嵌入式設計系統
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嵌入式設計系統范文第1篇
為解決公交車的高效便捷清洗問題，基于青島理工大學韓旭東教授的團隊設計的一款“垂直滾筒式公交清洗小車”，利用AT89C51單片機配合其他元器件，設計了相關的嵌入式系統，包括超聲波測距系統和手動/自動雙模平臺升降控制系統，完善了原產品的設計。采用KeilC51軟件編寫了相應的控制程序，使用Proteus軟件繪制了電路原理圖，并進行了仿真模擬。
關鍵詞：
公交清洗小車；嵌入式系統；超聲波測距；平臺升降控制
0引言
為解決公交車的高效便捷清洗問題，青島理工大學韓旭東教授的團隊設計了一款“垂直滾筒式公交清洗小車”[1]。但在該設計中，僅對機械結構與工作原理做了介紹，缺少相關的控制電路與控制程序的設計，給清洗小車的使用帶來了極大的不便。本文在原產品的基礎上，針對小車與公交車之間距離的控制不準確的問題，設計了超聲波測距系統；針對平臺升降控制不方便的問題，設計了手動/自動雙模平臺升降控制系統。有效地提高了該產品的實用性，完善了該產品的設計。
1超聲波測距系統
1.1設計目的
清洗小車由人力推動并控制方向，但由于路面不平，人力控制精度有限，會使小車與公交車車體間的距離發生改變，距離過近會使滾筒擠壓車體表面，阻礙滾筒旋轉；距離過遠，則會使滾筒毛刷與車體表面間間隙過大，影響清洗效果。需要一套測距系統使小車與公交車車體間的距離始終保持在一個合理范圍之內。
1.2測距方式的選擇
超聲波測距是利用機械波反射來測量距離，適用于短距離測距，原理簡單，成本低，遠距離測量精度較低。公交清洗小車的使用環境比較復雜，對測距系統的精度要求不高，測量的距離在1～2m，且要求結構簡單、成本低廉、性能穩定。根據需要和集中測距方式的特點，本文選擇超聲波測距方式。
1.3超聲波測距原理
超聲波在均勻介質中的傳輸速度為一恒定值，由發生器發射超聲波，在遇到測量目標后反射回來，由接收器接收并記錄由發射到接收經歷的時間，便可以計算出發生器與測量目標之間的距離[2]。公式如下：L=12C•Δt。式中：L為測量距離；C為超聲波在當前介質中的傳輸速度（空氣中常溫下速度為340m/s）；Δt為從發射到接收經歷的時間。
1.4設計內容
本文利用AT89C51單片機、HC-SR04超聲波測距模塊、LED燈組成了一個超聲波測距警報系統。當距離過近時，指示距離過近的紅燈點亮；距離適中時，指示距離適中的綠燈點亮；當距離過遠時，指示距離過遠的紅燈點亮。工作人員可以根據燈光指示調整小車位置，使之與車體表面間的距離保持在一個合理范圍。1.4.1HC-SR04超聲波測距模塊工作原理本文所采用的HC-SR04超聲波測距模塊，具有成本低、體積小、精度高、使用簡單方便等優點，其基本工作原理為：1)采用I/O口TRIG觸發測距，提供至少10μs的高電平信號;2)模塊自動發送8個40kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；3)有信號返回，通過I/O口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間[3]。1.4.2程序控制過程利用AT89C51單片機自帶的定時計數器資源，通過I/O口給超聲波模塊一個發射信號并開始計時，當收到超聲波模塊的反饋信號時，結束計時并計算距離。
2手動/自動雙模平臺升降控制系統
2.1設計目的
現行大多數公交車的高度在3m左右，為能夠確保清洗整個車體表面，原產品采用雙絲杠旋轉驅動平臺升降的設計，并利用直流電動機產生動力。為方便用戶使用，能夠快捷高效操作平臺升降，提高清洗效率，本文設計了一套手動/自動雙模平臺升降控制系統。
2.2設計內容
根據計算，清洗平臺需調整2次高度才可將車體表面清洗完畢，為了方便工作人員操作，本文設計了手動/自動雙模控制系統。該系統采用AT89C51單片機，配合L289直流電動機驅動模塊，通過控制電動機的正反轉實現平臺的升降，設計原理圖見圖4[5]。操作過程為：啟動系統后，在自動模式下，按UP鍵，平臺會上升一個固定高度；按DOWN鍵，平臺會下降一個固定高度。該高度值是為實現最高清洗效率，以3m高的車身為標準，經優化計算得出的最適高度。因為公交車的型號差異，車身高度也各不相同，所以為滿足實際使用要求，我們又設計了手動控制模式。在手動模式下，按住UP鍵，平臺會上升，松開立即停止；按住DOWN鍵，平臺會下降，松開立即停止。為防止工作人員誤操作，本文增加了按鍵防抖動延遲，防止工作人員誤觸按鍵；如果UP和DOWN鍵同時按下，則電動機停轉，直至其中一個按鍵松開。
