物联网的嵌入式技术范文

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中图分类号：C94 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）33-0143-01

一、物联网与嵌入式的定义与主要技术

物联网是一门融合多门学科的技术，通过信息传感设备，按照设定的通信协议，为网络中的物体建立连接，物体之间能够进行信息交换和通信，最终实现对物体的智能化识别、定位、监控和管理等目标。物联网的主要关键技术是传感器技术、RFID、人工智能技术、标准化技术四种技术。

嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各行业的具体应用相结合后的产物。根据不同的应用，嵌入式系统也会用到许多其他的技术，如通信技术、传感器技术、智能信息处理技术、自动控制技术等。

从两者的定义来看，物联网强调的是物联网中设备具有感知、计算、执行、协同工作和通信能力及能提供的服务； 嵌入式系统强调的是嵌入到宿主对象的专用计算系统，其功能或能提供的服务也比较单一。嵌入式系统具有的功能是物联网设备的功能的一个子集，但是它们之间的差异将越来越小。简单的嵌入式系统与物联网定义中的设备或者物有较大的区别，具有的功能不如物联网中的设备或者物，但是随着嵌入式系统不断发展，目前出现的一些复杂嵌入式系统（如智能移动电话）基本上达到了物联网的定义中设备或物的要求。

在技术角度上，嵌入式技术在物联网行业发展中始终处于核心、基础的地位。嵌入式系统是计算机应用的一种最直接最有效的形式，只有把计算机嵌入到物体中去，物体才有大脑，它才具备思考、智能的能力；要想实现物与物互联、人机互联，必须赋予物体嵌入式CPU的智能部件为前提；从专业角度讲，物联网是嵌入式智能终端的网络化形式，或者是智能化的形式。

二、嵌入式在物联网环境下的应用

物联网与嵌入式系统都是多学科相互融合的综合性应用技术，而且物联网技术的关键技术传感器技术、RFID、人工智能技术主要是由嵌入式系统技术实现。

1）嵌入式系统实现传感器技术

物联网首先要对客观的事物信息的采集，所以需要传感器实现。嵌入式智能传感器是物联网技术的支柱，也正是嵌入式技术的发展和应用，它是一种带嵌入式微处理器的传感器，是将嵌入式微处理器、智能理论和传感器相结合而成的产物，具有检测、计算、判断、网络、通信和信息处理等功能。嵌入式智能传感器最重要的是它具有数据通信功能，能与互联网络、2G＼3G 网络进行通信，能与现有的网络传送数据实现全球监测，实现远程控制。

2）嵌入式系统实现RFID技术

物联网中采集完信息之后，需要对信息进行识别，嵌入式RFID主要实现的该技术，把RFID读写器嵌入在物体中，使得该物体具有RFID读写功能。嵌入式RFID还被广泛应用于交通控制、工业监测、安全防伪等物联网应用领域；嵌入式RFID在自动识别、物品物流管理得到了广阔的应用前景。

3）嵌入式系统实现人工智能技术

信息使用RFID技术能够识别、区分，然后就要对信息进行处理，人工智能技术实现了信息的处理。嵌入式智能技术能够大大提高信息处理的速度，使得事物的处理具备根据外部环境的变化具有反应的能力。

三、嵌入式与物联网的发展

嵌入式需要发展也离不开物联网，所以说物联网为嵌入式提供一个广阔平台，嵌入式扩展了物联网的应用范围，推动了发展进步。在应用领域方面它们几乎是相同的，当前物联网涉足的领域，嵌入式系统都已经在其中被使用了。综上所述，物联网与嵌入式系统关系非常紧密，物联网的发展离不开嵌入式系统的支持，而物联网又给嵌入式系统带来了新的发展机遇和挑战。目前嵌入式突出的问题是两个方面：嵌入式数据库应用和嵌入式网络安全问题，也是物联网的最为关注，构建嵌入式系统的安全性和数据库已成为物联网在使用中考虑的重要因素。

总结：

物联网的发展引领一次新的信息革命，在未来的生活中将占有重要的地位，而在技术角度上嵌入式是物联网核心，所以物联网的发展与嵌入式系统息息相关，甚至主导着物联网的未来发展，所以一定对嵌入式的研究要加大力度。

参考文献

[1] 邬明罡.物联网技术体系初步成熟[N].人民邮电报，2010-07-29（007）.

[2] 刘晓慧.物联网与嵌入式技术[J].电脑学习，2011，4（2）：27-28.

[3] 何克丽.物联网时代下的嵌入式系统[J].信息技术学报，2010，12：12-26.

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科学技术的迅速发展，信息技术也随之崛起。物联网技术是本世纪最有发展前途的信息技术之一。网络通过各种方式将越来越多的“物”接入其中，加大了信息之间的交流、互换、利用以及传输功能。随着各种“物”加入，网络逐渐壮大，在壮大的同时，越来越多的复杂问题也随之产生。网络的壮大对我们的新信息技术构架以及信息理论提出了更高的要求。

物联网是信息技术的产物，刚崛起不久，所以国内和国外对物联网技术的研究与开发都还在起步阶段。近几年来，我国研究人员不断对物联网各方面的信息技术进行研究和探索，取得了很大的成就。

1.嵌入式系统

近年来，信息技术发展迅速，人们对信息技术的要求越来越高，对信息技术的产品也越来越关注，通常消费者都把产品应用的系统当做选择产品的指标，在我们的生活，随处都是嵌入式系统产品，比如微波炉、电脑、手机等产品。随着嵌入式系统技术的发展，嵌入式系统逐渐广泛应用到各个领域当中。可是人们对嵌入式系统的了解甚少，嵌入式系统的构成，离不开计算机和嵌入性以及专用性这三大基本要素。

嵌入式系统是硬件和软件的结合，用来控制、监视，帮助装置、设备以及机器运行的一种装置，也可以说是包含了所有机械的附属装置。

嵌入式系统是一种在对象体系里嵌入，对技术、功耗以及体积和可靠性都有很严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统是一种在应用系统里进行嵌入的技术。嵌入式系统把计算机当做处理信息的部件，将实际工程中的应用内容作为中心，传统计算机技术作为基础技术，然后根据应用对象的特点，对软硬件进行裁剪，从而使软硬件满足应用系统对软硬件功能的要求。嵌入式系统技术可以对物体的信息进行感知和处理以及传输，使得物体智能化，拥有一些感知、计算、执行能力，使物体与网络进行连接，从而实现物物和人物对话。物联网急需嵌入式技术系统的支持。

2.物联网

随着互联网的广泛应用，我国信息产业不断迅速发展，物联网获得了广大的发展空间。在我们日常生活中，很多行为活动的实现都离不开物联网。

物联网是利用专门的技术在互联网上实现物物连接、信息通信。物联网是对物品进行智能化管理和操作的网络。

物联网技术通过融合多种已有技术而成，最主要的融合技术有EPC以及RFID技术。物联网的结构一共包含了三层，分别是感知层和网络层以及应用层。最底层属于感知层，感知层主要用到的技术是二维码和RFID以及传感器等技术，主要任务是将与物有关的信息采集起来，这些信息主要指的是用与传感器和摄像头等有关设备所采集的相关信息，然后将采集到的信息用无线或者有线传输技术传到网关设备当中。中间层属于网络层，网络层需要用到的技术主要有无线传感器和移动通信以及互联网技术，网络层主要是将和物有关系的信息进行可靠、安全的传输和处理，一般由一些专用网络或互联网、通信网充当。最高层属于应用层，应用层主要作用是提供感知信息服务给手机和电脑还有某些终端设备。

3.嵌入式系统与物联网的联系与区别

嵌入式系统与物联网之间既有区别，又有联系，从功能的角度来看，物联网有传输、处理和交互的功能，将通用系统和多种专用系统集于一体。嵌入式系统指的是嵌入对象体系的专用计算机系统。二者相比较而言，嵌入式系统的的功能更具有针对性，主要是实现具有单一特性的功能。嵌入式系统的功能包含于物联网的功能中，随着嵌入式系统技术的发展，嵌入式系统的功能越来越复杂，已发展成可以直接将物联网技术融入其中。

