嵌入式设计系统

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嵌入式设计系统范文第1篇

为解决公交车的高效便捷清洗问题，基于青岛理工大学韩旭东教授的团队设计的一款“垂直滚筒式公交清洗小车”，利用AT89C51单片机配合其他元器件，设计了相关的嵌入式系统，包括超声波测距系统和手动/自动双模平台升降控制系统，完善了原产品的设计。采用KeilC51软件编写了相应的控制程序，使用Proteus软件绘制了电路原理图，并进行了仿真模拟。

关键词：

公交清洗小车；嵌入式系统；超声波测距；平台升降控制

0引言

为解决公交车的高效便捷清洗问题，青岛理工大学韩旭东教授的团队设计了一款“垂直滚筒式公交清洗小车”[1]。但在该设计中，仅对机械结构与工作原理做了介绍，缺少相关的控制电路与控制程序的设计，给清洗小车的使用带来了极大的不便。本文在原产品的基础上，针对小车与公交车之间距离的控制不准确的问题，设计了超声波测距系统；针对平台升降控制不方便的问题，设计了手动/自动双模平台升降控制系统。有效地提高了该产品的实用性，完善了该产品的设计。

1超声波测距系统

1.1设计目的

清洗小车由人力推动并控制方向，但由于路面不平，人力控制精度有限，会使小车与公交车车体间的距离发生改变，距离过近会使滚筒挤压车体表面，阻碍滚筒旋转；距离过远，则会使滚筒毛刷与车体表面间间隙过大，影响清洗效果。需要一套测距系统使小车与公交车车体间的距离始终保持在一个合理范围之内。

1.2测距方式的选择

超声波测距是利用机械波反射来测量距离，适用于短距离测距，原理简单，成本低，远距离测量精度较低。公交清洗小车的使用环境比较复杂，对测距系统的精度要求不高，测量的距离在1～2m，且要求结构简单、成本低廉、性能稳定。根据需要和集中测距方式的特点，本文选择超声波测距方式。

1.3超声波测距原理

超声波在均匀介质中的传输速度为一恒定值，由发生器发射超声波，在遇到测量目标后反射回来，由接收器接收并记录由发射到接收经历的时间，便可以计算出发生器与测量目标之间的距离[2]。公式如下：L=12C•Δt。式中：L为测量距离；C为超声波在当前介质中的传输速度（空气中常温下速度为340m/s）；Δt为从发射到接收经历的时间。

1.4设计内容

本文利用AT89C51单片机、HC-SR04超声波测距模块、LED灯组成了一个超声波测距警报系统。当距离过近时，指示距离过近的红灯点亮；距离适中时，指示距离适中的绿灯点亮；当距离过远时，指示距离过远的红灯点亮。工作人员可以根据灯光指示调整小车位置，使之与车体表面间的距离保持在一个合理范围。1.4.1HC-SR04超声波测距模块工作原理本文所采用的HC-SR04超声波测距模块，具有成本低、体积小、精度高、使用简单方便等优点，其基本工作原理为：1)采用I/O口TRIG触发测距，提供至少10μs的高电平信号;2)模块自动发送8个40kHz的方波，自动检测是否有信号返回；3)有信号返回，通过I/O口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间[3]。1.4.2程序控制过程利用AT89C51单片机自带的定时计数器资源，通过I/O口给超声波模块一个发射信号并开始计时，当收到超声波模块的反馈信号时，结束计时并计算距离。

2手动/自动双模平台升降控制系统

2.1设计目的

现行大多数公交车的高度在3m左右，为能够确保清洗整个车体表面，原产品采用双丝杠旋转驱动平台升降的设计，并利用直流电动机产生动力。为方便用户使用，能够快捷高效操作平台升降，提高清洗效率，本文设计了一套手动/自动双模平台升降控制系统。

2.2设计内容

根据计算，清洗平台需调整2次高度才可将车体表面清洗完毕，为了方便工作人员操作，本文设计了手动/自动双模控制系统。该系统采用AT89C51单片机，配合L289直流电动机驱动模块，通过控制电动机的正反转实现平台的升降，设计原理图见图4[5]。操作过程为：启动系统后，在自动模式下，按UP键，平台会上升一个固定高度；按DOWN键，平台会下降一个固定高度。该高度值是为实现最高清洗效率，以3m高的车身为标准，经优化计算得出的最适高度。因为公交车的型号差异，车身高度也各不相同，所以为满足实际使用要求，我们又设计了手动控制模式。在手动模式下，按住UP键，平台会上升，松开立即停止；按住DOWN键，平台会下降，松开立即停止。为防止工作人员误操作，本文增加了按键防抖动延迟，防止工作人员误触按键；如果UP和DOWN键同时按下，则电动机停转，直至其中一个按键松开。