3結語
嵌入式設計系統范文第2篇
關鍵詞：嵌入式；設計技術；挑戰；市場；性能
中圖分類號：TP311
嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。嵌入式計算機系統與通用計算機系統有著本質上的不同，嵌入式計算機系統在很多情況下需要考慮的是為其產品性能，生命周期和商業驅動做優化，而不是努力提高其最大計算吞吐量。對于一個有市場適應能力的嵌入式計算機系統來說，產品的成功與否更重要的是其在性價比上的優勢。
嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，并且軟硬件可裁剪，適用于應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統。它一般由嵌入式微處理器、硬件設備、嵌入式操作系統以及用戶的應用程序等四個部分組成，用于實現對其他設備的控制、監視或管理等功能。嵌入式系統和具體應用有機地結合在一起，它的升級換代也是和具體產品同步進行，因此嵌入式系統產品一旦進入市場，具有較長的生命周期。
由于嵌入式計算機系統自身功能和具體應用環境的限制，其在設計技術上會面臨如下兩個方面的挑戰：
1 系統自身發展升級挑戰
應用領域的不斷擴大和用戶要求的逐漸提高推動了嵌入式計算機系統功能的升級，而在升級過程中，嵌入式計算機系統設計技術作為系統開發的核心環節，無法避免的要面對來自整個系統的全面挑戰。
1.1 單片機向多模塊組合轉變
隨著用戶對備選方案數量要求的提高，嵌入式系統從過去單一的單片機應用模式，轉變為能夠提供更多不同層次方案的多樣化模式。通過重用和組合IP核構件技術實現的片上SoC系統，是目前嵌入式系統能夠實現的最高形式。通過利用FPGA和IP模塊進行功能組合PSoC/SOPC設計，徹底改變了過去單片機從底層全權包攬的單一設計局面。
1.2 對設計技術的要求更高
經過幾年發展，目前高端嵌入式系統都是建立在RTOS基礎之上的，所以很多非計算機專業技術人員就要學習全新的RTOS技術。這無疑是一次設計技術的重頭再來，需要設計人員做到從觀念認識到設計技術的一次徹底轉變。
1.3 運用新開發工具進行系統開發
嵌入式設計從8/16位轉向功能更強大的32位MCU，升級之后，開發工具的投入就成為了系統開發過程中最大的障礙。升級之后的開發環境不僅加大了系統投資數目，對其使用的技術有了更高要求，其開發工具較之前也有了更復雜的變化。使用新系統進行開發時，如何正確選擇處理器架構、評估嵌入式操作系統，以及使用陌生的開發工具，都是一個新的挑戰。
1.4 多種技術協同設計
嵌入式系統對軟硬件的協同配合有著超高的要求，所以在設計過程中，軟硬件設計的同步與集成是主要問題。由于技術細節處的不斷增加，控制軟硬件一致性與正確性需要消耗極大的時間。目前業界已經開發Polis、CosYma及Chinook等多種方法和工具來支持集成式軟硬件的協同設計。這使得系統可以跨越硬件和軟件平臺復用，并支持設計空間探索。是一種統一軟硬件的開發方法。
2 應對市場的重點性能挑戰
嵌入式計算機系統設計技術在滿足用戶多樣性需求和自身不斷升級方面的提升與完善是信息技術發展的必然趨勢，但是其最根本的基礎性能提高則是市場判定該系統是否卓越，亙古不變的標準。在設計過程中，基礎性能設計的重點如下：
2.1 操作實時響應
嵌入式計算機系統嵌入到對象系統中的計算機應用系統，嵌入系統在運行時不僅要求得到正確的結果，更要滿足時間交互過程的響應要求。在設計過程中，有時需要要求設計技術按照軟件運行最壞情況下的時間進行預留，因為軟件運行耗費的時間會立刻增加系統響應的時間，致使系統不能滿足嵌入對象系統提出的響應時間。“信號處理系統”、“緊急任務處理系統”就是典型的實時性要求很強的系統。
2.2 嵌入系統安全性
嵌入式計算機系統通常應用于安全性很高的情況下，這就要求設計技術能夠保證系統極高的安全性能和可靠性能。
（1）可靠性能。嵌入式計算機系統的可靠性是衡量其設計技術的重要標準，它要求設計技術滿足增長系統生命周期，拓寬系統適用范圍，減少系統中的錯誤，增加系統的穩定性，甚至要降低嵌入式系統的維護費用。為滿足如上諸多要求，嵌入式系統設計技術應該從工作溫度，抗震動，抗電磁干擾，抗輻射等方面著手進行全面加強。
（2）可用性能。嵌入式計算機系統為達到提供預期的功能要求提高系統的可靠性，在系統設計時，通常需要采用故障避免、故障檢測與故障容錯等設計技術。
（3）安全性能。嵌入式計算機系統的安全性，要求系統的設計技術盡量使系統能夠無錯誤的完成預期功能，同時降低系統的危害程度，安全完成運行任務。
