嵌入式系統(tǒng)傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

摘要：基于軟件和硬件的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)可以獨(dú)立運(yùn)行。軟件部分一般包括軟件運(yùn)行環(huán)境的構(gòu)建和操作系統(tǒng)的應(yīng)用而硬件部分主要由信號處理器、存儲設(shè)備和通信模塊組成。嵌入式系統(tǒng)傳感器在物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的應(yīng)用越發(fā)頻繁需要明確其設(shè)計(jì)和應(yīng)用原理并對其進(jìn)行優(yōu)化。文章根據(jù)嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)對嵌入式系統(tǒng)傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行了深入分析以期找到在實(shí)際使用中保證穩(wěn)定性和有效性的途徑。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng);傳感器;設(shè)計(jì)應(yīng)用

中圖法分類號：TP212

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)傳感器的應(yīng)用加速并推動了大多數(shù)設(shè)備的智能化發(fā)展。為此，有必要對嵌入式系統(tǒng)傳感器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用進(jìn)行研究，以保證嵌入式系統(tǒng)傳感器的實(shí)際應(yīng)用效果。

1? 嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和傳感器技術(shù)

就軟件部分而言，能夠獨(dú)立運(yùn)行的設(shè)備一般涉及軟件運(yùn)行環(huán)境的構(gòu)建和操作系統(tǒng)的應(yīng)用，而硬件部分主要由信號處理器、存儲器和通信模塊組成和應(yīng)用[ 1] 。在實(shí)際應(yīng)用過程中，嵌入式系統(tǒng)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)有明顯不同。這是因?yàn)榍度胧较到y(tǒng)的存儲容量比計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)要大，且嵌入式系統(tǒng)的存儲介質(zhì)不多。不過，嵌入式系統(tǒng)的功能更簡單，可以在大多數(shù)環(huán)境中使用。目前，嵌入式系統(tǒng)中常用的存儲介質(zhì)主要是 E?PROM 和 EEPROM 。在開發(fā)過程中，API 編程結(jié)構(gòu)經(jīng)常被視為開發(fā)平臺的一部分。傳感器是一種具有采集、控制、電子信息處理等功能的傳感裝置[2]。在實(shí)際應(yīng)用過程中，其可以完成對信號的精確轉(zhuǎn)換。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，人們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對信號的精確轉(zhuǎn)換（圖 1） 。然而，傳感器技術(shù)相對復(fù)雜，其中又包含許多技術(shù)以及較為復(fù)雜的使用步驟。在傳感器技術(shù)的幫助下，系統(tǒng)性能進(jìn)一步優(yōu)化。此外，應(yīng)用傳感器需要良好的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的支持[3]。在電子信息時(shí)代背景下，應(yīng)用傳感器可使計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)加速處理外界信號，滿足信息傳輸、資源獲取和共享的需要，從而提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，拓寬信息收集渠道。同時(shí)，傳感器可以對外界信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，計(jì)算機(jī)成功識別轉(zhuǎn)換信號后，計(jì)算機(jī)與外界之間即可架起一座橋梁，提高信號處理效率，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

2? 嵌入式系統(tǒng)傳感器的設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)傳感器具有優(yōu)異的串行連接能力，基于其靈活性、智能化和互聯(lián)性，可以很好地應(yīng)用于工業(yè)和環(huán)境工程領(lǐng)域[4～ 7]。因此，為了實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)傳感器的全部功能，有必要了解傳感器的設(shè)計(jì)方法和形式，以保證其在實(shí)際應(yīng)用中的有效性。

反射式傳感器是最常用的硬件電路之一。其基本原理是在傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)中設(shè)置紅外發(fā)射器和紅外接收器，使紅外反射器在使用過程中發(fā)光，并根據(jù)與測量目標(biāo)的接觸產(chǎn)生反射光[8～10]。反射光可以容納于接收管中，以獲得最準(zhǔn)確的輸出結(jié)果。此外，接收器接收到的紅外信號可以直接影響電阻變化。同時(shí)，基于集成設(shè)計(jì)架構(gòu)，為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)傳感器更為便捷。

使用紅外傳感器可以避免普通光線中紅外線造成的過度干擾，因此嵌入式系統(tǒng)傳感器可以在智能導(dǎo)航設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得良好的應(yīng)用效果。同時(shí)，在傳感器設(shè)計(jì)過程中，也可以將嵌入式控制系統(tǒng)的硬件原理定義為傳感器的安裝平臺原理，從而根據(jù)傳感器的應(yīng)用情況來配置安裝平臺。因此，在研究過程中，需要結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)選擇最合適的嵌入式集成處理器，以保證嵌入式系統(tǒng)傳感器的整體應(yīng)用效果。此外，在反射式廣電傳感器的應(yīng)用中，紅外光的光譜特性可以通過彩色濾光片的應(yīng)用來改變。

基于顏色傳感器的制造，傳感器可以使用不同的顏色路徑并充分利用電路配置的影響。在嵌入式系統(tǒng)傳感器的軟件設(shè)計(jì)過程中，關(guān)鍵是完成嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺的構(gòu)建。為保證控制軟件平臺在實(shí)際應(yīng)用中的有效性，需要實(shí)現(xiàn)嵌入式交叉開發(fā)。因此，需要根據(jù)當(dāng)前系統(tǒng)環(huán)境的實(shí)際狀態(tài)，明確架構(gòu)差異，從而選擇對應(yīng)的運(yùn)行模式和內(nèi)核，使交叉編譯器成功運(yùn)行。