3结语

嵌入式设计系统范文第2篇

关键词：嵌入式；设计技术；挑战；市场；性能

中图分类号：TP311

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式计算机系统与通用计算机系统有着本质上的不同，嵌入式计算机系统在很多情况下需要考虑的是为其产品性能，生命周期和商业驱动做优化，而不是努力提高其最大计算吞吐量。对于一个有市场适应能力的嵌入式计算机系统来说，产品的成功与否更重要的是其在性价比上的优势。

嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。

由于嵌入式计算机系统自身功能和具体应用环境的限制，其在设计技术上会面临如下两个方面的挑战：

1 系统自身发展升级挑战

应用领域的不断扩大和用户要求的逐渐提高推动了嵌入式计算机系统功能的升级，而在升级过程中，嵌入式计算机系统设计技术作为系统开发的核心环节，无法避免的要面对来自整个系统的全面挑战。

1.1 单片机向多模块组合转变

随着用户对备选方案数量要求的提高，嵌入式系统从过去单一的单片机应用模式，转变为能够提供更多不同层次方案的多样化模式。通过重用和组合IP核构件技术实现的片上SoC系统，是目前嵌入式系统能够实现的最高形式。通过利用FPGA和IP模块进行功能组合PSoC/SOPC设计，彻底改变了过去单片机从底层全权包揽的单一设计局面。

1.2 对设计技术的要求更高

经过几年发展，目前高端嵌入式系统都是建立在RTOS基础之上的，所以很多非计算机专业技术人员就要学习全新的RTOS技术。这无疑是一次设计技术的重头再来，需要设计人员做到从观念认识到设计技术的一次彻底转变。

1.3 运用新开发工具进行系统开发

嵌入式设计从8/16位转向功能更强大的32位MCU，升级之后，开发工具的投入就成为了系统开发过程中最大的障碍。升级之后的开发环境不仅加大了系统投资数目，对其使用的技术有了更高要求，其开发工具较之前也有了更复杂的变化。使用新系统进行开发时，如何正确选择处理器架构、评估嵌入式操作系统，以及使用陌生的开发工具，都是一个新的挑战。

1.4 多种技术协同设计

嵌入式系统对软硬件的协同配合有着超高的要求，所以在设计过程中，软硬件设计的同步与集成是主要问题。由于技术细节处的不断增加，控制软硬件一致性与正确性需要消耗极大的时间。目前业界已经开发Polis、CosYma及Chinook等多种方法和工具来支持集成式软硬件的协同设计。这使得系统可以跨越硬件和软件平台复用，并支持设计空间探索。是一种统一软硬件的开发方法。

2 应对市场的重点性能挑战

嵌入式计算机系统设计技术在满足用户多样性需求和自身不断升级方面的提升与完善是信息技术发展的必然趋势，但是其最根本的基础性能提高则是市场判定该系统是否卓越，亘古不变的标准。在设计过程中，基础性能设计的重点如下：

2.1 操作实时响应

嵌入式计算机系统嵌入到对象系统中的计算机应用系统，嵌入系统在运行时不仅要求得到正确的结果，更要满足时间交互过程的响应要求。在设计过程中，有时需要要求设计技术按照软件运行最坏情况下的时间进行预留，因为软件运行耗费的时间会立刻增加系统响应的时间，致使系统不能满足嵌入对象系统提出的响应时间。“信号处理系统”、“紧急任务处理系统”就是典型的实时性要求很强的系统。

2.2 嵌入系统安全性

嵌入式计算机系统通常应用于安全性很高的情况下，这就要求设计技术能够保证系统极高的安全性能和可靠性能。

（1）可靠性能。嵌入式计算机系统的可靠性是衡量其设计技术的重要标准，它要求设计技术满足增长系统生命周期，拓宽系统适用范围，减少系统中的错误，增加系统的稳定性，甚至要降低嵌入式系统的维护费用。为满足如上诸多要求，嵌入式系统设计技术应该从工作温度，抗震动，抗电磁干扰，抗辐射等方面着手进行全面加强。

（2）可用性能。嵌入式计算机系统为达到提供预期的功能要求提高系统的可靠性，在系统设计时，通常需要采用故障避免、故障检测与故障容错等设计技术。

（3）安全性能。嵌入式计算机系统的安全性，要求系统的设计技术尽量使系统能够无错误的完成预期功能，同时降低系统的危害程度，安全完成运行任务。

（4）保密性能。保密性能在网络嵌入式计算机系统中尤为重要。通过现有的保密技术和网络安全措施基本可以保证数据的安全，但也无法做到完全保证。这就需要我们通过系统的设计技术加入入侵检测模块来提升嵌入系统的保密性。使入侵模块成为整个系统的最后防线，在系统遭受威胁或被攻击后，通过分析攻击行为，有效保护系统免受同样攻击。