（4）保密性能。保密性能在網絡嵌入式計算機系統中尤為重要。通過現有的保密技術和網絡安全措施基本可以保證數據的安全，但也無法做到完全保證。這就需要我們通過系統的設計技術加入入侵檢測模塊來提升嵌入系統的保密性。使入侵模塊成為整個系統的最后防線，在系統遭受威脅或被攻擊后，通過分析攻擊行為，有效保護系統免受同樣攻擊。
通常在設計時，都是利用技術通過提高嵌入系統的抗入侵能力來提高保密性，在遭到入侵時，嵌入計算機系統能夠進行安全的現場重編程及提供重建保護等。
3 結語
互聯網在日常生活與工作中的作用越來越大，信息技術的發展日益迅速。嵌入式計算機系統作為當今信息技術的核心部分，對我國的各行各業產生了深遠影響。嵌入式計算機系統設計技術，則是嵌入式計算機系統開發的核心環節。更高的應用需求，對嵌入式計算機系統的設計技術提出了更高的要求。與此同時，嵌入式系統本身的升級，也使得嵌入式計算機系統的設計技術面臨更大的挑戰。本文通過以上對嵌入式計算機系統設計技術的幾點分析，主要分析了嵌入式計算機系統的設計技術為更好的適應和滿足市場，而需要面對的諸多挑戰。可以看出，嵌入式計算機系統在市場上的需求日益增大，用戶的要求也在向多樣化和高標準的趨勢發展。這就要求系統的設計技術，一方面要不斷與時俱進熟練掌握新升級技術，來適應市場滿足多樣化需求；另一方面要保證系統基本的實時性與安全性。只有這樣抓牢基礎，不斷提高才能在當今的信息化社會中站穩腳跟，不會被市場淘汰。
參考文獻：
[1]劉洪濤，孫天澤.嵌入式系統技術與設計[J].21世紀高等學校計算機規劃教材，2009，1：12-13.
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[3]張濤.嵌入式計算機系統設計技術[J].中國計算機報，2000，7：D10.
嵌入式設計系統范文第3篇
關鍵詞:嵌入式系統;機器視覺;測控系統;圖像跟蹤
中圖分類號:TP391.41文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)08-1987-02
1 概述
隨著科學技術的發展,更高速,更可靠,更低成本成為各種技術開發的要求。因此,設計能實現實時視覺圖像采集、視覺圖像處理控制,使其結構更緊湊,甚至完全不需要計算機的介入,提高處理速度,并能有效降低成本的專用機器視覺控制系統,使得該系統具有安裝方便、配置靈活、便于攜帶等突出優點。為此,本課題提出了基于嵌入式機器視覺測控系統的研究,在嵌入式系統上實現實時視覺圖像采集、視覺圖像處理及控制,構成處理速度快,成本低,結構緊湊,不需要計算機介入的專用嵌入式機器視覺測控系統。
2 系統總體設計
2.1 設計方案
目前,用于圖像采集處理系統的嵌入式核心器件一般有FPGA、DSP和ARM芯片,出于成本控制與測控系統性能要求的考慮,這里選用FPGA方案。
FPGA內嵌的NiosII軟核處理器是32位的,主要包括CPU微處理器、I/O中斷、計時器、UART串口及大量通用寄存器。選用FPGA方案的優點在于,在單個芯片上既可以完成圖像采集等復雜邏輯的控制,又可以用內嵌的NiosII處理器完成對圖像的處理和識別,電路設計簡單,成本低。
對于機器視覺測控系統,在選用了嵌入式處理器實現圖像采集的功能之后,需要將視頻圖像進行數字化處理,這里采用標準工業攝像機+視頻圖像數字化模塊的方法實現。標準工業攝像機的輸出信號一般是PAL制式或NTSC制式的模擬信號,信號在進行數字圖像處理前必須經過刀D轉換,即視頻采集。視頻采集是整個系統中的一個重要組成部分,它是對模擬視頻信號實現數字圖像處理的第一個步驟。該方案具有通用性好、成本低的優點。
2.2 總體結構設計
1) 硬件設計
硬件設計包括系統硬件電路的連接和FPGA內部邏輯電路的設計。
FPGA內部邏輯電路的設計是以QuartusII為開發環境,用VHDL語言編程實現圖像采集、SRAM總線切換等模塊的功能,用SOPC Builder配置、產生NiosII軟核處理器及必要的外設(用戶自定義外設用VHDL編程實現),然后一起編譯并下載到FPGA的配置芯片中,再由配置芯片完成對FPGA的上電配置,由此形成硬件邏輯電路的連接,實現圖像采集、處理、存儲、顯示、實時控制等功能模塊。
2) 軟件設計
用SOPC Builder生成NiosII處理器系統的同時,也會生成相應的SDK軟件開發包。在這個軟件包的基礎上,開發者可以利用NiosII IDE,移植嵌入式實時操作系統μc/OS-II,編寫C或者C++程序來完成對圖像的二值化、區域分割、特征提取、模式識別等處理過程,最終實現對目標軌跡的跟蹤,實時控制機器人沿規定軌跡運行。
3 關鍵技術問題探討
3.1 圖像采集CCD模塊設計
