统等。除此之外，目前各地电网基本上都可以通过移动电话网络、道路基础设施等进行通信传输，而且还可以通过使用Wi-Fi 等途径接入互联网[2]。

1.2.2 智能传感技术

目前，我国在物联网下所采用传感技术主要为换能器网络。换能器网络主要指用于感知、传递的换能器组成的网络；换能器网络基本上可以分为内部和外部两种，内部主要用来向工作人员提供所需要的相关信息，外部则是用来感应当前外部环境状况。智能传感技术可以说新时期是衡量我国信息化程度的重要标志，是关于从自然信源获取信息，并对之进行相处的处理和识别。智能传感器在处理信息方面，同传统传感器相比较而言，不仅精准度更高，并且所需费用相对较少；还具有一定的编程自动化能力；功能多样化等诸多优点。但是，因为不同传感器所感知的化学原理、物理原理都有一定的差别，使其感知数据也会产生相应的异构的性质。故而应按照相关标准对已经异构的感知数据进一步分析汇总以及合理配置运用，以便于促进传感器数据融合。

1.2.3 RFID 射频识别技术

智能传感技术其中还包括RFID 射频识别技术，RFID 射频识别技术可以通过无线电讯号识别特定的目标并对相关数据进行简单读写。RFID 射频识别技术可以通过无线电讯号识别特定的目标并对相关数据进行简单读写。物联网将RFID 射频识别技术与已有的数据库技术、网络技术等相结合，由此构建一个由大量联网的RFID 终端组成比互联网更庞大的物联网。因此，RFID 射频识别技术可作为物联网的基础技术。而目前我们国家关于RFID 方面的核心技术仍比较缺乏，需要进一步深入研究。

1.3 物联网可靠性探索

物联网作为新时期产生的一种新兴产品，其内部体系结构更加复杂，且目前在国内外也没有制定统一的标准，因此各方面的安全问题更加突出。并且网络木马和网络病毒的种类繁多、危害极大，网络木马和网络病毒能够以各种形式，入侵物联网下的传感网络，并且很难在第一时间被工作人员所发现，如果长时间未被发现处理，甚至很有可能直接导致整个计算机系统崩溃。因此，要想有效保证物联网下传感网络的安全、稳定，必须进一步完善网络安全预警技术。搭建一个既能全程化、全方位实时监测整体网络安全威胁与态势的安全预警平台，又能对物联网应用、核心业务系统进行通报预警的技术平台。现阶段我国所采用的网络通信安全预警技术主要是通过对入侵数据信息进行实时监测，以分析并确定在网络通信中传输的信息数据是否确实得到了相应授权，如果发现未经授权则认定入侵数据信息为非法信息，从而发出预警。另外，要做好数据信息通信传输的安防工作，与此同时进一步完善数据备份恢复技术。这样在进行采集或储存数据时，即使相关数据信息不幸遭到认为篡改，工作人员也可以通过数据备份恢复技术及时恢复重要的数据信息，从而保障数据信息的准确性和完整性。

1.4 物联网发展前景

就目前国家形势而言，物联网技术属于高精端产业技术，打破传统互联网技术、电子技术间的固有界限，拥有十分广阔的发展创新空间。物联网技术能够更为人性化，同时应该注重将其与时代发展相适应。

2 嵌入式系统开发研究

2.1 嵌入式系统的组成

目前，国内普遍采用的嵌入式系统的核心层为中央处理器，其主要包括：运算单元和控制器模块这两大部分。并且，在CPU 的基础上，还配备了存储模块、电源模块和复位模块，形成了所谓的最小系统。随着科学技术的不断进步，大多集成电路制造商习惯于将多个外围设备集成到同一个集成电路芯片之中，以便于用户日常工作使用。这种芯片则被称为微控制器，在应用微控制器的前提下，进一步扩展功率传感和检测、执行器模块和配套软件，形成一个具有特定功能的完整单元，称为嵌入式系统。

2.2 嵌入式系统性能测试

由于用户在应用嵌入式系统过程中，经常会遇到系统卡顿、崩溃的情况发生，造成这种情况发生的主要原因是，嵌入式系统无法再持续承载庞大的数据信息，从而对嵌入式系统造成一定的损害。因此，在嵌入式系统投入使用前，程序员应当对嵌入式系统进行有效的性能测试，以确保用户在应用嵌入式系统的运行流畅性。首先，程序员应确保嵌入式系统运行环境的兼容性，最大程度提高嵌入式系统开发的质量。不仅要测试嵌入式系统的荷载状况，还要测试真实应用场景下嵌入式系统的整体情况，进一步确保嵌入式系统性能测试的科学性和合理性。除此之外，程序员还应当模拟用户长期使用后嵌入式系统的基本运行情况，并采取性能测试，倘若性能测试结果存在差异，需要针对干扰因素及时进行调整与优化，以保障嵌入式系统能够正常运行，给用户带来更好的体验感。由此也能看出，性能测试对于嵌入式系统开发的重要性。