通常在设计时，都是利用技术通过提高嵌入系统的抗入侵能力来提高保密性，在遭到入侵时，嵌入计算机系统能够进行安全的现场重编程及提供重建保护等。

3 结语

互联网在日常生活与工作中的作用越来越大，信息技术的发展日益迅速。嵌入式计算机系统作为当今信息技术的核心部分，对我国的各行各业产生了深远影响。嵌入式计算机系统设计技术，则是嵌入式计算机系统开发的核心环节。更高的应用需求，对嵌入式计算机系统的设计技术提出了更高的要求。与此同时，嵌入式系统本身的升级，也使得嵌入式计算机系统的设计技术面临更大的挑战。本文通过以上对嵌入式计算机系统设计技术的几点分析，主要分析了嵌入式计算机系统的设计技术为更好的适应和满足市场，而需要面对的诸多挑战。可以看出，嵌入式计算机系统在市场上的需求日益增大，用户的要求也在向多样化和高标准的趋势发展。这就要求系统的设计技术，一方面要不断与时俱进熟练掌握新升级技术，来适应市场满足多样化需求；另一方面要保证系统基本的实时性与安全性。只有这样抓牢基础，不断提高才能在当今的信息化社会中站稳脚跟，不会被市场淘汰。

参考文献：

[1]刘洪涛，孙天泽.嵌入式系统技术与设计[J].21世纪高等学校计算机规划教材，2009，1：12-13.

[2]冯立杰，傅民仓，李文波.多CPU嵌入式系统的设计方法[J].现代电子技术，2006，6：33-34.

[3]张涛.嵌入式计算机系统设计技术[J].中国计算机报，2000，7：D10.

嵌入式设计系统范文第3篇

关键词:嵌入式系统;机器视觉;测控系统;图像跟踪

中图分类号:TP391.41文献标识码:A文章编号:1009-3044(2010)08-1987-02

1 概述

随着科学技术的发展,更高速,更可靠,更低成本成为各种技术开发的要求。因此,设计能实现实时视觉图像采集、视觉图像处理控制,使其结构更紧凑,甚至完全不需要计算机的介入,提高处理速度,并能有效降低成本的专用机器视觉控制系统,使得该系统具有安装方便、配置灵活、便于携带等突出优点。为此,本课题提出了基于嵌入式机器视觉测控系统的研究,在嵌入式系统上实现实时视觉图像采集、视觉图像处理及控制,构成处理速度快,成本低,结构紧凑,不需要计算机介入的专用嵌入式机器视觉测控系统。

2 系统总体设计

2.1 设计方案

目前,用于图像采集处理系统的嵌入式核心器件一般有FPGA、DSP和ARM芯片,出于成本控制与测控系统性能要求的考虑,这里选用FPGA方案。

FPGA内嵌的NiosII软核处理器是32位的,主要包括CPU微处理器、I/O中断、计时器、UART串口及大量通用寄存器。选用FPGA方案的优点在于,在单个芯片上既可以完成图像采集等复杂逻辑的控制,又可以用内嵌的NiosII处理器完成对图像的处理和识别,电路设计简单,成本低。

对于机器视觉测控系统,在选用了嵌入式处理器实现图像采集的功能之后,需要将视频图像进行数字化处理,这里采用标准工业摄像机+视频图像数字化模块的方法实现。标准工业摄像机的输出信号一般是PAL制式或NTSC制式的模拟信号,信号在进行数字图像处理前必须经过刀D转换,即视频采集。视频采集是整个系统中的一个重要组成部分,它是对模拟视频信号实现数字图像处理的第一个步骤。该方案具有通用性好、成本低的优点。

2.2 总体结构设计

1) 硬件设计

硬件设计包括系统硬件电路的连接和FPGA内部逻辑电路的设计。

FPGA内部逻辑电路的设计是以QuartusII为开发环境,用VHDL语言编程实现图像采集、SRAM总线切换等模块的功能,用SOPC Builder配置、产生NiosII软核处理器及必要的外设(用户自定义外设用VHDL编程实现),然后一起编译并下载到FPGA的配置芯片中,再由配置芯片完成对FPGA的上电配置,由此形成硬件逻辑电路的连接,实现图像采集、处理、存储、显示、实时控制等功能模块。