圖像信息的獲取就是捕捉待處理目標的圖像信息并將其轉換成適合一體機處理的數字信號,這一過程主要包括圖像捕獲、光電轉換及數字化等幾個步驟。目前圖像信息獲取可以使用CCD、CMOS、CIS等傳感器,其中以CCD的應用最為廣泛。
本設計模塊采用1/3寸逐行掃描型黑白面陣CCD圖像傳感器ICX424AL。ICX424AL有效光敏單元為659×494,靈敏度高、暗電流小,帶有電子快門。由三相垂直脈沖(V1、V2、V3)和兩相水平脈沖(H1、H2)驅動工作,水平驅動時鐘頻率為24.154MHz,驅動電壓5V。曝光之后,每一列成像勢阱中的電荷在脈沖的驅動作用下被移至勢阱旁的垂直寄存器當中,然后垂直驅動脈沖發揮作用,每次脈沖驅動垂直寄存器組中的像素電荷向下移一行,而此時最下面一行的像素電荷則被移動到水平寄存器當中。之后水平驅動脈沖發揮作用,脈沖驅動水平寄存器中的像素的電荷向輸出口移動。被移出像素電荷,經過放大器后形成電壓信號輸出。水平寄存器被移空后,剩余電荷再次向下移一行,在水平驅動脈沖作用下,水平寄存器的電荷再次被依次移出。上述過程一直重復直至所有像素電荷被移出。
ICX424AL的驅動時序由CCD信號處理器AD9929產生。AD9929有一個三線式串行接的串行通信接口,通過該接口可以對AD9929時序發生器的相位寄存器組進行操作,發送配置信息或讀取AD9929的工作狀態。AD9929可直接與CCD傳感器相連接,CCD像素模擬電壓信號在AD9929驅動脈沖的作用下,由CCD_IN引腳輸入到AD9929中,經模擬前端采樣、放大和A/D轉換后,產生8位的數字信號由DOUT[0-11]引腳輸出,這些數字信號即為CCD圖像傳感器捕捉到的待測目標的原始圖像信息。
3.2 圖像實時跟蹤算法設計
由CCD模塊負責采集圖像,那么嵌入式系統必須要有完善的圖像跟蹤算法,才能夠實現智能機器人對目標的跟蹤,傳統的圖像跟蹤算法由于運算量較大而存在實時性較差的問題,因此,有必要對圖像跟蹤算法進行實時性優化設計。
目標圖像跟蹤是一個序列圖像處理、識別和測量過程。在跟蹤過程中,目標可能出現大小、形狀、姿態等變化,加上實際環境中的各種干擾,以及圖像處理最小計量單位的精度問題,相關跟蹤得不到絕對最佳的匹配位置,存在測量誤差。因此,為了保證跟蹤的穩定性,需要對圖像跟蹤模板進行自適應更新。圖像跟蹤模板的更新是目標跟蹤中要解決的重要問題之一,圖像跟蹤模板更新過快或過慢,都有可能丟失所跟蹤的目標。判斷圖像跟蹤模板是否需要更新要根據相關的置信度信號,如果相關匹配的置信度高,就可以根據本幀圖像的匹配點處的坐標來更新圖像跟蹤模板;如果置信度低,則說明匹配不穩定,要沿用以前的匹配圖像跟蹤模板對下一幀進行相關匹配。
相關置信度信號是在分析相關匹配算法的基礎上設計出來的,它是一個非常重要的參數。經過分析可知:若匹配點處的峰值很大,且峰值與其它非匹配點的均值之差越大,則表明跟蹤越可靠。定義幀內相關置信度為:
式中:C0是幀內相關置信度;maxR是當前幀匹配點處的誤差累加次數;R是同一幀內M個依次比maxR小的誤差累加次數的均值,如果maxR和R相差越大,則說明該匹配點越可靠。本算法可根據計算速度的需要對M取值,一般可以取M等于20～100的任何值。若C0大于閾值T0,則認為相關匹配值maxR符合幀內置信度,更新圖像跟蹤模板;否則,相關匹配不可靠,不更新圖像跟蹤模板。閾值T0根據圖像的質量和經驗來確定,這里我們取T0=0.6。
實踐證明,在序列圖像跟蹤過程中,若單純地利用當前圖像的最佳匹配位置處的圖像跟蹤模板作為依據進行下一幀圖像的匹配,則跟蹤結果很容易受某一幀發生突變的圖像的影響而偏離正確位置。因此,本系統采用基于置信度的加權自適應模板修正算法:如果當前幀匹配質量很差,則該幀圖像數據不進行修正;而若當前幀匹配質量很好,則該幀圖像數據進行修正,加權修正算法表示如下式:
上式中,T(i,j,t)為當前幀使用的圖像跟蹤模板,O(i,j,t)為當前幀最佳匹配位置的子圖像,T(i,j,t+1)為預測得到的下一幀圖像坐標,α為加權系數(0≤α≤1),該系數的大小根據幀內相關置信度C0,按照下式計算:
4 結束語
本文在嵌入式系統與機器視覺控制系統的交叉點展開研究,目的是將具有重要意義的機器視覺控制系統應用到具有廣泛基礎的嵌入式系統平臺上,拓展機器視覺的應用范圍。通過對機器視覺控制系統及嵌入式系統設計方案的選擇,并對基于嵌入式機器視覺控制系統的關鍵技術問題展開研究,以此為依據,設計了相應的硬件系統和軟件系統,并將其應用到智能機器人視覺的控制上。
參考文獻:
[1] 王耀南,李樹濤,毛建旭.計算機圖像處理與識別技術[M].北京:高等教育出版社,2001.