在技术上，嵌入式系统和物联网所融合的技术很相像，而且嵌入式系统包含于物联网技术中，很多方面的技术都必须有物联网技术，但不一定含有嵌入式系统。

所有可以加入智能处理信息技术以及提升系统通信能力的设备的嵌入式系统都可以应用到物联网当中，嵌入式系统和物联网的相似度非常的大，只有标签识别模块是嵌入式系统所不具备的。

4.嵌入式系统应用于物联网

从技术的角度看，嵌入式系统技术推动了物联网的发展，嵌入式系统技术对物联网技术的发展发挥了很大的推动作用。两个互相连接的事物，必须存在智能这一特点，才能达到物物连接的目的，嵌入式系统技术有效的将计算机与物进行连接、融合，使得物拥有了将信息进行交换的能力。从专业的角度来看，物与物的连接实际上是嵌入式系统的终端将效果发挥出来的结果，实际上，物联网是由智能终端形成的网络化形式。

主要有传感器技术、RFID技术、智能技术和标准化技术四种技术将嵌入式系统应用于物联网中体现出来。

4.1 嵌入式智能传感器技术的应用

物联网需要利用传感器技术才能将物物连接的功能实现，智能化传感器技术轻松的将物物连接功能实现。智能传感器技术是近几年发展起来的新型技术，由于嵌入式技术的支持，智能传感器技术发展迅速，逐渐被广泛应用。智能传感器有计算、通信和判断等功能，它的通信功能不仅可以与互联网相连，还可以与2G或者3G网络通信，对实现物联网的通信功能起着非常重要的作用。

4.2 嵌入式RFID技术的应用

感知节点是物联网的一个关键位置，这一关键位置融合了传感器和嵌入式等技术，尤其是对RFID技术的融合。

可将RFID系统分成两大部分，分别是阅读器和标签，每个标签都有一个唯一标识码，然后把标签安装于物体上，阅读器的作用是发射专门的无线信号将电路上的标签触发出来，然后读取标签上的标识码。电子标签不需要额外电量，大大降低了制造成本的同时还减小了标签体积，大大方便了物体运输。RFID系统可以很好对物体进行跟踪和检测，所以物流、医疗还有交通等行业都会广泛应用这一系统。

借助嵌入式系统实现的RFID系统，有低耗能化、物联网经济和微型化的特点，对物联网的功能实现起着非常重要的作用。

4.3 嵌入式智能技术的应用

嵌入式智能技术可以随着外界环境因素的变化而使物体产生相应的变化，嵌入式智能技术的这一特点在智能家居安防系统中广泛应用。

家居安防系统由四个主要部分组成，分别是通信、智能主机和探测器、控制器。探测器可分人体探测和手动遥控、图像采集等。主要用于对室内的异常情况进行探测，然后将探测出的信息输入智能主机，智能主机按照原定的处理规则对信息进行判断和处理，将处理出来的信息发送给相关人员，让相关人员及时对异常情况进行处理。

5.结束语

随着物联网技术的迅速发展，对嵌入式系统的依赖越来越大，为了能推进物联网的进一步发展，离不开嵌入式系统的支撑，嵌入式系统融合入物联网中，为我们的生活和工作带来了更多新产品和更优质服务。

参考文献

[1]何立民.从嵌入式系统视角看物联网[J].业界论坛， 2012.

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网络、通信、多媒体、信息家电时代的到来，以及未来物联网（The Internet of things）和泛在计算（Ubiquitous Computing）的发展，为32位嵌入式系统的高端应用提供了空前巨大的发展空间，形成了巨大发展市场。据Forrester预计，2016年全球物联网产值可达6200亿美元的规模。2020年市场上将有500亿个联网装置。

目前，我国嵌入式系统的发展十分迅速，其发展正从嵌入式系统走向嵌入式产业，巨大的市场需求不断加速嵌入式系统的产业化进程。

一、嵌入式系统概述

现代计算机技术分为两大分支：通用计算机系统和嵌入式计算机技术。

通用计算机系统的技术要求是高速、海量的数值计算，技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大。由国防科大研制的天河二号通用计算机系统，以峰值计算速度每秒5.49亿亿次、持续计算速度每秒3.39亿亿次双精度浮点运算的优异性能，成为目前全球最快超级计算机。

超级通用计算机主要用来承担重大的科学研究、国防尖端技术和国民经济领域的大型计算课题及数据处理任务。如大范围天气预报、卫星照片整理、原子核物理的探索、制定国民经济的发展计划等。

而嵌入式计算机系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面有特殊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的本质区别在于系统应用不同。嵌入式系统是将一个计算机系统嵌入到对象系统中。这个对象可能是庞大的机器，也可能是小巧的手持设备，用户并不关心这个计算机系统的存在。嵌入式计算机系统的技术要求是对象的智能化控制能力，技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。

早期，人们勉为其难地将通用计算机系统进行改装，在大型设备实现嵌入式应用。然而，对于众多的对象系统（如家用电器、仪器仪表、工控单元……），无法嵌入通用计算机系统，况且嵌入式计算机系统与通用计算机系统的技术发展方向完全不同。这就形成了现代计算机技术发展的两大分支。

二、嵌入式系统发展现状

目前，我国嵌入式系统市场处于快速增长时期，我国政府充分认识到它的重要作用，在政策、资金等方面给予大力支持。2004年国家发改委、科技部、商务部联合颁布的《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南》，把嵌入式产业作为国家发展的一个重要领域。

相关统计表明，2012年我国电子制造规模达5.45万亿元，位居世界第二；电视、程控交换机、笔记本电脑、显示器和智能手机等主要电子信息产品的产量居全球首位。

我国嵌入式系统的应用主要分布在电信、医疗、汽车、安全和消费类等行业。来自2010-2011年度的行业调查数据显示，目前嵌入式产品应用最多的三大领域是“消费电子、通信设备、工业控制”，所占比例分别是26% 、17%和13%，三大领域所占比例之和接近60%

1.信息家电

信息家电是融合了计算机技术、数字通信技术的消费电子产品，是3C （Computer，Communication and Consumer Electronic）融合的产物。

后PC时代，家用电器将向数字化和网络化发展，电视机、微波炉、数字电话等都将嵌入微处理器并通过家庭网关与Internet连接，构成家庭信息网络.届时，人们可以远程控制家里的电器设备，可以视频点播，实现交互式电视，还可以提供各种网上服务等。

信息家电是网络上的家电，而不是PC的外设。信息家电本身具有一定的智能，并支持某种统一的、标准的通信协议和控制协议，能够互相识别，而不必像计算机外设那样必须受PC控制。信息家电的出现将推动家庭网络市场的兴起，同时家庭网络市场的发展又反过来推动信息家电的普及和深入应用。

2005年6月，微软、索尼等17家国际企业推出的数字家庭标准，进一步为信息家电的发展扫清了技术屏障。不到一个月，以联想为首的5家中国企业也迅速结成“闪联”，希望能在信息家电市场大展身手。

信息家电的不断发展打开了嵌入式系统最大的一个市场，信息家电也为家用电器的更新换代创造了契机。据预测，进入21世纪，信息家电的市场份额将高达数万亿美元。面对如此巨大的市场，电脑和家电企业无不为之动心。世界著名的电脑和家电企业如IBM、夏普、微软、英特尔、康柏、苹果、松下、NEC、东芝等都大力开发研制自己的信息家电产品。我国的许多公司如海尔、联想、长虹、海信、TCL等也投入信息家电的开发工作。

目前信息家电在产品取向上有两种：一是在传统的家用电器之上应用信息技术，使之能够与网络连接。二是在传统的家用电器之外应用信息技术开发新的产品。而这些数字融合产品，都离不开嵌入式系统的支持，可以说，嵌入式系统是家庭信息网络、IT融合的重要技术基础。