2) 软件设计

用SOPC Builder生成NiosII处理器系统的同时,也会生成相应的SDK软件开发包。在这个软件包的基础上,开发者可以利用NiosII IDE,移植嵌入式实时操作系统μc/OS-II,编写C或者C++程序来完成对图像的二值化、区域分割、特征提取、模式识别等处理过程,最终实现对目标轨迹的跟踪,实时控制机器人沿规定轨迹运行。

3 关键技术问题探讨

3.1 图像采集CCD模块设计

图像信息的获取就是捕捉待处理目标的图像信息并将其转换成适合一体机处理的数字信号,这一过程主要包括图像捕获、光电转换及数字化等几个步骤。目前图像信息获取可以使用CCD、CMOS、CIS等传感器,其中以CCD的应用最为广泛。

本设计模块采用1/3寸逐行扫描型黑白面阵CCD图像传感器ICX424AL。ICX424AL有效光敏单元为659×494,灵敏度高、暗电流小,带有电子快门。由三相垂直脉冲(V1、V2、V3)和两相水平脉冲(H1、H2)驱动工作,水平驱动时钟频率为24.154MHz,驱动电压5V。曝光之后,每一列成像势阱中的电荷在脉冲的驱动作用下被移至势阱旁的垂直寄存器当中,然后垂直驱动脉冲发挥作用,每次脉冲驱动垂直寄存器组中的像素电荷向下移一行,而此时最下面一行的像素电荷则被移动到水平寄存器当中。之后水平驱动脉冲发挥作用,脉冲驱动水平寄存器中的像素的电荷向输出口移动。被移出像素电荷,经过放大器后形成电压信号输出。水平寄存器被移空后,剩余电荷再次向下移一行,在水平驱动脉冲作用下,水平寄存器的电荷再次被依次移出。上述过程一直重复直至所有像素电荷被移出。

ICX424AL的驱动时序由CCD信号处理器AD9929产生。AD9929有一个三线式串行接的串行通信接口,通过该接口可以对AD9929时序发生器的相位寄存器组进行操作,发送配置信息或读取AD9929的工作状态。AD9929可直接与CCD传感器相连接,CCD像素模拟电压信号在AD9929驱动脉冲的作用下,由CCD_IN引脚输入到AD9929中,经模拟前端采样、放大和A/D转换后,产生8位的数字信号由DOUT[0-11]引脚输出,这些数字信号即为CCD图像传感器捕捉到的待测目标的原始图像信息。

3.2 图像实时跟踪算法设计

由CCD模块负责采集图像,那么嵌入式系统必须要有完善的图像跟踪算法,才能够实现智能机器人对目标的跟踪,传统的图像跟踪算法由于运算量较大而存在实时性较差的问题,因此,有必要对图像跟踪算法进行实时性优化设计。

目标图像跟踪是一个序列图像处理、识别和测量过程。在跟踪过程中,目标可能出现大小、形状、姿态等变化,加上实际环境中的各种干扰,以及图像处理最小计量单位的精度问题,相关跟踪得不到绝对最佳的匹配位置,存在测量误差。因此,为了保证跟踪的稳定性,需要对图像跟踪模板进行自适应更新。图像跟踪模板的更新是目标跟踪中要解决的重要问题之一,图像跟踪模板更新过快或过慢,都有可能丢失所跟踪的目标。判断图像跟踪模板是否需要更新要根据相关的置信度信号,如果相关匹配的置信度高,就可以根据本帧图像的匹配点处的坐标来更新图像跟踪模板;如果置信度低,则说明匹配不稳定,要沿用以前的匹配图像跟踪模板对下一帧进行相关匹配。

相关置信度信号是在分析相关匹配算法的基础上设计出来的,它是一个非常重要的参数。经过分析可知:若匹配点处的峰值很大,且峰值与其它非匹配点的均值之差越大,则表明跟踪越可靠。定义帧内相关置信度为:

式中:C0是帧内相关置信度;maxR是当前帧匹配点处的误差累加次数;R是同一帧内M个依次比maxR小的误差累加次数的均值,如果maxR和R相差越大,则说明该匹配点越可靠。本算法可根据计算速度的需要对M取值,一般可以取M等于20～100的任何值。若C0大于阈值T0,则认为相关匹配值maxR符合帧内置信度,更新图像跟踪模板;否则,相关匹配不可靠,不更新图像跟踪模板。阈值T0根据图像的质量和经验来确定,这里我们取T0=0.6。

实践证明,在序列图像跟踪过程中,若单纯地利用当前图像的最佳匹配位置处的图像跟踪模板作为依据进行下一帧图像的匹配,则跟踪结果很容易受某一帧发生突变的图像的影响而偏离正确位置。因此,本系统采用基于置信度的加权自适应模板修正算法:如果当前帧匹配质量很差,则该帧图像数据不进行修正;而若当前帧匹配质量很好,则该帧图像数据进行修正,加权修正算法表示如下式:

上式中,T(i,j,t)为当前帧使用的图像跟踪模板,O(i,j,t)为当前帧最佳匹配位置的子图像,T(i,j,t+1)为预测得到的下一帧图像坐标,α为加权系数(0≤α≤1),该系数的大小根据帧内相关置信度C0,按照下式计算:

4 结束语

本文在嵌入式系统与机器视觉控制系统的交叉点展开研究,目的是将具有重要意义的机器视觉控制系统应用到具有广泛基础的嵌入式系统平台上,拓展机器视觉的应用范围。通过对机器视觉控制系统及嵌入式系统设计方案的选择,并对基于嵌入式机器视觉控制系统的关键技术问题展开研究,以此为依据,设计了相应的硬件系统和软件系统,并将其应用到智能机器人视觉的控制上。

参考文献:

[1] 王耀南,李树涛,毛建旭.计算机图像处理与识别技术[M].北京:高等教育出版社,2001.

[2] 段峰,王耀南,雷晓峰.机器视觉技术及其应用综述[J].自动化博览,2002,19(3):59-61.

嵌入式设计系统范文第4篇

引言

物联网时代，物联网系统中的嵌入式系统对互联网开放。本质可靠的嵌入式系统有可能遭遇互联网病毒或恶意入侵的攻击事件而出现安全问题，这是物联网时代嵌入式系统面临的新挑战。在物联网系统的安全架构中，有一个明显的非安全入侵界面，设立归一化安全交互通道、实现交互通道界面的安全管理，是物联网系统中嵌入式系统安全性设计的重要原则。

1电子系统的智能化与集群化

我们从电子系统的时代变革中，可以明显看出电子系统的智能化、集群化趋势。传统电子系统，是孤立的泛性产品系统（没有归一化内核）；智能电子系统，是归一化微控制器内核基础上智能产品系统，并从单个产品走向集群（分布式集群、总线集群、局域网集群）；物联网电子时代的嵌入式系统，是普遍具有互联网接入功能的智能电子系统，有紧耦合与松耦合接入两种状态。松耦合的智能电子系统是一个独立的产品系统，通常在网下使用，需要时接入，如手机、桌面电脑、智能家电等；紧耦合的智能电子系统与互联网构成一个物联网应用系统，如市政交通管理系统、小区物业安全管理的实时监视电子系统。目前，传统电子系统基本被淘汰，智能电子系统与物联网电子系统会长期并存。与3个电子时代相对应的开发环境变迁，是产品开发的平台化与可靠性设计内容的变迁。传统电子时代是电子工程师单打独斗的时代，电子产品的功能性设计、低功耗设计、可靠性设计完全依靠电子工程师的聪明才智，由电子工程师独立完成。智能电子时代，产品硬件体系设计是电子工程师在微控制器、大规模集成电路的功能模块基础上的配置设计；产品的软件体系设计是集成开发环境、操作系统、计算机工程方法基础上的应用程序设计。微控制器、集成电路、集成开发环境、操作系统、计算机工程方法等，构成了形形的知识平台。这些平台不只是简单的知识集成，而是具有人工智能、可以代替人类个体脑力劳动的知识力量平台。例如，原先设计一个数据采集系统时，电子工程师必须了解模拟信号到数字信号的转换设计的知识与技术，如今，有了A／D转换芯片，便可省去电子工程师的这部分脑力劳动。又如，没有实时多任务操作系统时，电子工程师设计嵌入式程序时，必须认真考虑多任务系统程序的实时协调与管理，有了实时多任务操作系统，所有这些任务的协调与管理都由操作系统依靠协议自动实现。因此，智能电子时代的电子产品系统设计，进入到人工智能的平台化开发时代。与智力替代的平台开发模式相对应的是可靠性设计内容的变迁。传统电子系统的可靠性完全依靠电子工程师的精心设计。智能电子时代，电子系统的可靠性、安全性设计进入到智能化、平台化的设计时代，从而使智能电子系统的可靠性、安全性设计到达最高境界。物联网电子时代，智能电子系统对互联网开放，导致互联网中各种不安全因素对智能电子系统的入侵。因此，物联网电子系统安全性、可靠性设计的一个重要方法是对入侵窗口的管理设计。

2物联网系统的安全性架构

物联网安全体现在一个个具体的物联网系统中，进行物联网安全性设计时，应充分了解物联网系统的安全性架构。

（1）物联网与物联网系统

通常，人们用应用层、网络层、感知层来概括物联网。应用层描述了物联网应用中形形的物联网应用系统，人们通常论及的物联网都是一个个具体的物联网系统。早期，人们用应用层、网络层、感知层来描述物联网，缺失了控制层，在许多物联网系统中，控制层是必不可少的内容，我们可以用网络层、感知层与控制层来构建物联网系统模型。