[2] 段峰,王耀南,雷曉峰.機器視覺技術及其應用綜述[J].自動化博覽,2002,19(3):59-61.
嵌入式設計系統范文第4篇
引言
物聯網時代，物聯網系統中的嵌入式系統對互聯網開放。本質可靠的嵌入式系統有可能遭遇互聯網病毒或惡意入侵的攻擊事件而出現安全問題，這是物聯網時代嵌入式系統面臨的新挑戰。在物聯網系統的安全架構中，有一個明顯的非安全入侵界面，設立歸一化安全交互通道、實現交互通道界面的安全管理，是物聯網系統中嵌入式系統安全性設計的重要原則。
1電子系統的智能化與集群化
我們從電子系統的時代變革中，可以明顯看出電子系統的智能化、集群化趨勢。傳統電子系統，是孤立的泛性產品系統（沒有歸一化內核）；智能電子系統，是歸一化微控制器內核基礎上智能產品系統，并從單個產品走向集群（分布式集群、總線集群、局域網集群）；物聯網電子時代的嵌入式系統，是普遍具有互聯網接入功能的智能電子系統，有緊耦合與松耦合接入兩種狀態。松耦合的智能電子系統是一個獨立的產品系統，通常在網下使用，需要時接入，如手機、桌面電腦、智能家電等；緊耦合的智能電子系統與互聯網構成一個物聯網應用系統，如市政交通管理系統、小區物業安全管理的實時監視電子系統。目前，傳統電子系統基本被淘汰，智能電子系統與物聯網電子系統會長期并存。與3個電子時代相對應的開發環境變遷，是產品開發的平臺化與可靠性設計內容的變遷。傳統電子時代是電子工程師單打獨斗的時代，電子產品的功能性設計、低功耗設計、可靠性設計完全依靠電子工程師的聰明才智，由電子工程師獨立完成。智能電子時代，產品硬件體系設計是電子工程師在微控制器、大規模集成電路的功能模塊基礎上的配置設計；產品的軟件體系設計是集成開發環境、操作系統、計算機工程方法基礎上的應用程序設計。微控制器、集成電路、集成開發環境、操作系統、計算機工程方法等，構成了形形的知識平臺。這些平臺不只是簡單的知識集成，而是具有人工智能、可以代替人類個體腦力勞動的知識力量平臺。例如，原先設計一個數據采集系統時，電子工程師必須了解模擬信號到數字信號的轉換設計的知識與技術，如今，有了A／D轉換芯片，便可省去電子工程師的這部分腦力勞動。又如，沒有實時多任務操作系統時，電子工程師設計嵌入式程序時，必須認真考慮多任務系統程序的實時協調與管理，有了實時多任務操作系統，所有這些任務的協調與管理都由操作系統依靠協議自動實現。因此，智能電子時代的電子產品系統設計，進入到人工智能的平臺化開發時代。與智力替代的平臺開發模式相對應的是可靠性設計內容的變遷。傳統電子系統的可靠性完全依靠電子工程師的精心設計。智能電子時代，電子系統的可靠性、安全性設計進入到智能化、平臺化的設計時代，從而使智能電子系統的可靠性、安全性設計到達最高境界。物聯網電子時代，智能電子系統對互聯網開放，導致互聯網中各種不安全因素對智能電子系統的入侵。因此，物聯網電子系統安全性、可靠性設計的一個重要方法是對入侵窗口的管理設計。
2物聯網系統的安全性架構
物聯網安全體現在一個個具體的物聯網系統中，進行物聯網安全性設計時，應充分了解物聯網系統的安全性架構。
（1）物聯網與物聯網系統
通常，人們用應用層、網絡層、感知層來概括物聯網。應用層描述了物聯網應用中形形的物聯網應用系統，人們通常論及的物聯網都是一個個具體的物聯網系統。早期，人們用應用層、網絡層、感知層來描述物聯網，缺失了控制層，在許多物聯網系統中，控制層是必不可少的內容，我們可以用網絡層、感知層與控制層來構建物聯網系統模型。
（2）物聯網系統模型
圖1是一個由互聯網與嵌入式集群系統構成的物聯網系統最簡模型。嵌入式集群系統通常都是一個嵌入式系統的局域網，互聯網直接服務于物聯網的網絡層與管理層，每個局域網中的嵌入式應用系統都有可能直接與互聯網相連。感知層、控制層由嵌入式系統構成，嵌入式局域網將它們聯接起來，形成嵌入式集群系統。當這個嵌入式集群系統與互聯網相連后，便構成一個具體的物聯網系統。通常，嵌入式集群系統是一個安全、可靠的嵌入式系統局域網。接入互聯網時，會出現新的可靠性、安全性問題，即互聯網惡意入侵產生的安全性問題。在物聯網系統模型中，它體現為一個非安全的入侵界面。
（3）物聯網系統的安全性架構
從圖1的模型可以看出，物聯網系統是本質可靠的嵌入式系統與本質非可靠的互聯網構成的交互系統。嵌入式系統與互聯網可以有多個渠道交互（因為嵌入式系統都有獨立的互聯網接入功能），這些交互渠道都可能會帶來可靠性、安全性問題。在嵌入式系統的高可靠性基礎上，物聯網系統安全性設計的重點是入侵界面的管控與感知層、控制層的安全防護設計。