2.移动计算设备

移动计算设备也是嵌入式系统的重要应用领域。移动计算设备包括PDA、手机、平板电脑、笔记本电脑等。

目前，PDA与传统手机实现融合，出现一个新的产品：智能手机。智能手机就是一台嵌入式系统。借助移动互联网的发展和全球制造成本的降低，这两年智能手机需求有了极大的提升。

2011年，智能手机出货量只占到全部手机的35%，2012年这一数字为46%。随着智能手机的价格逐渐降低，尤其是2012年，中国已经出现了多款性价比极高的智能手机，这直接刺激了大量用户放弃传统手机选择智能手机。

据市场数据跟踪公司IDC预测， 2013年全球智能手机出货量预计将占54%，这意味着智能手机出货量首次超过非智能手机。

同时，2013年全球平板电脑出货量也将超过台式个人电脑，2014年将超过笔记本电脑。IDC还推测，2013年平板电脑的出货量将比上年增加48.7%，达到1.9亿台，创下史上最高记录，而台式个人电脑将减少4.3%。

3.自动化与测控仪器仪表

我国的工业生产需要完成智能化、数字化改造，智能控制设备、智能仪表、自动控制等为嵌入式系统提供了巨大的市场。在金融业、电力系统和服务业，嵌入式也在发挥着越来越重要的作用。

测控仪器仪表遍及大中小企业，测控仪器仪表种类繁多，新型的测控仪器仪表无一不是嵌入式系统。水、电、煤气表的智能化、远程自动抄表。安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用控制芯片代替传统的人工检查，并实现更高，更准确和更安全的性能。

在工控和仿真领域，几乎所有的计算机控制系统都采用嵌入式系统，象分布式控制系统（DCS）和现场总线控制系统（FCS）等大型复杂的控制系统，更离不开嵌入式系统的应用。目前已经有大量的8、16、32 位嵌入式系统在应用中，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。

三、嵌入式系统发展趋势

可以预见，随着信息产业发展的第三次发展浪潮的到来，嵌入式系统会获得更为巨大的发展契机。所谓信息产业发展的第三次发展浪潮是指无处不在的泛在计算和物联网。

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。顾名思义，“物联网就是物物相连的互联网”。这有两层意思：一是物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；二是其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。物联网就是“物物相连的互联网”。物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用，被称为继通用计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。

目前，物联网已经成为我国国家发展战略，其受重视的程度不言而喻，2012年2月14日，中国的第一个物联网五年规划——《物联网“十二五”发展规划》由工信部颁布。同时，教育部工信部授权理工科高校开设物联网课程，为学生传授物联网相关知识。部分大学开始增设“物联网工程”专业并实现招生，为未来物联网的发展培养储备人才。

新的发展给嵌入式系统带来新的理念，2011年4月，Intel、微软、通用汽车、高通、飞思卡尔、ARM. TI和三星等公司在旧金山联合成立了“Smart技术世界”。Smart system（智能系统或智慧系统）的特点是：1、处理器不是我们以前用的最简单的8位处理器了，而是32位处理器或SOC等。2、内含高层次的嵌入式操作系统。3、有联网功能，彻底解决原先嵌入式系统的孤岛现象。

新的发展对嵌入式系统带来新的技术革命。第一，嵌人式设计要从面相对象到面相角色转变，物联网的计算是跟时间有关的。第二，需要软硬件协同设计技术。第三，需要嵌人式软件建模、自动分析和验证技术。

总之，由于我国对物联网发展的大力扶植和产业推动，必将会更快速地推动智能化电子应用领域的扩张，越来越多的嵌入式设备将会走进我们的生活，改变我们的生活，为我们展现更精彩的世界。

基金项目：邵阳市科技局2012年科研资助项目（J1215）

参考文献：

[1]周立功.ARM嵌入式系统基础教程 [M].北京：北京航空航天大学出版社.2005

[2]王莹.泛在计算时代的嵌入式系统 [J].电子产品世界，2013（2）：1-2.

[3]江虹，吕杨.嵌入式系统的发展与挑战[J].云南大学学报，2007（29）.

[4]张春毛，戴青云.嵌入式系统及其发展前景[J].石家庄职业技术学院学报，2006（4）.

[5]王田苗.嵌入式系统设计与实例开发[M].北京：清华大学出版社.2003

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1 建构主义教学理论

近年来，嵌入式技术和嵌入式产品已经渗透到各个领域，如信息家电、通信设备、工业控制等，社会需要大量掌握嵌入式技术的人才，因此，越来越多的高校开设了嵌入式相关课程。嵌入式系统是一种软硬件结合的技术，与产品和市场有紧密的联系，具有很强的实践性和应用性。在教学中，教师普遍认为该课程难教，学生学习起来也很吃力，难以深入掌握相关知识，教学效果不理想，因此，笔者主张以建构主义理论为基础，探索新的教学模式。

建构主义观点是由瑞士心理学家让·皮亚杰于1966年提出的，他创立的学派被称为“皮亚杰派”，是认知发展领域中最有影响的学派。建构主义学习理论包括以下3个基本观点。

1.1 学习是一种过程

学习者在学习新知识时，不是通过传授获得知识，而是通过他对知识的经验解释，将知识转变成了自己的东西，即知识和技能的获得，是学习者与外部环境交互作用的结果，而不是教师单向灌输的结果。

1.2 学习是协商活动的过程

学习不是单向的接受过程，教师不但肩负着“传”的使命，更肩负着调动学习者积极性的使命。教师要分析学习者的知识结构，找到合适的切入点，才能确保新知识单元被建构到原有知识结构中，形成一个新的结构。然而，不同的学习者知识结构不一样，对知识的理解不一样，从而导致学习者的学习效果不一样。因此只有通过“协商”和磨合，才可能达成共识。

1.3 学习是一种真实情境的体验

学习的目的是让学习者真正使用所学的知识来解决问题。“懂了”只是第一步，“会用”才是更关键的，会用才证明真正学会了。只有在真实情境中，才能使学习变得更有效，因为学习者可以在真实情境中解决实际问题。

分析以上3个基本观点可知，建构主义教学理论应该以学生为中心，在整个教学过程中教师是组织者、指导者、帮助者和促进者，利用情境、协商等学习环境要素充分发挥学生的主动性、积极性和首创精神，最终达到使学生有效实现对当前所学知识的理解和应用。可见，在建构主义教学理论下，教师和学生的角色、作用与传统教学相比已经发生了很大的变化，而这种变化必将给嵌入式课程的教学注入新鲜力量，为改善教学效果开辟了新的途径。

2 物联网与嵌入式技术

物联网的概念于1999年提出。根据2005年国际电信联盟（ITU）的定义，物联网主要解决物到物（Thing to Thing，T2T）、人到物（Human to Thing，H2T）、人到人（HumantoHuman，H2H）之间的互联。物联网这一高度交叉的新兴前沿领域在国际上备受关注，美国IBM公司基于物联网提出“智慧的地球”概念；中国科学院早在物联网概念诞生之初就启动了传感网研究；2009年，无锡物联网产业研究院成立，考察时提出“感知中国”的概念。

在物联网应用中有3项关键技术，即传感器技术、RFID（射频识别）技术、嵌入式技术。把物联网用人体做一个简单比喻，传感器相当于人的眼睛、鼻子、皮肤等感官，网络就是神经系统用来传递信息，嵌入式技术则是人的大脑，在接收到信息后要进行分类处理；物联网的发展为嵌入式技术的发展提供了新的应用领域。因此，嵌入式课程的教学内容安排要面向物联网的应用。