2.3 嵌入式系统开发的具体流程

首先要建立发展环境，安装操作系统和交叉编译器。操作系统通常使用RedHat Linux。选择custom installation（自定义安装）或all installation（全部安装），通过网络下载相应的GCC 交叉编译器进行安装，或安装产品制造商提供的相关交叉编译器[3]。配置mnicom 参数。Mnicom 软件用作显示器和键盘输入工具，用于调试嵌入式开发板的信息输出。通常，参数为波特率115200 波特/秒，数据位8，停止位1，无奇偶校验，软硬件流量控制设置为无。Windows 下的超级终端配置相同。配置网络一般是NFS 网络文件系统。应当关闭防火墙，从而有效简化网络调试环境的设置过程。建立引导加载程序，因为其代码的版权及开源等多方面的问题，如果不了解其内部的工作原理，就只能完全依据说明书进行流程式的操作应用，所以应下载公开源代码，并根据具体芯片进行移植和修改。在没有内置的引导加载程序的开发板上编写flash 刻录程序。倘若有特意为所用CPU 移植的Linux 操作系统，下载后可以添加特定硬件的驱动程序，再调试和修改。对于使用MMU 的CPU 在模块模式下调试驱动程序，但mcliunx 系统只能编译内核调试。下载并使用busybox 软件适当进行功能缩减，以生成根文件系统，然后根据应用程序具体需要添加其他程序。如不满足应用程序的需要，可在根文件系统中修改启动脚本。在嵌入式系统中，根文件系统通常设置为只读。需要使用mkcramfs 和genromfs 等工具来生成刻录映像文件。通常使用JFFS2 或yaffs 文件系统。再根据具体需要进行开发应用程序。成功开发的应用程序可以放入根文件系统、yaffs和JFFS2 文件系统中。

2.4 嵌入式系统开发的实际意义

嵌入式系统是指以应用为中心、以计算机技术为基础的一种特殊的计算机系统，它可以根据用户的需要灵活地裁剪软件和硬件模块。嵌入式系统的目标是满足用户的特定需求。对于大多数完整的嵌入式系统，用户可以通过打开电源直接享受其功能，无需进行二次系统开发，或只需少量的配置操作。由于过去互联网的接入人数太少，对于软件和硬件模块裁剪要求不大，在我国以往的计算机软件开发中，大多数人认为计算机软件的代码编译与功能应用才是关键。但现在随着我国的物联网技术逐渐成熟完善，因为目标系统作为计算机系统的重要组成，大家自然而然对于目标系统的要求也随之增高。嵌入式计算机将通用计算机系统中的多个PCB 板完成的任务集成到芯片中，有利于实现小型化，易于将嵌入式系统嵌入到目标系统中[4]，是计算机软件开发的重要技术支撑，能够促进计算机技术不断创新发展。由此可以得出，嵌入式系统开发的实际意义。

2.5 嵌入式系统发展趋势

微处理器作为嵌入式系统的基础，在中国计算机系统开发初期，缺乏对微处理器的重视，造成了计算机系统开发的侧重点与软硬件应用的实际需求不相符。由此计算机工作人员逐渐开始开发嵌入式系统。在快节奏的生活条件下，嵌入式系统的开发工作不仅能够更好地满足人们个性化、多样化的生活需求，而且可以推动互联网行业的未来发展，从而提升我们国家的发展速度，通过开发先进的嵌入式系统，还可以推动国民经济的迅速发展。随着时代的不断前进与发展，计算机技术越来越趋于成熟，其应用领域也越来越为广泛，嵌入式系统作为计算机系统开发的重要环节，能够实现计算机技术的整合，验证软硬件的功能性，创建渗透式的运行模式，提高计算机系统开发的质量。因此，可以预见在计算机系统开发体系的后续发展中，嵌入式系统必然成为重点研究对象，并进一步应用到计算机行业当中，以保障计算机系统运行的稳定性和安全性，提高计算机软硬件的工作效率。