3物聯網系統的安全性設計原則
物聯網應用系統中，許多安全性問題最終都會反映在嵌入式系統的感知層與控制層上。嵌入式系統的安全性問題是由互聯網的安全性因素引起的。因此，最大限度地減少互聯網對嵌入式系統的入侵渠道，是物聯網應用系統安全性設計的重要原則。物聯網應用系統的安全性設計模型如圖2所示。物聯網系統的安全性設計目標，是要建立一個歸一化的安全性管理界面。所有交互行為都通過歸一化界面進行管理，可以大大減少互聯網的入侵渠道，有利于減少安全漏洞與實現系統安全性的集中管理，防止出現安全患。實現界面安全的防入侵管理是入口的驗證環節設計。密碼驗證是最常使用的一種方法，還有數符密碼與生物特征密碼（指紋、掌紋、人臉、虹膜等）。除此以外，在交互中實時使用的校驗碼也是行之有效的方法。感知層、控制層的安全防護設計也是物聯網系統安全設計的重要一環。感知層能迅速感知系統的應急狀態，并即時啟動系統的應急處理（關閉并進入安全狀態）。2016年3．15晚會，恰逢谷歌“AlphaGo”掀起的人工智能熱潮，央視在會上演示了讓人驚心動魄的智能電子系統的安全漏洞。畫面上演示了不法分子通過手中的設備侵入無人機系統，接管了無人機，而無人機機主無能為力；一位黑客在一戶人家的外面成功入侵該住宅的Wi－Fi，并控制了該家庭的所有智能設備，包括智能洗衣機、烤箱和智能攝像頭，可以讓滾筒洗衣機空轉、讓烤箱的溫度飆升到危險數值甚至引發火災，讓智能攝像頭隨意轉動拍攝，偷窺用戶的室內活動和隱私等。這些都是物聯網時代嵌入式系統的安全隱患。嵌入式系統本身是安全可靠的，因為它是一個是封閉型的本質安全系統。多年來，家庭中的洗衣機、電冰箱、烤箱、微波爐、電視機等智能設備從來沒有出現過上述的安全事故。只有嵌入式應用系統開放后，才會出現安全漏洞。上述安全事故是在智能設備接入Wi－Fi網絡或互聯網后，形成的非安全的入侵渠道所致。物聯網系統中智能硬件的安全漏洞在于對互聯網的開放，這個安全漏洞是可控的。只要減少互聯網接入的通道數量，在這些接入通道中設立可靠的校驗、準入管理環節，就能保證系統安全。
4物聯網時代嵌入式系統面臨的新挑戰
嵌入式設計系統范文第5篇
關鍵詞：WSN；TinyOS；嵌入式；ZigBee；GENE－8310
中圖分類號：TP316
文獻標識碼：B
文章編號：1004―373X(2008)04―159―03
無線傳感器網絡是當前國際上備受關注的、多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究技術，其核心技術Tinyos被譽為是“無線嵌入式系統”。Tinyos是一個開源的嵌入式操作系統，他由加州大學的伯利克分校開發出來，越來越多的無線傳感器網絡通信協議正不斷被開發并加入Tinyos系統組件中，并應用于技術研究和系統開發中。
無線傳感器網絡通常利用無線技術在某個區域內實時部署一個專用的無線局域網絡。傳輸傳感器上采集到的數據是無線傳感器網絡的主要目標。在無線傳感器網絡的部署過程，Web服務器是確立網絡部署和監控通信傳輸的關鍵。由于嵌入式操作系統具有高可靠性，在惡劣環境或突然斷電的情況下，系統仍然能夠正常工作，系統中的軟件代碼一般都固化在只讀存儲器中。因此，要求在惡劣環境中仍然能高穩定工作的無線傳感器網絡可以采用嵌入式操作系統作為其實現平臺，這其中包括：嵌入式Linux，Windows CE，Windows XP Embedded，VxWorks，gCOSⅡ，QNX，FreeRTOS，還有定制版的NetBSD和FreeDOS等多種移植平臺。本文主要采用Windows XPEmbedded設計平臺。
本文主要致力于在嵌入式開發板GENE－8310上移植Tinyos應用操作系統，將GENE－8310作為無線傳感器網絡中的遠程服務器，實現無線網絡與有線網絡的跨網段傳輸和遠程網絡監控。GENE－8310是研揚科技研制的第三代無風扇解決方案，與以往的3.5 in單板電腦相比GENE-8310在低功耗和高性能方面都有很大的改進，對于客戶在低功耗控制下的優秀處理能力等更高需求方面都是最好的選擇。
1 嵌入式Tinyos移植
嵌入式Tinyos移植方案方框圖如圖1所示：