3 双主动教学模式

3.1 理论教学环节设计

在建构主义的教学理论下，目前已开发的比较成熟的教学方法主要有：支架式教学法、抛锚式教学法和随机进入教学法。笔者主张采用抛锚式教学方法进行课程理论环节的教学。抛锚式教学也称“实例式教学”或“基于问题的教学”，它要求在教学过程中，依据教学内容、对象和方式，确定锚点，即选取有感染力的真实问题，通过抛锚引导出讲授的知识，设计出问题来指导教学。所谓的“抛锚”就是教师通过选取有感染力的真实问题创设教学情境，以确定教学内容用，“抛锚”是否成功，取决于教学情境的创设能否激起学生的积极性。由此可以看出，“抛锚式”教学方法的关键环节是教学情境的创设。下面笔者针对物联网应用，分析嵌入式课程的理论教学内容，然后给出创设的教学情境。

3.1.1 教学内容安排

嵌入式理论教学目的是掌握嵌入式系统开发技术，为物联网的应用奠定基础，而嵌入式软件是物联网的重要的核心技术之一，它的发展促进物联网的工程应用，因此，为了更好地应用物联网，嵌入式课程安排6个知识单元的教学，具体内容包括以下几个方面。

第1知识单元：嵌入式系统绪论。掌握嵌入式系统定义、特点，了解嵌入式系统的发展趋势、特点，理解嵌入式系统的设计过程。

第2知识单元：ARM体系结构。掌握ARM9结构，了解ARM9的指令集、工作模式，理解ARM9储器格式、存储器映射I/O结构、ARM异常，掌握ARM9的寻址和加载/存储指令、算术和逻辑指令、比较指令、分支指令、软件中断指令。

第3知识单元：嵌入式系统的接口设计。掌握接口的控制方式、存储器接口设计、引脚连接模块应用、GPIO接口设计，了解中断的分类、中断源，掌握中断设计、定时/计数器接口设计、串行口设计、人机接口设计。

第4知识单元：嵌入式系统的软件平台构建。了解嵌入式系统软件平台的发展、典型嵌入式操作系统，理解嵌入式系统软件开发的特点，掌握UC/OS—II移植规划、移植文件构成、移植代码与系统应用程序设计、任务设计、常用的系统函数、任务问通信程序设计方法、内存管理的程序设计方法。

第5知识单元：嵌入式网络技术。了解分布式嵌入式系统网络结构、通信方式，掌握异步串行通信网络、12C总线网络、CAN总线网络、USB网络，理解嵌入式TCP/IP协议的特点，掌握嵌入式TCP/IP协议的实现方法。

第6知识单元：嵌入式系统设计实例。通过实例掌握嵌入式系统设计的过程和方法。

其中第2、4、5知识单元是嵌入式软件的核心内容，不少于20学时。

3.1.2 教学情境创设

针对每节课的教学内容创设一个学习情境，设计一个总体任务，并向学生展示出整体情境，提出总体任务，然后引导学生对总任务进行分析，尝试将总任务分解成有序的各级子任务，并讨论出各级子任务所需要的知识和技能，最后学习这些知识，锻炼这些技能，以解决问题。下面以UC/OS—II移植为例来说明进行教学情境创设的过程，具体步骤如下：

第1步，运行一个简单的多任务程序，展示移植UC/OS—II后程序的设计方法。通过感性认识，引出要讲授的知识，并强调学习该部分知识的重要性。

第2步，在ADS集成开发环境下设计一个工程，给学生展示移植UC/OS—II后多任务程序设计的运行情况，分析应用UC/OS—II系统函数进行多任务程序设计的方便性，激发学生的学习兴趣，提出总体任务：移植需要完成的工作。

第3步，分析总体任务，完成移植工作需要在OS cpu.h、OS cup C.C和OS cup a.s中设计移植代码。在工程的h文件夹下打开OS_cpu.h，在工程的arm文件夹下分别打开OS_cup_c.c和OS cup a.s分析移植代码的设计思路，依据设计思路，指导学生进行关键程序段的编写。

第4步，总结移植步骤和方法。

内容讲授完毕后，让学生总结UC/OS—II移植的步骤和方法，加深学生对该部分知识的理解。

从上面的设计步骤可以看出，情境创设是从真实情境展示出发，由真实情境引出要讲授的知识，即先给出问题再说明问题的解决方法。相对传统的灌输教学方法，可以让学生对所学知识的重要性有更好的理解，从而激发学生的学习兴趣，提高学生的学习主动性。

3.2 实验教学环节设计

实验课程的教学以建构主义理论为指导，从学生的知识基础和兴趣出发，进行分层次教学，即将实验内容分成验证性、设计性、创新性3个层次，课前教师布置预习内容，提供与实验内容相关的大量资料，给予学生充分的时间进行查阅和理解资料，课上教师仅指导学生探索问题、解决问题，充分发挥学生的主动性，让学生自己学习、自己操作，验证性、设计性实验在课上完成，并由教师对完成情况进行检验，现场给出成绩；此外，对实验感兴趣的学生可以利用课余时间完成创新性实验，这需要定期开放实验室，允许学生动态使用实验室的所有资源，在教师的指导下充分发挥学生的积极性和创造性，运用已有的知识基础，自己思考并动手解决实际问题。通过实验教学环节，使学生对所做实验的性质、规律以及知识之间的内在联系有较深刻的理解，形成对知识的意义建构。表1给出了实验项目及类型。

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中图分类号：G434文献标识码：A文章编号文章编号：1672-7800（2013）012-0176-03

作者简介：张莉莉（1967-） 女，硕士，三峡大学计算机学院讲师，研究方向为操作系统、系统结构。

0引言

物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”。在这个网络中，物品能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。物联网是继计算机、互联网和移动通信之后的又一次信息产业的革命性发展。物联网被正式列为国家重点发展的战略性新兴产业之一。在国家大力推动工业化与信息化两化融合的大背景下，物联网会是工业乃至更多行业信息化过程中一个比较现实的突破口，是一个未来新兴产业。应这种社会需求，2010年初教育部下达了高校设置物联网专业申报通知，众多高校争相申报。三峡大学计算机科学与技术专业开设了物联网工程方向，以培养能够系统地掌握物联网相关理论、方法和技能，具备通信技术、网络技术、传感技术等信息领域专业知识的高级工程技术人才。但是作为一个新兴的课程体系，教学内容选择、实践环节组织等问题依然处于探索阶段。三峡大学将《嵌入式操作系统》[1]作为一门专业基础课程被列入该专业方向必修课程，和传统操作系统课程相比，嵌入式操作系统有自己的特点，尤其是实践环节，本文就《嵌入式操作系统》课程实践教学部分进行研究。

1《嵌入式操作系统》教学存在的问题

首先，《嵌入式操作系统》是近年才出现的课程，可参考和借鉴的资料不多，各个学校都在探索一种适合该课程的教学模式。

其次，嵌入式系统是个综合性很强的系统，它涵盖计算机、通信、网络、RFID等各方面的技术，那么，作为嵌入式系统开发和执行平台的操作系统也要体现这方面的特征，而如何体现尚有待进一步探索。

再次，需要更多的经费投入，实验的开设往往不是一台PC机器就可以解决的。

2《嵌入式操作系统》实践教学内容的选定

《嵌入式操作系统》同一般操作系统课程相比有很多独特之处。一般操作系统都以PC机操作系统为平台，内容包括进程管理、存储管理、设备管理以及文件系统等内容。嵌入式操作系统作为嵌入式软件开发平台，最终要和应用软件一起固化在某种设备里，因此，嵌入式操作系统应该是易于裁剪和配置[2]的。如果这种设备要联网使用，还需具备网络功能，有的还需要特殊的文件系统，而且在进程和内存管理方面也不能过于复杂，在开设实验课程时要考虑这些因素。鉴于以上分析，实践教学内容可从4个方面考虑：

（1）模拟类实验。主要是通过编写程序模拟嵌入式操作系统的一些算法。嵌入式操作系统和PC操作系统相比有很多不同之处：嵌入式操作系统要适应多种处理器、可裁剪、轻量型、实时可靠、可固化。因此，嵌入式操作系统在进程管理、内存管理、文件系统、设备管理等方面有独特算法，可以开设实验编写程序模拟这类算法。此类实验通常作为课内实验与理论课同步进行，用于验证理论，属于验证型实验。