3? 通用嵌入式系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件平臺的設(shè)計(jì)

3.1? 傳感器和擴(kuò)展功能接口模塊

接口模塊主要用于提供外部傳感器接口、模擬傳感器應(yīng)用接口、可編程增益放大器等。目前，沒有標(biāo)準(zhǔn)的傳感器數(shù)字通信總線，研究表明，串行外圍接口 SPI 和 IIC 總線被廣泛使用，并且對于大多數(shù)類型的測量和傳感器具有一定的通用性?？删幊淘鲆娣糯笃髦饕糜诜糯竽M傳感器的信號。基于可編程功能，允許選擇放大元件以滿足各種信號放大的需求。在相關(guān)設(shè)計(jì)中，一般采用美國微芯片公司生產(chǎn)的 mcp6s28芯片，其中8 個(gè)可選增益可以在多個(gè)通道之間切換?；谠撔酒撵`活性，簡化了模擬電路，滿足了節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的一般要求。

3.2? 測試節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用

江蘇互聯(lián)網(wǎng)研發(fā)中心采用通用內(nèi)置傳感器節(jié)點(diǎn)。應(yīng)用結(jié)果表明，其傳感器節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定、可靠、可擴(kuò)展、易于部署。根據(jù)相關(guān)研究可以得出結(jié)論：數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)的功耗相對較高，主要是由于無線收發(fā)模塊的高功耗所致[11]。由于節(jié)點(diǎn)在低功耗模式和高功耗模式下交替運(yùn)行，且節(jié)點(diǎn)每30秒進(jìn)入低功耗模式，待機(jī)時(shí)間設(shè)置為10分鐘，有效降低并實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的平均功耗和低能量目標(biāo)。

4? 嵌入式系統(tǒng)傳感器的應(yīng)用

在實(shí)際應(yīng)用中，常用的傳感器有兩種，即可見光傳感器和紅外傳感器（圖2、圖3）。其中，可見光傳感器主要用于改變電阻值。使用對可見光非常敏感的電子元件來傳輸信息，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的傳感器功能 [12]。目前，典型的可見光傳感器主要包括光敏電阻和硅光電池。在實(shí)際應(yīng)用中，硅光伏電池可以利用光伏電池的優(yōu)勢發(fā)電。當(dāng)被照亮?xí)r，硅光電池會產(chǎn)生一個(gè)特定的電流，這取決于它接收到的可見光的強(qiáng)度;紅外傳感器是最常見的嵌入式系統(tǒng)傳感器之一，具有較高的靈敏度，通常應(yīng)用于紅外儀表、紅外攝像機(jī)、紅外遙控器等設(shè)備的控制領(lǐng)域。然而，嵌入式系統(tǒng)傳感器在應(yīng)用過程中面臨的挑戰(zhàn)主要是計(jì)算機(jī)病毒威脅和物聯(lián)網(wǎng)安全威脅。在實(shí)際應(yīng)用中，一些不法分子利用相關(guān)技術(shù)手段侵入系統(tǒng)，尋找漏洞，利用解密、攔截、篡改等手段達(dá)到目的，給用戶造成巨大損失。在應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)傳感器的過程中，計(jì)算機(jī)病毒通常通過郵件和網(wǎng)絡(luò)傳播，如果與嵌入式系統(tǒng)傳感器相連的設(shè)備出現(xiàn)問題，整個(gè)系統(tǒng)將被破壞甚至癱瘓 [13]。同時(shí)，作為信息技術(shù)的重要組成部分，嵌入式系統(tǒng)的運(yùn)行基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，從而在物聯(lián)網(wǎng)中完成商品交換。在這個(gè)過程中，要應(yīng)用傳感器來完成對相關(guān)數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中的物品的位置跟蹤、識別和管理。一旦網(wǎng)絡(luò)受到攻擊，就會影響物聯(lián)網(wǎng)的安全，嵌入式系統(tǒng)傳感器將無法發(fā)揮作用。因此，要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展特點(diǎn)，優(yōu)化各領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)防護(hù)體系，提高人們的網(wǎng)絡(luò)防護(hù)意識，保障嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全。

5 ?結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)和傳感器技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。在設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)傳感器的過程中，需要明確其質(zhì)量特性及設(shè)計(jì)優(yōu)勢，并為其開發(fā)相應(yīng)的軟硬件。同時(shí)，在應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)傳感器的過程中，需要了解其實(shí)際應(yīng)用范圍，采取預(yù)防措施消除潛在風(fēng)險(xiǎn)，保證嵌入式系統(tǒng)傳感器的有效性。未來，嵌入式系統(tǒng)傳感器將向小型化、智能化方向發(fā)展，以適應(yīng)人工智能技術(shù)的進(jìn)步。

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作者簡介：

龐志剛 （1974—） ，本科，軟件設(shè)計(jì)師，研究方向：軟件設(shè)計(jì)。