首先，在開發機PC上，利用Microsoft Windows Em―bedded Studio工具套件中的組件設計器開發出網關MIB520的驅動組件，并結合第三方工具DependencyWalker，InCtrl5開發出應用程序cygwin.bat的組件，之后把構建完成的驅動組件和應用程序組件通過工具套件中的組件數據庫管理器導入到組件數據庫中，以便開發操作系統時添加。接下來定制Windows XP Embedded操作系統的功能組件，確定系統所支持的功能，再利用目標設計器添加功能組件、組件數據庫中的驅動組件和應用程序組件并生成Windows XP Embedded操作系統映像。最后再把操作系統映像部署到嵌入式目標平臺――GENE－8310中，并將其作為無線傳感器網絡Web服務器，驗證Tinyos移植的結果。
2 嵌入式Tinyos移植開發流程
無線傳感器網絡由節點、服務器和遠程PC終端組成。節點負責采集外部數據，完成后把數據通過網關轉發到服務器，最后由遠程PC實時監測數據。其中網關的作用重大，但是需要手動安裝驅動。通過網關驅動組件的開發，便可把網關驅動集成在操作系統映像中，實現自動識別網關。同理，應用程序也可作成組件。具體的移植開發流程如下：
(1)開發網關驅動組件。該功能的實現相對比較簡單，可以將設備驅動程序.INF文件直接導入到組件設計器工具中。組件設計器會根據INF文件自動配置相關文件，之后便可生成該驅動組件。
(2)開發相關的應用程序組件。這里利用第三方工具軟件和Windows Embedded Studio工具套件來共同開發。首先利用InCtr15從安裝程序中捕獲信息，確定應用程序所需的文件和注冊表設置。然后再根據DependencyWalker獲得應用程序依賴項，即程序運行所必須的DLL的列表。最后再利用Windows Embedded Studio工具套件中的組件設計器生成該應用程序組件。
(3)定制Windows XP Embedded操作系統映像。確定Windows XP Embedded操作系統所要支持的功能組件，如要支持USB設備，則添加相關USB功能組件，要支持網絡功能，則添加TCP／IP協議。通過可實現縮小嵌入式系統的體積，這就嵌入式系統的可裁減特性，便于實現特定場合的應用。
(4)生成和部署Windows XP Embedded操作系統映像。定制完系統功能之后，利用目標設計器添加功能組件，進行關聯性檢查之后生成Windows XP Embedded操作系統映像。該映像可以在目標設備上直接運行，并可以運行特定的應用程序。
(5)移植應用及功能測試。當應用程序移植完后，必須測試其能否在目標設備正常運行。運行應用程序，如果應用程序無法運行，則其會出現相應的提示信息，如文件無法找到等，根據提示添加缺少的文件和注冊表項即可解決。因為Tinyos的主要應用是無線傳感器網絡，故將其應用于無線傳感器網絡的Web服務器。
無線傳感器將采集溫度數據，在網絡運行正常、應用程序移植成功的情況下，遠程主機能接收到溫度數據，并能顯示出來。
2.1 MIB520網關驅動組件開發
MIB520具備網關的基本功能，接口為USB。安裝完MIB520驅動之后，其會在計算機上生成2個虛擬串口，一般是COM3和COM4。COM3一般是編程端口，COM4為通信端口。驅動程序里包括2個FTDIBUS，INF和FT―DIPORT.INF文件，他含有網關的信息或腳本和控制網關的操作。在INF文件中指明網關驅動該如何安裝到系統中，源文件在哪里、安裝到哪一個文件夾中、怎樣在注冊表中加入自身相關信息。設計主要分為6步：
(1)在組件設計器里分別導入網關驅動自帶的FT―DIBUS，INF和FTDIPORT，INF文件；
(2)在驅動程序目錄里找出Files列出的文件名稱，把這些文件拷貝到自己命名的文件夾里；
(3)在Repositories文件夾下新建一個Repositories，重命名為FTDIBUS，在Source Path中，找到剛才拷貝Files下文件所在的文件夾，并添加；
(4)點擊Component下USB Serial Converter組件，在右邊找到“Repository”，點擊Repositories按鈕，選中新建的Repository為FTDIBUS；
(5)在Components上點右鍵，選擇release，在Group Memberships上，右鍵選擇Add Group Membership，并選擇一個組；