（2）分析裁剪类实验。主要利用免费操作系统，如linux、minix、ucos/Ⅱ等。先分析这些系统内核，再做适当裁剪或增加或替换。由于这类实验需要编译内核，所需时间比较长，可以作为课外选修的实验。

（3）应用型实验。通过系统调用来完成一些应用，这类实验可以是验证性的，也可以是设计类的。可以根据具体的应用，设计一个实验题目，让学生在理论和验证性实验的基础上进一步扩展。

（4）设计型实验。主要是设计一个小型的操作系统，这类实验难度较高，可以作为课程设计类实验。

三峡大学物联网方向的课内实验[1]主要是配合理论课内容而开设，总共8个实验，一个验证性实验，7个设计性实验，实验内容如表1所示。

在课内实验的基础上，再配以课外实验[1]，可以提高学生的综合开发能力，课外实验可以采用项目方式进行。课内实验在虚拟机上完成，课外实验可以在基于ARM芯片的实时系统上开发；课内实验要求独立完成，课外实验可以以小组为单位完成。课外实验内容如表2所示。

3教学环境与教学方式

3.1教学环境

首先，操作系统的选择。嵌入式操作系统种类比较多，要根据先行课程和学生的层次选择不同的操作系统。对于有操作系统背景知识的学生，可以采用较为复杂的系统，如linux；

而对于没有操作系统背景的学生，可以选择简单的操作系统，例如UCOS/Ⅱ。

其次，开发工具的选择。嵌入式软件开发需要交叉编译和交叉链接。交叉编译器的主要功能是将主机上编写的源程序编译成可以在目标机上运行的代码。教学环境可以是仿真环境[2]或者是真实环境。仿真环境有嵌入式软件集成开发环境，例如lambdaTOOL，这个集成开发工具可以支持多种嵌入式操作系统，如linux或者ucos等操作系统，也支持32位的嵌入式处理器。该工具有面向教学的免费版本，利用这种工具进行实践教学的好处就是有一台PC机器即可，在实践教学经费缺乏的情况下是一种比较好的选择，对于初学者来说也是一款很方便的工具。

真实环境除了PC机器之外还需要开发板，在PC机器上编译、开发板上执行，这种环境可以锻炼学生的动手能力。真实环境开发工具和开发板有关联，这类开发工具一般有与相关开发板芯片配套的开发环境，可以针对这种开发环境设计实验内容。

3.2教学方法

过去常用的教学方式是配合理论教学开设课内实验，这类实验课时有限，每个实验偏重某个知识点，实验内容事先设定好，学生在开发板上一个一个地验证。这类实验缺乏系统性，做完后，学生缺乏完整概念，而且，这种按照指导书按部就班完成实验的方式，也缺乏创造性。对于《嵌入式操作系统》这门课程，单一地采用这种方式并不合适。

《嵌入式操作系统》实践教学可以采用多种方式，如课内课外实验相结合、验证性实验和设计性实验相结合等。课内实验开设应用型且学生在短时间内容易接受的实验，这类实验用于训练学生的基本技能。课外实验通过课程设计、大型作业等方式，要求学生开发一个小型的系统或对已有系统进行裁剪或修改。课外实验在时间上没有课内实验的限制，可以开设综合性的实验。

此外，还可以采用项目驱动式教学，如果有这个条件，可以让学生参与一些项目的开发，将科研与教学结合起来。

教学手段可以采用多媒体教学与网络辅助教学相结合的方式，多媒体教学用于面授，网络用于课外自学。《嵌入式操作系统》课程需要较强的理论知识，更需要在实践环节加强训练。多媒体教学可以作为实践教学环节的准备，形象、生动地将一些抽象的概念具体化，让学生有一个感性的认识，模拟一些在使用操作系统时看不见的过程，加深学生对知识的理解。

网络教学手段能够弥补课程教学的不足。可以充分利用现有的校园网资源开发一个网上答疑系统，学生与学生、学生与教师之间可以随时“交谈”，改变以教师为主的教学方式，转向以学生为主的教学方式。也可以尝试大规模网络开放课程（Massive Open Online Courses），这是一种依托互联网的教学模式，与传统的教学模式有很大差别，它在线提供课程教学的全过程，包括微证书的管理，是一种新型的适合高校教育的模式。在这种模式下，教室成为学习会所，教师在“云”端授课，可以不拘泥于场所、时间等因素，甚至可以让学生自行选取学习的内容。这个正好与《嵌入式操作系统》课程内容相吻合，因为嵌入式系统所涉及的领域十分广泛，在做教学计划时，将方向定在什么领域也十分困难，可以让学生自行根据爱好和市场需求制定学习模块，利用开放课堂进行学习。目前，全球比较成规模的MOOCs三大平台是Coursera、Udacity、edX，可以依托这些平台，建设《嵌入式操作系统》课程资源。

4教材

目前，《嵌入式操作系统》实践系列的教材还不多见，笔者推荐《嵌入式实时操作系统及应用开发》配套的实验方案[2]。该方案有两套，一套是利用仿真系统开发实验，工具是利用免费的开发环境Lambdatool，另一套是利用某种嵌入式微处理器开发的嵌入式软件交叉开发实验系统，也可以自行编写。

5考核方式

《嵌入式操作系统》课程教学考核方式应该多样化。传统的考核方式一般是学生按照事先设定的内容完成实验，然后提交实验报告，教师依据报告的内容给予成绩评定。《嵌入式操作系统》是一门综合性和实践性比较强的课程，用通常的机考、笔试等方式，要求在限定的短时间内完成考核存在一定的难度，因此考核方式应该多样化。将考核与教学方法相结合，对于课内实验，要求在固定时间内完成命题，这类命题一般为设计验证性的实验和难度偏低的内容；对于课外实验，考核命题可以由教师指定范围，学生自己拟定题目的方式。对于参与项目的学生，可以由项目负责人给予成绩评定。考核过程采用答辩和文字描述相结合的方式，学生提交实验报告或者设计报告，教师通过提问的方式来考核学生完成报告的程度。考核的最终成绩可以由以上3个方面来进行综合评定。

6结语

高校教育必须面向市场，不断地进行教学改革，提高教学质量。计算机专业更是一个较前沿的专业，新的概念和技术不断出现，《嵌入式操作系统》就是在物联网的新形式下开设的一门课程。鉴于嵌入式设计将操作系统和应用软件一体化的特点，《嵌入式操作系统》实践教学更要加快研究步伐，不断探索，实验内容通常每学年做一些修订，三年左右做一次较大修订。只有不断地改革《嵌入式操作系统》课程的实践教学环节，才能更好地培养动手能力强的学生，以适应物联网市场的人才需求。

参考文献参考文献：

[1]张莉莉.嵌入式操作系统课程教学探讨[J].软件导刊，2012（12）：190-191.

[2]罗蕾.嵌入式实时操作系统及应用开发[M].第3版.北京：北京航空航天大学出版社，2011.