（2）物联网系统模型

图1是一个由互联网与嵌入式集群系统构成的物联网系统最简模型。嵌入式集群系统通常都是一个嵌入式系统的局域网，互联网直接服务于物联网的网络层与管理层，每个局域网中的嵌入式应用系统都有可能直接与互联网相连。感知层、控制层由嵌入式系统构成，嵌入式局域网将它们联接起来，形成嵌入式集群系统。当这个嵌入式集群系统与互联网相连后，便构成一个具体的物联网系统。通常，嵌入式集群系统是一个安全、可靠的嵌入式系统局域网。接入互联网时，会出现新的可靠性、安全性问题，即互联网恶意入侵产生的安全性问题。在物联网系统模型中，它体现为一个非安全的入侵界面。

（3）物联网系统的安全性架构

从图1的模型可以看出，物联网系统是本质可靠的嵌入式系统与本质非可靠的互联网构成的交互系统。嵌入式系统与互联网可以有多个渠道交互（因为嵌入式系统都有独立的互联网接入功能），这些交互渠道都可能会带来可靠性、安全性问题。在嵌入式系统的高可靠性基础上，物联网系统安全性设计的重点是入侵界面的管控与感知层、控制层的安全防护设计。

3物联网系统的安全性设计原则

物联网应用系统中，许多安全性问题最终都会反映在嵌入式系统的感知层与控制层上。嵌入式系统的安全性问题是由互联网的安全性因素引起的。因此，最大限度地减少互联网对嵌入式系统的入侵渠道，是物联网应用系统安全性设计的重要原则。物联网应用系统的安全性设计模型如图2所示。物联网系统的安全性设计目标，是要建立一个归一化的安全性管理界面。所有交互行为都通过归一化界面进行管理，可以大大减少互联网的入侵渠道，有利于减少安全漏洞与实现系统安全性的集中管理，防止出现安全患。实现界面安全的防入侵管理是入口的验证环节设计。密码验证是最常使用的一种方法，还有数符密码与生物特征密码（指纹、掌纹、人脸、虹膜等）。除此以外，在交互中实时使用的校验码也是行之有效的方法。感知层、控制层的安全防护设计也是物联网系统安全设计的重要一环。感知层能迅速感知系统的应急状态，并即时启动系统的应急处理（关闭并进入安全状态）。2016年3．15晚会，恰逢谷歌“AlphaGo”掀起的人工智能热潮，央视在会上演示了让人惊心动魄的智能电子系统的安全漏洞。画面上演示了不法分子通过手中的设备侵入无人机系统，接管了无人机，而无人机机主无能为力；一位黑客在一户人家的外面成功入侵该住宅的Wi－Fi，并控制了该家庭的所有智能设备，包括智能洗衣机、烤箱和智能摄像头，可以让滚筒洗衣机空转、让烤箱的温度飙升到危险数值甚至引发火灾，让智能摄像头随意转动拍摄，偷窥用户的室内活动和隐私等。这些都是物联网时代嵌入式系统的安全隐患。嵌入式系统本身是安全可靠的，因为它是一个是封闭型的本质安全系统。多年来，家庭中的洗衣机、电冰箱、烤箱、微波炉、电视机等智能设备从来没有出现过上述的安全事故。只有嵌入式应用系统开放后，才会出现安全漏洞。上述安全事故是在智能设备接入Wi－Fi网络或互联网后，形成的非安全的入侵渠道所致。物联网系统中智能硬件的安全漏洞在于对互联网的开放，这个安全漏洞是可控的。只要减少互联网接入的通道数量，在这些接入通道中设立可靠的校验、准入管理环节，就能保证系统安全。

4物联网时代嵌入式系统面临的新挑战

嵌入式设计系统范文第5篇

关键词：WSN；TinyOS；嵌入式；ZigBee；GENE－8310

中图分类号：TP316

文献标识码：B

文章编号：1004―373X(2008)04―159―03

无线传感器网络是当前国际上备受关注的、多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究技术，其核心技术Tinyos被誉为是“无线嵌入式系统”。Tinyos是一个开源的嵌入式操作系统，他由加州大学的伯利克分校开发出来，越来越多的无线传感器网络通信协议正不断被开发并加入Tinyos系统组件中，并应用于技术研究和系统开发中。

