嵌入式系统传感器的设计与应用研究

摘要：基于软件和硬件的应用嵌入式系统可以独立运行。软件部分一般包括软件运行环境的构建和操作系统的应用而硬件部分主要由信号处理器、存储设备和通信模块组成。嵌入式系统传感器在物联网等领域的应用越发频繁需要明确其设计和应用原理并对其进行优化。文章根据嵌入式系统的特点对嵌入式系统传感器的设计和应用进行了深入分析以期找到在实际使用中保证稳定性和有效性的途径。

关键词：嵌入式系统;传感器;设计应用

中图法分类号：TP212

文献标识码：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

隨着网络通信技术的发展，嵌入式系统传感器的应用加速并推动了大多数设备的智能化发展。为此，有必要对嵌入式系统传感器的设计和应用进行研究，以保证嵌入式系统传感器的实际应用效果。

1  嵌入式系统技术和传感器技术

就软件部分而言，能够独立运行的设备一般涉及软件运行环境的构建和操作系统的应用，而硬件部分主要由信号处理器、存储器和通信模块组成和应用[ 1] 。在实际应用过程中，嵌入式系统与传统计算机处理系统有明显不同。这是因为嵌入式系统的存储容量比计算机处理系统要大，且嵌入式系统的存储介质不多。不过，嵌入式系统的功能更简单，可以在大多数环境中使用。目前，嵌入式系统中常用的存储介质主要是 E⁃PROM 和 EEPROM 。在开发过程中，API 编程结构经常被视为开发平台的一部分。传感器是一种具有采集、控制、电子信息处理等功能的传感装置[2]。在实际应用过程中，其可以完成对信号的精确转换。

随着计算机技术的进步，人们已经实现了对信号的精确转换（图 1） 。然而，传感器技术相对复杂，其中又包含许多技术以及较为复杂的使用步骤。在传感器技术的帮助下，系统性能进一步优化。此外，应用传感器需要良好的计算机网络的支持[3]。在电子信息时代背景下，应用传感器可使计算机网络系统加速处理外界信号，满足信息传输、资源获取和共享的需要，从而提高网络质量，拓宽信息收集渠道。同时，传感器可以对外界信号进行转换，计算机成功识别转换信号后，计算机与外界之间即可架起一座桥梁，提高信号处理效率，实现远程控制。

2  嵌入式系统传感器的设计

嵌入式系统传感器具有优异的串行连接能力，基于其灵活性、智能化和互联性，可以很好地应用于工业和环境工程领域[4～ 7]。因此，为了实现嵌入式系统传感器的全部功能，有必要了解传感器的设计方法和形式，以保证其在实际应用中的有效性。

反射式传感器是最常用的硬件电路之一。其基本原理是在传感器内部结构中设置红外发射器和红外接收器，使红外反射器在使用过程中发光，并根据与测量目标的接触产生反射光[8～10]。反射光可以容纳于接收管中，以获得最准确的输出结果。此外，接收器接收到的红外信号可以直接影响电阻变化。同时，基于集成设计架构，为嵌入式系统设计传感器更为便捷。

使用红外传感器可以避免普通光线中红外线造成的过度干扰，因此嵌入式系统传感器可以在智能导航设计领域取得良好的应用效果。同时，在传感器设计过程中，也可以将嵌入式控制系统的硬件原理定义为传感器的安装平台原理，从而根据传感器的应用情况来配置安装平台。因此，在研究过程中，需要结合嵌入式操作系统选择最合适的嵌入式集成处理器，以保证嵌入式系统传感器的整体应用效果。此外，在反射式广电传感器的应用中，红外光的光谱特性可以通过彩色滤光片的应用来改变。

基于颜色传感器的制造，传感器可以使用不同的颜色路径并充分利用电路配置的影响。在嵌入式系统传感器的软件设计过程中，关键是完成嵌入式控制系统软件平台的构建。为保证控制软件平台在实际应用中的有效性，需要实现嵌入式交叉开发。因此，需要根据当前系统环境的实际状态，明确架构差异，从而选择对应的运行模式和内核，使交叉编译器成功运行。

3  通用嵌入式系统传感器节点硬件平台的设计

3.1  传感器和扩展功能接口模块

接口模块主要用于提供外部传感器接口、模拟传感器应用接口、可编程增益放大器等。目前，没有标准的传感器数字通信总线，研究表明，串行外围接口 SPI 和 IIC 总线被广泛使用，并且对于大多数类型的测量和传感器具有一定的通用性。可编程增益放大器主要用于放大模拟传感器的信号。基于可编程功能，允许选择放大元件以满足各种信号放大的需求。在相关设计中，一般采用美國微芯片公司生产的 mcp6s28芯片，其中8 个可选增益可以在多个通道之间切换。基于该芯片的灵活性，简化了模拟电路，满足了节点设计的一般要求。

3.2  测试节点的应用

江苏互联网研发中心采用通用内置传感器节点。应用结果表明，其传感器节点稳定、可靠、可扩展、易于部署。根据相关研究可以得出结论：数据收发节点的功耗相对较高，主要是由于无线收发模块的高功耗所致[11]。由于节点在低功耗模式和高功耗模式下交替运行，且节点每30秒进入低功耗模式，待机时间设置为10分钟，有效降低并实现了节点的平均功耗和低能量目标。

4  嵌入式系统传感器的应用

在实际应用中，常用的传感器有两种，即可见光传感器和红外传感器（图2、图3）。其中，可见光传感器主要用于改变电阻值。使用对可见光非常敏感的电子元件来传输信息，即可实现相应的传感器功能 [12]。目前，典型的可见光传感器主要包括光敏电阻和硅光电池。在实际应用中，硅光伏电池可以利用光伏电池的优势发电。当被照亮时，硅光电池会产生一个特定的电流，这取决于它接收到的可见光的强度;红外传感器是最常见的嵌入式系统传感器之一，具有较高的灵敏度，通常应用于红外仪表、红外摄像机、红外遥控器等设备的控制领域。然而，嵌入式系统传感器在应用过程中面临的挑战主要是计算机病毒威胁和物联网安全威胁。在实际应用中，一些不法分子利用相关技术手段侵入系统，寻找漏洞，利用解密、拦截、篡改等手段达到目的，给用户造成巨大损失。在应用嵌入式系统传感器的过程中，计算机病毒通常通过邮件和网络传播，如果与嵌入式系统传感器相连的设备出现问题，整个系统将被破坏甚至瘫痪 [13]。同时，作为信息技术的重要组成部分，嵌入式系统的运行基于互联网技术，从而在物联网中完成商品交换。在这个过程中，要应用传感器来完成对相关数据和信息进行处理，实现物联网中的物品的位置跟踪、识别和管理。一旦网络受到攻击，就会影响物联网的安全，嵌入式系统传感器将无法发挥作用。因此，要根据网络的发展特点，优化各领域的计算机系统防护体系，提高人们的网络防护意识，保障嵌入式系统的网络安全。

5  结语

嵌入式系统和传感器技术在实际应用中取得了良好的效果。在设计嵌入式系统传感器的过程中，需要明确其质量特性及设计优势，并为其开发相应的软硬件。同时，在应用嵌入式系统传感器的过程中，需要了解其实际应用范围，采取预防措施消除潜在风险，保证嵌入式系统传感器的有效性。未来，嵌入式系统传感器将向小型化、智能化方向发展，以适应人工智能技术的进步。

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作者简介：

庞志刚 （1974—） ，本科，软件设计师，研究方向：软件设计。