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嵌入式系统实验平台主要包括核心嵌入式系统、嵌入式操作系统以及各种设备．核心嵌入式系统选用基于多种常用微处理器的嵌入式平台，包含各种主流嵌入式技术;操作系统方面，选择Linux、WindowsCE等主流嵌入式系统和各种定制化操作系统，使学生全面了解ARM11、ARM9和ARM7等多种嵌入式平台及其适用的操作系统．在设备的选择方面，根据工程实验中心的总体方向，选择与无线传感网络相关的外设，共同构成完整的实验平台．本实验室可作为计算机及相关专业嵌入式系统课程的专业实验室，提供与课程紧密配套的实验内容，以提升学生在嵌入式系统方面的实践能力．无线传输实验系统基于目前无线传感网络对无线传输技术的实际要求，主要包括短距离无线传输和长距离无线传输两部分．短距离无线传输实验系统基于Zigbee和Bluetooth技术［2］，这是无线传感网络中最典型的无线组网及数据传输技术，主要用于本地节点间的无线网络组建和信息传输．本实验系统通过剖析Zigbee和Bluetooth的技术原理，向学生展现两种短距离无线通信技术的主要功能及性能指标．学生可在本实验平台基础上，开发基于本地无线网络的典型应用，例如与传感器实验设备结合的无线测温系统等．

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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。

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目前，全球都十分关注物联网技术以及其所带来的价值，掌握物联网技术无疑占据了主动的地位，因此不能忽视其广泛的市场前景。

1 物联网网关概述

目前，物联网的结构有三种分类：感知层、网络层以及应用层。

1.1 感知层

同人体的感知一样，物联网也有感知层。该结构主要是借助传感器去感知，同人们一样去识别相关信息，这赋予了物联网以智能感知的功能。

1.2 网络层

网络层的功能就像是人体神经系统对信息进行处理一样，与感知层相比，其功能更加强大，也更加复杂。

1.3 应用层

应用层是第三层结构，也是物联网结构的顶层，能够实现物联网技术和其他技术的结合，实现物联网的多领域、多行业应用。并且，这三种结构缺一不可。

感知层能够起到感知信息的作用，其主要是借助传感器来实现的，如果没有太多的传感器，还可以借助网络与设备的连接实现传感器的功能，但这样会造成资源浪费。为了节省资源，顺利实现数据传送，最好能够将所有的设备与网络层相连，实现数据的统一传送。为了避免传感器设备不足造成的资源浪费问题，最好能够在感知层和网络层之间设置一个汇聚层，通过该汇聚层衔接这两个结构，就不会出现资源浪费的问题，并且能够实现数据的传送。

1.1 物联网系统的分析

物联网网关需要高度重视，其功能先进，全面，不仅可以感知，还能够实现远程监控，并且可以接入不同的网络。物联网网关的感知功能主要是以网络形式来体现的，并且配合多功能传感器获取不同的信息进行感知。这些传感器的接入形式不同，从目前来看，主要可分为有线和无线两种接入模式。有线接入的速度较慢，不具备无线接入的某些功能，因此，无线网络的应用越来越频繁。目前，常见的移动设备都具备无线网络的接入功能，并能够实现快速传送，这样就可以大大提高无线网络的使用范围。随着无线网络的不断发展，其必定会成为主要的接入方式。

不同结构进行网络互通所采用的传感器不同，对信息的感知也会不同，为了实现不同结构的网络互通，需要设置一个协议网络。因为，协议网络可以实现不同结构的网络互通，如果]有协议网络的支持，数据的交流就会变得十分困难。目前常见的协议网络主为Mod bus，在许多领域都有其身影。

在物联网系统中，检测控制管理是一个重要的功能，其主要目的是对数据进行监控，实现科学的管理。首先，在网关中有许多不同的功能，对这些功能进行合理控制，就能够实现物联网技术的突破，为人们的生产和生活带来方便。其次，对网络连接进行集中管理，也是检测控制管理的常见功能。检测控制管理主要是对系统和外界的网络进行内外监控与管理，其功能更加全面。

1.2 物联网系统的整体设计策略

物联网网关之所以很重要，主要是由于人们对于物联网系统的要求越来越高，因此，物联网网关的形式设计就受到了人们的高度重视。目前，物联网的运行平台主要有PC机和嵌入式。由于嵌入式系统内核小、专用性强，在许多领域占据主导地位。因此，嵌入式系统的优势更大，其应用范围也越来越广泛。物联网网关的设计有许多方式，借助嵌入式系统进行设计是可行的，并且大大推动了物联网网关的发展。

2 物联网网关硬件的设计

进行物联网网关硬件设计的时候，必须要考虑到网关所运行的环境，以及网关自身对硬件的要求。总体来看，网关硬件设计需要遵循成本低、降低能源消耗、实现高效率处理的原则，因此，常见的硬件设计就是采用AT9LSAM9260。该平台具有极好的兼容性，存储空间大，能够高效处理信息，在苛刻的环境下也不影响网关的正常运行。

对于接入方式的选择，主要以无线接入为主。物联网的硬件是物联网网关中非常重要的一部分，以其内部的主控制器电路为例，其关系到系统的数据转换和网关功能的实现，因此要注意其严谨性。目前，网络接口电路主要有MII和RMII两种模式，这两种模式可以通过对应硬件引脚配置来达到所需目的。

对于物联网中串行接口电路设计，一般会选择RS232和RS485。在进行串口设计的时候，应用这两种方式，一方面可以起到节能降耗的效果，另一方面能够优化物联网系统，实现不同结构网络的互通。进行串口设计之后，还要增加一些模块，这样才能真正实现物联网网关硬件的功能。

3 物联网网关软件的设计

在进行物联网网关软件的设计的时候，需要对通信接口的数据进行采集和处理，因此要对整个框架进行分层。分层之后，对不同的层要进行处理，底层要搜集数据，中间层要处理数据，实现数据的传送，并设置相应的监控模块进行监控。为了确保物联网系统的灵活性，一方面要保证不同模块之间的有机联系，另一方面要实现系统整体功能和谐统一。

在本次研究中，物联网网关的设计与实现的平台主要是嵌入式系统，而不是传统的PC平台。但是，由于要优化物联网网关软件设计，还需要借助PC平台进行代码的开发与调试。

4 结束语

综上所述，物联网网关的开发与设计主要采取嵌入式系统，能够满足人们生产和生活的需要。随着社会的进步和科学水平的不断提升，相信在不久的将来，物联网系统会更加完善。

参考文献

[1]肖巍，文大化.基于abase-Ⅲ嵌入式程序设计的研究[J].长春理工大学学报（自然科学版），2010，18（03）：259-261.

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[3]温阳东，毕锐，周松林.基于Internet的嵌入式分布式远程测控系统的设计[J].自动化与仪器仪表，2011，10（08）：158-159.

[4]王睿智.基于TC35i的远程监控报警系统的设计与实现[J].吉林工程技术师范学院学报，2013，14（01）：265-267.

[5]李佳旭.基于ARM7的嵌入式AC/TCP-IP协议栈的研究与实现[D].西安电子科技大学，2009，12（05）：123-125.

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2园林工程信息化系统的构成

应用于园林工程的信息化技术，首先是是基于传感器技术的数据采集部分，利用传感器对园林生态环境内的风力、风向、空气温度、湿度、以及土壤温度、水分等信息进行有效采集，再通过嵌入式系统进行数据处理，处理后的数据可以输出显示、存储或上传网络，便于后期利用。在传感器技术和嵌入式系统的基础上，将采集的数据发送到互联网云物联平台，通信手段既可以采用有线以太网，也可采用wifi或3G等无线方式进行数据传输，通过物联网平台的高性能服务器集群，可以在短时间内完成大量数据的收集、整理、分析。如图1所示，这时可以利用联网的终端（如电脑、手机等）通过物联网平台对嵌入式系统发送命令，嵌入式系统通过继电器模块等实现控制智能浇灌等设施，进而影响园林生态环境。