无线传感器网络通常利用无线技术在某个区域内实时部署一个专用的无线局域网络。传输传感器上采集到的数据是无线传感器网络的主要目标。在无线传感器网络的部署过程，Web服务器是确立网络部署和监控通信传输的关键。由于嵌入式操作系统具有高可靠性，在恶劣环境或突然断电的情况下，系统仍然能够正常工作，系统中的软件代码一般都固化在只读存储器中。因此，要求在恶劣环境中仍然能高稳定工作的无线传感器网络可以采用嵌入式操作系统作为其实现平台，这其中包括：嵌入式Linux，Windows CE，Windows XP Embedded，VxWorks，gCOSⅡ，QNX，FreeRTOS，还有定制版的NetBSD和FreeDOS等多种移植平台。本文主要采用Windows XPEmbedded设计平台。

本文主要致力于在嵌入式开发板GENE－8310上移植Tinyos应用操作系统，将GENE－8310作为无线传感器网络中的远程服务器，实现无线网络与有线网络的跨网段传输和远程网络监控。GENE－8310是研扬科技研制的第三代无风扇解决方案，与以往的3.5 in单板电脑相比GENE-8310在低功耗和高性能方面都有很大的改进，对于客户在低功耗控制下的优秀处理能力等更高需求方面都是最好的选择。

1　嵌入式Tinyos移植

嵌入式Tinyos移植方案方框图如图1所示：

首先，在开发机PC上，利用Microsoft Windows Em―bedded Studio工具套件中的组件设计器开发出网关MIB520的驱动组件，并结合第三方工具DependencyWalker，InCtrl5开发出应用程序cygwin.bat的组件，之后把构建完成的驱动组件和应用程序组件通过工具套件中的组件数据库管理器导入到组件数据库中，以便开发操作系统时添加。接下来定制Windows XP Embedded操作系统的功能组件，确定系统所支持的功能，再利用目标设计器添加功能组件、组件数据库中的驱动组件和应用程序组件并生成Windows XP Embedded操作系统映像。最后再把操作系统映像部署到嵌入式目标平台――GENE－8310中，并将其作为无线传感器网络Web服务器，验证Tinyos移植的结果。

2　嵌入式Tinyos移植开发流程

无线传感器网络由节点、服务器和远程PC终端组成。节点负责采集外部数据，完成后把数据通过网关转发到服务器，最后由远程PC实时监测数据。其中网关的作用重大，但是需要手动安装驱动。通过网关驱动组件的开发，便可把网关驱动集成在操作系统映像中，实现自动识别网关。同理，应用程序也可作成组件。具体的移植开发流程如下：

(1)开发网关驱动组件。该功能的实现相对比较简单，可以将设备驱动程序.INF文件直接导入到组件设计器工具中。组件设计器会根据INF文件自动配置相关文件，之后便可生成该驱动组件。

(2)开发相关的应用程序组件。这里利用第三方工具软件和Windows Embedded Studio工具套件来共同开发。首先利用InCtr15从安装程序中捕获信息，确定应用程序所需的文件和注册表设置。然后再根据DependencyWalker获得应用程序依赖项，即程序运行所必须的DLL的列表。最后再利用Windows Embedded Studio工具套件中的组件设计器生成该应用程序组件。

(3)定制Windows XP Embedded操作系统映像。确定Windows XP Embedded操作系统所要支持的功能组件，如要支持USB设备，则添加相关USB功能组件，要支持网络功能，则添加TCP／IP协议。通过可实现缩小嵌入式系统的体积，这就嵌入式系统的可裁减特性，便于实现特定场合的应用。

(4)生成和部署Windows XP Embedded操作系统映像。定制完系统功能之后，利用目标设计器添加功能组件，进行关联性检查之后生成Windows XP Embedded操作系统映像。该映像可以在目标设备上直接运行，并可以运行特定的应用程序。

(5)移植应用及功能测试。当应用程序移植完后，必须测试其能否在目标设备正常运行。运行应用程序，如果应用程序无法运行，则其会出现相应的提示信息，如文件无法找到等，根据提示添加缺少的文件和注册表项即可解决。因为Tinyos的主要应用是无线传感器网络，故将其应用于无线传感器网络的Web服务器。

无线传感器将采集温度数据，在网络运行正常、应用程序移植成功的情况下，远程主机能接收到温度数据，并能显示出来。

2.1 MIB520网关驱动组件开发

MIB520具备网关的基本功能，接口为USB。安装完MIB520驱动之后，其会在计算机上生成2个虚拟串口，一般是COM3和COM4。COM3一般是编程端口，COM4为通信端口。驱动程序里包括2个FTDIBUS，INF和FT―DIPORT.INF文件，他含有网关的信息或脚本和控制网关的操作。在INF文件中指明网关驱动该如何安装到系统中，源文件在哪里、安装到哪一个文件夹中、怎样在注册表中加入自身相关信息。设计主要分为6步：

