基于嵌入式系统的物联网智能移动终端的设计

基于嵌入式系统的物联网智能移动终端的设计

作者：李津孙毅刘琼俐

来源：《中国新通信》2015年第24期

【摘要】随着物联网技术的进一步发展和应用推广，市场上对在物联网系统中起关键作用的物联网终端设备提出了更高的要求。为此，本文设计了一款具有多种功能、性能稳定的物联网智能移动终端。首先，提出了这款物联网智能移动终端的整体设计方案，方案采用的硬件平台是三星公司出品的一款四核处理器，软件平台采用当前移动和智能设备领域应用最广泛的Android操作系统。然后，针对物联网终端的三个关键模块进行了详细设计，包含Wi-Fi无线通信模块、GPS定位模块、3G通信模块。

【关键词】物联网嵌入式系统 Android平台

物联网被认为是当今信息化产业的第三次浪潮，是计算机技术，互联网及移动通信网进一步发展的必然产物，特别是近几年来，物联网技术得到了飞速的发展和推广[1]。世界各国政府也加大了对物联网技术研究和基础设施建设的投入，作为未来信息化发展方向和战略需求，都在向物联网这一新的信息技术高地靠近。我国也同样对物联网这一新领域非常重视，早在上世纪，便开始了相关领域的研究工作，使得现在我们可以看到未来物联网市场的广阔前景[2]。

随着物联网技术应用的进一步发展和推广，对处在物联网系统起关键作用的物联网终端设备提出了更高的要求。在硬件方面，要求更高的处理速度、优越的性能，以及整机系统运行的稳定性；在软件方面，同样提出了在各种复杂场合下的应用需求，以及更加安全的保障和友好的交互界面。因此为了物联网产业的继续发展，很有必要设计并开发出一款具有多种功能，性能稳定的物联网智能移动终端。基于这种需求，本文研究设计了一款基于嵌入式系统的物联网移动终端设备。

一、整体设计方案

1.1 系统架构

终端的系统整体方案架构如图1所示。整机系统由应用软件、应用软件支撑、操作系统、硬件系统平台及外设模块等部分组成。

（1）应用软件：根据具体的业务应用，配置不同的应用软件；（2）应用支撑：主要提供整机操作使用、业务支撑等软件，包括信息安全、通信协议API、手写输入、视频/音频解码、系统管理等。（3）操作系统及设备驱动：操作系统采用Android操作系统，并根据平台需求提供相应的设备驱动程序；（4）硬件系统平台：由Exynos 4412、iNAND存储、显示/触摸接口等组成；（5）外设模块：主要由显示屏、触摸屏、RFID模块及标准接口等组成。

1.2 设计方案

物联网智能移动终端是嵌入式技术在物联网应用这一特殊需求下的应用。为了实现该终端所需要的功能，本文采用的设计方案如下：（1）嵌入式微控制器采用三星的Exynos 4412处理器，它是目前市场上应用范围较广、性能优越、性价比较高、低功耗的一款ARM Cortex-A9四核处理器[3]。它自带了许多的内部控制器，极大的减低了硬件设计的复杂度，并且提供了非常丰富的外设接口，包括常用的RS232串行接口、USB接口、摄像头接口、显示接口、存储接口等。（2）嵌入式操作系统采用当前最流行的开放式系统Android，其采用开源Linux系统作为内核，其模块式的设计方式为外设的添加及驱动移植带来了极大的方便。并且Android 提供了一套完整的应用开发API，很容易开发出满足业务需要的应用程序。（3）为了满足数据通信的需要，系统采用了包括3G、Wi-Fi等在内的多种通信技术。从而实现终端与“物”、终端与“人”的联网功能，真正体现物联网“物物相连”的基本特征。（4）为了收集各类数据信息，系统中还加入了射频识别模块、二维码/条码识别模块、音视频输入输出模块，GPS模块等。这些模块可以根据具体的应用场合需要进行增减，充分体现嵌入式系统可裁剪的这一特性。

二、硬件设计

为了节约设计开发成本，本文设计的物联网智能移动终端采用市场上成熟的CES-4412P 开发板，在此基础上进行二次设计开发，增加所需要的相应模块。

CES-4412P开发板由两部分组成：核心板和扩展板。其中核心板尺寸为：51*62mm，非常小巧且方便拆卸安装[4]。扩展板的尺寸为：126*191mm，其中集成了3G、无线Bluetooth、WiFi、Camera、GPS等功能模组，带有HDMI 1.4（1080P/60Hz）高清接口。显示及交互部分可支持7寸多点电容（或电阻）液晶显示触摸屏，以及10.1寸多点触摸电容液晶屏，用户可以根据实际需要自由选择。

CES-4412P开发板已经搭载了Android 4.2.2 Jelly Bean操作系统，并提供整个系统的源代码，包括bootloader，Linux内核以及Android系统等。支持3G、WiFi、Bluetooth、GPS、Camera、Flashplayer V11网页Flash播放、1080P视频播放、3D图形显像、QQ、HDMI1.4等多媒体功能[5]。

三、软件设计

本文的物联网智能移动终端，是为了满足多功能多用途的物联网应用而设计的。为了达到对系统的设计目标，综合各种因素考虑，终端采用目前市场上占优势地位的Android操作系统。在具体的CES-4412P开发板上，除了Android系统外还需要其他的一些辅助软件来完成整个系统的运行。

在Exynos4412处理器的内部有一个64KB大小的iROM和一个256KB大小的iRAM，在系统上电或者重启时，会首先执行存储在iROM里面的程序，这是一段很小很简单的代码，用于处理器内部最基本的初始化。等内部初始化完成后，会从外部存储设备中读取bootloaer代码，这里的外部存储设备可以是普通的NAND Flash存储器、SD卡、eMMC存储设备或者USB存储设备。Bootloader由两部分组成：第一部分是芯片相关代码，用于初始化处理器芯片；第二部分是平台相关，用于初始化和控制硬件平台上的各类外设。

四、总结和展望

物联网终端的设计和开发是嵌入式技术在物联网系统中的一个专门的应用，本文采用嵌入式设计与开发的一般方法和流程，与此同时，还会围绕着“物联网”这一应用，有针对性的加入了某些模块，比如无线通信模块、射频识别模块、条码扫描模块、GPS定位模块、音视频模块等等。本文提出了系统的整体设计方案，并从硬件平台和软件平台两个方面分别进行分析和设计。在总体方案设计之后，紧接着是对终端中的一些关键模块进行更详细的设计，主要包括无线通信模块、GPS定位模块、3G通信模块等。在整个物联网系统中，各种各样的终端设备在离信息源最接近的底层为其他部分提供各类数据信息，其作用也随着物联网的发展而不断变化。文中提到物联网系统从“垂直”向“水平”转变，但在这个过程中，“垂直”系统和“水平”系统是混合存在的。物联网作为互联网的延伸，在未来泛在物联网来临的时候，系统的复杂度会成倍甚至几何级系数地增加，那时候的物联网终端也会和现在的不一样。随着计算机技术和信息技术不断探索和发展，相信未来会有更多的“物”融入到物联网这个大家庭中来，也会不断地出现各种功能各种形态的物联网终端并带给我们全新的工作和生活体验。