3工程中的实际应用

传感器是实现应用目的的核心器件，在我公司城市景观树木抗倒伏关键技术研究这一项目中，需在研究区内，架设风速风向和土壤墒情自动监测仪器与设备，监测与调查雨季极端天气对研究区内树木形成的影响结果；记录灌水施肥、防护加固措施的有效性等。基于以上需求，配置了如下传感器：华控HS-FX01型风向传感器，0~5V输出，16个不同电压值对应16方位风向，启动风力≥0.8m/s。华控HS-FS01型风速传感器，0~5V输出，线性对应0~30m/s风速，分辨精度0.2m/s，启动风力≥0.8m/sSHT15空气温湿度传感器，相对湿度测量范围0～100％，精度±2％RH；温度测量范围-40℃～123.8℃，分辨率0.1℃，输出经过校准的相对湿度和温度的串行数据。DS18B20（不锈钢防水型封装）土壤温度传感器，测温范围-55℃～125℃，最高精度0.06℃，支持多点组网功能，数字量串行输出。搜博SM2801M型土壤水分传感器，可长期埋设于土壤内，对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和在线测量，4~20MA输出，线性对应0~100%的量程，测量精度3%。上述传感器有3路模拟量输入、3路数字量输入，可采用开源软硬件的嵌入式单片机arduino。其ATmega328型具有14路数字输入/输出口，6路模拟输入，32KB闪速存储器。如果需多路采集，可采用其升级版MEGA2560，闪速存储器扩展至256KB，具有54路数字输入/输出口，16路模拟输入。此外，Arduino单片机增加通讯模块（如W5100等），即可通过有线以太网联入互联网。在室外环境中，传统以GPRS模块为主导方案，但随着电子消费品的普及，使用3G路由+3G网卡的组合是一种更经济、编程量更少的方案。通过通讯模块，可将传感器数据上传到一些开放的物联网平台（如Yeelink、乐为物联等），在网站上实现以曲线显现一个阶段内的传感器数据，或者对几组相关数据对比分析在物联网平台上，还可设置传感器数据的报警值，当达到报警值时，网站会以短信等方式提醒用户处理，如风速过大时应去现场查看树木的倒伏情况，光照过强是否应遮阴处理，土壤水分不足是否应补水作业等。物联网平台还可以对嵌入式系统进行反向控制，通过网站或手机客户端发送命令，嵌入式系统通过继电器模块（一种电子控制器件，单片机接输入回路，以毫安级电流，控制额定功率数千瓦输出回路的开关）控制灌溉等设备的开关，从而实现远程控制影响园林生态系统。

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中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 14-0000-01

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是“The Internet of things”，顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。这包含两层意思：（1）物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；（2）其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。

物联网通过智能感知、识别技术与普适计算、泛在网络的融合应用，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业发展的第三次浪潮。物联网是互联网的应用拓展，与其说物联网是网络，不如说物联网是业务和应用。因此，应用创新是物联网发展的核心，以用户体验为核心的创新2.0（即Innovation 2.0，是面向知识社会的下一代创新）是物联网发展的灵魂。

物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、路灯照明管控、景观照明管控、楼宇照明管控、广场照明管控、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。

从中国物联网的市场来看，至2015年，中国物联网整体市场规模将达到7500亿元，年复合增长率超过30.0%。物联网的发展，已经上升到国家战略的高度，必将有大大小小的科技企业受益于国家政策扶持，进入科技产业化的过程中。从行业的角度来看，物联网主要涉及的行业包括电子、软件和通信，通过电子产品标识感知识别相关信息，通过通信设备和服务传导传输信息，最后通过计算机处理存储信息。而这些产业链的任何环节都会开成相应的市场，加总在一起的市场规模就相当大，可以说，物联网产业链的细化将带来市场进一步细分，造就一个庞大的物联网产业市场。所以，想要更好地应用物联网就需要抓好基础理论和关键技术的研究。

一、物联网的基础理论体系研究

物的属性决定了物联网的特性。感知性、智能性、自组织性对于物联网的拓扑结构和网络测量、网络控制影响较大；生态系统特性对物联网的类型、规模和演化方式影响较大；生命周期特性对物联网的健壮性、安全性与可用性影响较大。

物联网是联系自然界和人类社会的复杂网络，普遍存在小世界现象、无标度特性、健壮性、安全性、动态随机性、统计分布性和进化稳定性。有关复杂网络的综述和研究在2005年后不断涌现。研究内容主要包括非线性动态复杂网络系统（物理系统、互联网和相关社会网络）、网络科学理论框架、复杂性与普适性、动力学同步与控制方法等。物联网具有广泛的学科交叉性，研究其规律必然涉及众多学科的背景知识和基础理论。物联网的自反馈特性、“3C”技术特性可以利用现代控制论、现代通信理论、云计算理论进行研究；其复杂网络特性和复合生态系统特性可以利用网络科学、数学物理、系统工程、复合生态系统等理论进行研究。

二、物联网的关键技术研究

物联网涉及的新技术很多.其中的关键技术主要有RFID标签技术、传感器技术、网络通信技术和嵌入式系统技术等。

（一）RFID标签技术。RFID标签技术是融合了无线射频技术和嵌入式技术为一体的综合技术，RFID在自动识别、物品物流管理有着广阔的应用前景。

完整的RFID系统由电子标签、读写器和数据处理系统组成。当读写器扫描贴有电子标签的物体时，标签被读写器激活通过无线电波将标签中携带的数据传送到读写器再由读写器传送到数据处理系统，完成数据的自动采集工作。数据处理系统根据需求做出相应的数据控制和处理工作。

（二）传感器技术。传感器技术是计算机应用中的关键技术。众所周知，到目前为止绝大部分计算机处理的都是数字信号。自从有计算机以来就需要传感器把模拟信号转换成数字信号计算机才能处理。作为摄取信息的关键器件，传感器是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集手段。

如果把计算机看作处理和识别信息的大脑，把通信系统看做是传递信息的“神经”系统的话，则传感器就是感觉器官。所渭传感器，是指那些对被测对象的某一确定的信息具有感受（或响应）与检出功能。并使之按照一定规律转换成与之对应的输出信号的元器件或装置。离开了传感器对被测的原始信息进行准确可靠的捕获和转换，一切准确的测试与控制都将无法实现

（三）网络通讯技术。传感器的网络技术分为两类：近距离通信技术和广域网络通信技术。在广域网路通信方面。互联网、2G/3G移动通信、卫星通信技术等实现了信息的远程传输，特别是以IPv6为核心的下一代互联网的发展，将为每个传感器分配IP地址创造可能，也为物联网的发展创造了良好的网络基础条件。

通信网络技术为物联刚数据提供传送通道，如何在现有网络上进行增强，适应物联网业务的需求（低数据率、低移动性等），是该技术研究的重点。物联网的发展离不开通信网络，更宽、更快、更优的下一代宽带网络将为物联网发展提供更有力的支撑，也将为物联网应用带来更多的可能。

（四）嵌入式系统技术。嵌入式系统技术是综合了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术为一体的复杂技术。经过几十年的演变，以嵌入式系统为特征的智能终端产品随处可见；小到人们身边的MP3，大到航天航空的卫星系统。嵌入式系统正在改变着人们的生活，推动着工业生产以及国防工业的发展。如果把物联网用人体做一个简单比喻，传感器相当于人的眼睛、鼻子、皮肤等感官，网络就是神经系统用来传递信息，嵌入式系统则是人的大脑，在接收到信息后要进行分类处理。这个例子形象的描述了传感器、嵌入式系统在物联网中的位置与作用。

在信息社会的信息基础之下，物联网为我们国家的信息传播拓展了新的疆界，物联网代表着人们生活方式的转变。根据物联网的内涵可知，要真正实现物联网需要感知、传输、控制及智能等多项技术。物联网的研究将带动整个产业链或者推动产业链的共同发展。RFID标签技术、网络通信技术、传感器技术与嵌入式系统技术的研究与应用，将直接影响物联网的发展与应用，只有综合研究解决了这些关键技术问题，物联网才能得到快速推广，造福于人类社会，实现智慧地球的美好愿望。

参考文献：

[1]王瑞刚.物联网主要特征与基础理论研究[J].计算机科学，2012，S1.