(6)在目標設計器中搜索可找到4個與網關相關的組件USB Serial Converter，USB Serial Portl，USB Serial Port2，USB Serial Port3
2.2應用程序組件開發
移植TinyOS嵌入式系統需要開發MoteWorks 2.0，Cygwin和XServe三個部分的組件。在移植過程中需要先利用InCtrl5導出應用程序組件所需的文件清單和注冊表信息。在獲得相關文件后，應用程序組件的開發過程與驅動組件開發大體上相似。不同的是，他沒有.INF文件，故Components文件夾下的Files，Registry Data下的文件和注冊表項需要手動添加，并且要設置好在目標設備上的路徑。
2.3構造Windows XP Embedded操作系統映像
(1)目標平臺分析。分析目標設備上GENE－8310的硬件，使用的硬件分析工具TAP.EXE來識別硬件。他會對的系統進行檢測，并創建一個硬件定義文件devices.pmq。
(2)創建初始化配置。在目標設計器上創建一個配置(Configuration)，并重命名為WSN SERVERO.six，導入devices.pmg。文件導入過程，即分析硬件，并從組件數據庫中選取相應組件的過程。完成后軟件自動添加所有的硬件支持組件。此時，系統共添加了66組件，FAT格式下大小為6676 kB，NTFS格式下為4806 kB。
(3)關聯性檢查。在目標設計器的菜單欄Tools的Options_中對關聯性檢查進行設置。將Dependency Check中的Auto_resolve dependencies選項鉤上。設置完后，關聯性檢查會自動添加關聯的組件，如果要把握組件的內在聯系，則Auto-resolve dependencies前的鉤可以去掉，但是要根據提示逐一添加。此時，系統添加的組件已達423個，壓縮后大小為120 MB。但是提示有4errors。這是由于一些功能組件未添加進去，如要支持的語言、登陸方式、文件系統等。雙擊提示，分別選擇NT Loader，English Language Support，Windows Logon，FAT Format，NTFS Format。
(4)定制功能組件。根據傳感器網絡應用，要求支持USB設備、TCP／IP協議，則這二者必須添加。其余的功能組件也適當添加，組件添加完成后，所有的組件列表如圖2所示。
(5)生成映像
向WSN SERVER0配置中添加上述必須的核心組件。再次進行關聯性檢查，完成無誤后，展開WSNSERVER0.six，選中Settings，這時右邊的屬性設置面板會顯示可以設置的選項。以上設置完成后，組件達527個，壓縮后大小為186MB。最后，按下Build按鈕，目標設計器會完成映像的構建，并輸出到指定的文件下。
2.4部署Windows XP Embedded操作系統映像
將GENE－8310的硬盤格式化，分區并激活主分區。然后將開發機上生成的映像(D盤目錄中)拷貝到GENE－8310 C盤的根目錄下。
將顯示器、硬盤、光驅、鼠標、鍵盤連接至GENE一8310，從光盤啟動進入DOS環境下，運行BOOTPREP.EXE(可以在開發機C：\Program Files\Windows Embed-ded\utilities中找到)。重啟進入FBA(First Boot Agent)階段，第一次啟動Windows XP Embedded后系統會進行必要的設置，會花費比較長的時間。FBA之后，系統就可以正常運行，到此，完成了整個開發過程。
3 系統測試
在系統測試過程中，本文使用了采用克爾斯博科技公司的Micaz和配套的網關MIB520搭建的實際的無線傳感器網絡。調試無線傳感器網絡的主要工作在于驗證移植的應用程序cygwin，bat調用的XServe能否正常工作。調試完cygwin.bat界面如圖3所示。
在命令提示符后輸入xserve―device=corn4，即調用XServe。XServe調用結果顯示如圖4所示。
最后，在客戶端MoteView顯示的溫度數據如圖5所示：
Data標簽下顯示的是該傳感器網絡實時的溫度數據，在temp一欄顯示為29.65C。至此，無線傳感器網絡的調試工作已經完成，GENE－8310實現了作為無線傳感器網絡Web服務器的功能，證明Tinyos應用操作系統移植成功。