(1)在组件设计器里分别导入网关驱动自带的FT―DIBUS，INF和FTDIPORT，INF文件；

(2)在驱动程序目录里找出Files列出的文件名称，把这些文件拷贝到自己命名的文件夹里；

(3)在Repositories文件夹下新建一个Repositories，重命名为FTDIBUS，在Source Path中，找到刚才拷贝Files下文件所在的文件夹，并添加；

(4)点击Component下USB Serial Converter组件，在右边找到“Repository”，点击Repositories按钮，选中新建的Repository为FTDIBUS；

(5)在Components上点右键，选择release，在Group Memberships上，右键选择Add Group Membership，并选择一个组；

(6)在目标设计器中搜索可找到4个与网关相关的组件USB Serial Converter，USB Serial Portl，USB Serial Port2，USB Serial Port3

2.2应用程序组件开发

移植TinyOS嵌入式系统需要开发MoteWorks 2.0，Cygwin和XServe三个部分的组件。在移植过程中需要先利用InCtrl5导出应用程序组件所需的文件清单和注册表信息。在获得相关文件后，应用程序组件的开发过程与驱动组件开发大体上相似。不同的是，他没有.INF文件，故Components文件夹下的Files，Registry Data下的文件和注册表项需要手动添加，并且要设置好在目标设备上的路径。

2.3构造Windows XP Embedded操作系统映像

(1)目标平台分析。分析目标设备上GENE－8310的硬件，使用的硬件分析工具TAP.EXE来识别硬件。他会对的系统进行检测，并创建一个硬件定义文件devices.pmq。

(2)创建初始化配置。在目标设计器上创建一个配置(Configuration)，并重命名为WSN SERVERO.six，导入devices.pmg。文件导入过程，即分析硬件，并从组件数据库中选取相应组件的过程。完成后软件自动添加所有的硬件支持组件。此时，系统共添加了66组件，FAT格式下大小为6676 kB，NTFS格式下为4806 kB。

(3)关联性检查。在目标设计器的菜单栏Tools的Options_中对关联性检查进行设置。将Dependency Check中的Auto_resolve dependencies选项钩上。设置完后，关联性检查会自动添加关联的组件，如果要把握组件的内在联系，则Auto-resolve dependencies前的钩可以去掉，但是要根据提示逐一添加。此时，系统添加的组件已达423个，压缩后大小为120 MB。但是提示有4errors。这是由于一些功能组件未添加进去，如要支持的语言、登陆方式、文件系统等。双击提示，分别选择NT Loader，English Language Support，Windows Logon，FAT Format，NTFS Format。

(4)定制功能组件。根据传感器网络应用，要求支持USB设备、TCP／IP协议，则这二者必须添加。其余的功能组件也适当添加，组件添加完成后，所有的组件列表如图2所示。

(5)生成映像

向WSN SERVER0配置中添加上述必须的核心组件。再次进行关联性检查，完成无误后，展开WSNSERVER0.six，选中Settings，这时右边的属性设置面板会显示可以设置的选项。以上设置完成后，组件达527个，压缩后大小为186MB。最后，按下Build按钮，目标设计器会完成映像的构建，并输出到指定的文件下。

2.4部署Windows XP Embedded操作系统映像

将GENE－8310的硬盘格式化，分区并激活主分区。然后将开发机上生成的映像(D盘目录中)拷贝到GENE－8310 C盘的根目录下。

将显示器、硬盘、光驱、鼠标、键盘连接至GENE一8310，从光盘启动进入DOS环境下，运行BOOTPREP.EXE(可以在开发机C：\Program Files\Windows Embed-ded\utilities中找到)。重启进入FBA(First Boot Agent)阶段，第一次启动Windows XP Embedded后系统会进行必要的设置，会花费比较长的时间。FBA之后，系统就可以正常运行，到此，完成了整个开发过程。

3 系统测试

在系统测试过程中，本文使用了采用克尔斯博科技公司的Micaz和配套的网关MIB520搭建的实际的无线传感器网络。调试无线传感器网络的主要工作在于验证移植的应用程序cygwin，bat调用的XServe能否正常工作。调试完cygwin.bat界面如图3所示。

在命令提示符后输入xserve―device=corn4，即调用XServe。XServe调用结果显示如图4所示。

最后，在客户端MoteView显示的温度数据如图5所示：

Data标签下显示的是该传感器网络实时的温度数据，在temp一栏显示为29.65C。至此，无线传感器网络的调试工作已经完成，GENE－8310实现了作为无线传感器网络Web服务器的功能，证明Tinyos应用操作系统移植成功。