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上海海同信息科技有限公司是专注于IT及互联网领域的人才培养(线上+线下)、招聘服务和技术解决方案服务提供商，8年来始终专注于互联网、移动互联网、物联网和大数据等高新技术领域发展急需的软件人才培养 ， 培训内容主要包括Android、嵌入式开发、J2EE、PHP，HTML5、iOS、大数据的开发和UI设计。

上海海同科技作为ARM、微软的嵌入式授权合作伙伴，海同科技立足于提供国内高水平的嵌入式培训。在著名嵌入式软件、硬件厂商Microsoft、ARM、TI、Altera的大力支持下，推出理论和实践项目相结合的嵌入式系列高端课程，帮助学员深入学习嵌入式处理器软件、硬件等基本知识，参照企业项目开发经验，组织学员开展项目实践，增强实践开发能力，着眼于满足企业在产品升级换代方面对技术和人才的需求。

（来源：文章屋网 ）

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中图分类号：TP391.44 文献识别码：A 文章编号：1001-828X（2015）018-000-01

物联网是一种主要依靠感应器和全球定位系统等传感设备，可以将世界上任何物体连入到户联网当中，使人与物、物与物和人与人之间的交流和信息通信变得再也没有障碍阻隔，从而在控制、查询和定位以及配置等等方面完全实现智能化。伴随着物联网的出现和发展，我国在工业生产、农业生产和环境检测方面都实现了现代化的跨越，在人们的衣食住行等等各个息息相关的方面进行模式的改造，既降低了我国的劳动成本，有的在经济上取得了很大的成绩，还方便了人们的生活和工作等各个方面。

一、准确分析关于网关功能的需求

目前我国大部分设计智能传感器在一定程度上还是依赖互联网和无线网，就是将需要传递的信息通过汇聚节点连入到互联网，这只是发回来物联网的基本功能，物联网作为感知层和传输层的重要纽带，应满足以下的需求：

（一）汇聚数据的功能

物联网网关能够作为一个汇聚数据的节点，可以借助物联网网关来接收来自传感网各个节点所表达的数据。

（二）存储数据的功能

在被物联网接收到的数据，可以根据你的选择进行暂时或永久性的存储。

（三）传输数据的功能

物联网网关不仅可以汇聚节点和帮助传感网进行通信，还可以借助传输层网络与远程数据应用平台进行交互。

（四）进行协议和适配的功能

物联网网关作为一个多协议的转换装置，各类传感网的数据协议都要经过物联网网关进行处理。远程应用平台如果想进行有效的屏蔽各个传感网的异构性，就要完全依赖物联网网关，成功的与各个传感网节点实现互联互通。

（五）管理设备的功能

由于传感网具有节点数量多和分布广的特点，这就为节点的终端管理造成了阻碍，所以这时候就需要借助物联网网关，对节点设备进行严格的查询、监控和配置。

（六）安全保护功能

如果用户想利用网络远程和物联网网关进行通信时，必须接受身份的验证和授权以及数据加密等必须的安全措施。

二、分析基于嵌入式Linux的物联网网关设计的总体结构

这个系统设计主要包括无线网卡接口模式和无线传感器网络数据应用层和交互通信模式两大部分，底层模块传送来的网络流数据主要依靠无线接口模块进行接收，而且对于上层的模块，还会提供编程接口和对数据进行网络发送。而对于无线传感器网络数据应用层以及交互通信模块，它们主要负责网络和无线传感器之间进行数据通信和进行一点的转发。

只有驱动模块、配置管理、协同初始化模块、应用层和交互通信模块共同协作才能保证无线接口模块的实现。在这一过程中，驱动模块主要负责的是对上层模块进行编程接口的提供，这样才会实现网络数据和应用数据之间进行连贯的转换，实现交互通信。而配置管理和系统初始化模块主要负责的是对一些特定的接口参数的配置以及自动化脚本进行初始化的处理。应用层和交互通信模式主要是靠应用层来实现，主要用来校正传感器网络数据和传感器网络和网络数据等等较为复杂的工作。

三、基于嵌入式Linux的物联网智能家居的网关设计

物联网技术的一个非常引人注目的应用领域其实就是智能家居，智能家居在不久的将来一定会实现无线远程控制和多媒体控制，这也是智能家居发展的目标和方向。家庭网关是智能家居发展的核心，其中的核心技术就是具有很强兼容性的家庭控制器和可以满足所有信息传输的家庭网络。只要掌握了这些核心技术就可以对家庭内部家居设备实现自动化控制和远程控制，还有进行安防报警等，为人们的日常生活带来很大的便利。

嵌入式系统在很早的时候就已经成为了世代的主流，被应用到很多方面，Linux因为其自身的开源的内核受到很多人的喜爱，尤其因为Linux具有丰富的硬件驱动和强大的网络功能，是它几乎是无处不在。

网关软件平台设计就是在硬件平台上实现了对Linux的移植，其操作系统也是仿照Linux的基础构架形成的。网关软件设计主要就是对Linux系统的移植和一些专业协调器软件的设计和有关于设计网关主程序的一些相关步骤。在这一过程中首先要让Linux的内核在需要的芯片能够正常的运转，所以要对Linux的内核进行配置和裁剪，随后制作出文件系统，让所有的系统正常的运转起来，这时候才可以进行相关驱动的移植工作。在这一过程中尤其要注重对串口驱动和一些特定网卡驱动的移植，因为这些设备决定着网关是否可以进行正常的通信。进行正确的移植后，所有的设备就可以开始进行正常的工作运转了。之后要做的就是一些特定函数库的移植，还有一些开源工程的移植，最后进行对网关进行编写应用程序。

四、结语

本文主要分析了基于嵌入式Linux的物联网网关设计与应用，还谈论了一些有关给予基于嵌入式Linux的智能家居的网关设计，具体阐述了无线传感器网络的具体应用场景，在嵌入式的设备上实现数据转发，相对应的给出了一些有关于嵌入式Linux具体操作的一些简单的方案，这些方案都是结合无线传感网的自身特点，为人们日常的生活和工作创造更为便捷的途径。

参考文献：

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RIOT OS RIOT OS是一种开源社区项目，自2008年以来就已经启动。RIOT能够在众多平台上运行，包括嵌入式设备和PC（以及数量众多的极其流行的传感器），而且拥有易于使用的API，该操作系统因用电量和资源需求方面能够做到高效而家喻户晓。

Windows 10 For IoT 微软的最新款嵌入式操作系统名为Windows 10 for IoT。这面大旗下还有三个子操作系统。第一个是Windows 10 for IoT Mobile，它支持ARM架构；第二个是Windows 10 for IoT Core，它支持Raspberry Pi和英特尔凌动；第三个是Windows 10 for IoT Enterprise，这多少有点像功能完备的Windows 10 Enterprise，但仅限于运行单一应用程序。

由于Windows 10 for IoT是全新产品，它在用户群和经验丰富的开发者方面显然落后于其他许多物联网操作系统。但它大有潜力，特别是在内部开发应用程序方面，那些习惯于使用Visual Studio和Azure物联网服务、针对Windows从事开发工作的人会被整套的Windows 10 for IoT方案吸引过去。

WindRiver VxWorks WindRiver 的VxWorks可能是如今使用最流行的商用ROTS，它提供了一款可靠的操作系统，又具有高度的灵活性。VxWorks还提供了许多安全功能，这些功能对需要它们的物联网项目来说至关重要。VxWorks在工业、医疗和航空等领域的知名度很大，因为它是少数几家满足必要的认证要求、以便用于那些行业的RTOS厂商之一。

谷歌Brillo 谷歌在I/O大会上宣布，打算推出Brillo，进军嵌入式操作系统市场。面向基于安卓的嵌入式操作系统的开发平台很合适在编写安卓应用程序方面有着扎实背景的使用者，Brillo使用一种名为Weave的通信协议，这意味着智能设备没必要非得将嵌入式安卓作为其操作系统，它们只要能够使用Weave进行通信就可以，这为一大批厂商将Weave集成到物联网产品当中敞开了大门，最终让这些产品能够与Brillo比肩。

ARM Mbed OS ARM在开发自身的开源嵌入式操作系统，名为mbed OS。由于是由ARM开发，所以ARM是唯一支持的架构，话虽如此，预计该操作系统会在智能家居和可穿戴式设备这两个物联网细分市场大放异彩。这款操作系统有别于另外很多嵌入式操作系统，原因在于它是单线程，而不是多线程。ARM表示，它认为这对该操作系统能够在尺寸最小、功耗最低的设备上运行而言必不可少。如果物理尺寸和电池使用时间至关重要，物联网设备最后可能会在mbed OS上运行。

Embedded Apple iOS和OS X