嵌入式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件架構(gòu)研究

摘要：該文探討了物聯(lián)網(wǎng)嵌入式設備的一種開發(fā)方法，提出一種創(chuàng)新的基于模板的嵌入式分層軟件架構(gòu)，該架構(gòu)采用模塊化通信底層、協(xié)議匹配及功能配置，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)、嵌入式系統(tǒng)與產(chǎn)品功能的靈活解耦，促進快速開發(fā)、自動化及個性化生產(chǎn)。通過在商用物聯(lián)網(wǎng)智能鎖具項目開發(fā)的應用，驗證其可擴展性、易移植性、高可靠性及市場適應性。

關(guān)鍵詞：嵌入式；物聯(lián)網(wǎng)；軟件架構(gòu)；柔性生產(chǎn)

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.12.031

中圖分類號：TP 31" " " " " " 文獻標志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2024）12-00-03

Research on Software Architecture for Embedded Internet of Things Systems

DENG Wucang

（Suzhou Kunshan General Lock Co.， Ltd.， Suzhou 215300， China）

Abstract： This paper delves into the field of embedded devices in the Internet of Things （IoT）， proposing an innovative layered software architecture. This architecture modularizes the communication layer， protocol matching， and functional configuration， achieving flexible decoupling between IoT， embedded systems， and product functionalities. It facilitates rapid development， automation， and personalized production. A commercial smart lock case study demonstrates its scalability， ease of portability， high reliability， and market adaptability.

Keywords： embedded systems; Internet of Things; software architecture; flexible production

0" "引言

在面對日益復雜多變、需求各異的系統(tǒng)開發(fā)挑戰(zhàn)時，構(gòu)建一個高效、靈活的軟件架構(gòu)顯得尤為重要。這一架構(gòu)需精準契合嵌入式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的獨特屬性，確保軟硬件協(xié)同順暢、代碼復用率最大化、核心技術(shù)保密與傳承有效。通過此架構(gòu)，我們旨在顯著提升開發(fā)效率，加速知識積累進程，并為行業(yè)培育更多專業(yè)人才。唯有如此，方能推動嵌入式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)持續(xù)創(chuàng)新，迎接未來更為嚴峻的技術(shù)挑戰(zhàn)與市場需求。

1" "物聯(lián)網(wǎng)嵌入式軟件架構(gòu)抽象

軟件架構(gòu)作為應對特定領(lǐng)域普遍性挑戰(zhàn)的抽象化解決方案框架，是軟件開發(fā)中的基石[1]。在嵌入式物聯(lián)網(wǎng)的廣闊領(lǐng)域中，這一架構(gòu)特性可精煉地概括為以下五點：互通性、嵌入性、專用性、定制性、計算機系統(tǒng)性，它們共同構(gòu)建了該領(lǐng)域獨特的技術(shù)生態(tài)。

2" "嵌入式物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)設計

如圖1所示，本軟件架構(gòu)設計精心構(gòu)建了五個層次，嚴格遵循高內(nèi)聚、松耦合的系統(tǒng)設計原則。在這一架構(gòu)中，每一層的功能模塊被緊密地組織在一起，實現(xiàn)了高度的內(nèi)聚性；而各層之間，則通過精心定義的層間接口進行連接，確保了層間的松耦合特性，這樣的設計極大地提升了系統(tǒng)的靈活性和可維護性。該架構(gòu)的核心創(chuàng)新之處在于，將原本可能隨硬件變化而頻繁變動的“聯(lián)網(wǎng)通信驅(qū)動”部分，巧妙地采用了代理設計模式進行獨立封裝，實現(xiàn)了接口與實現(xiàn)的分離。這一舉措使得驅(qū)動的實現(xiàn)可以根據(jù)不同的通信硬件進行靈活的加載與配置，顯著增強了系統(tǒng)的適應性和可擴展性。見圖1，“通信參數(shù)模版”的設計也頗具匠心，它采用了模板參數(shù)的設計模式，可以根據(jù)實際應用需求進行靈活的初始化，進一步提升了系統(tǒng)的靈活性和定制性。最后，通過服務層中的“藍牙生產(chǎn)支持”模塊系統(tǒng)能夠支持個性化的參數(shù)配置，并實現(xiàn)驅(qū)動與“通信參數(shù)模板”的便捷下載，從而滿足了多樣化、定制化的生產(chǎn)需求，為系統(tǒng)的廣泛應用奠定了堅實的基礎。

3" "軟件架構(gòu)驗證與實踐

為了全面而深入地驗證軟件架構(gòu)的各項屬性及其與嵌入式物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域系統(tǒng)通用需求的適配程度，我們采用了ATAM（架構(gòu)權(quán)衡分析方法）與SAAM（軟件架構(gòu)分析方法）相結(jié)合的綜合分析策略[2]。這一方法不僅能夠幫助我們精準地識別架構(gòu)中的優(yōu)勢與潛在風險，還能確保架構(gòu)在滿足當前需求的同時，具備良好的擴展性和可維護性。在架構(gòu)設計中，我們特別設立了一個抽象層，這一層次的存在有效地隔離了軟硬件之間的相關(guān)性。當硬件平臺因技術(shù)升級或應用需求變化而需要變更時，得益于抽象層的存在，整個上層軟件系統(tǒng)無須進行任何修改。我們僅需重新定義該抽象層的接口，以適應新的硬件環(huán)境，隨后鏈接上層的lib庫進行編譯，即可高效地完成項目的重構(gòu)工作。這一設計不僅極大地降低了系統(tǒng)移植的難度和成本，還顯著提升了架構(gòu)的靈活性和可復用性。通過采用ATAM和SAAM進行綜合分析，我們可以確信，該架構(gòu)在滿足嵌入式物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域系統(tǒng)通用需求的同時，也具備了應對未來技術(shù)挑戰(zhàn)和市場需求變化的強大能力。

為了強化架構(gòu)的保密性，我們采取了一項創(chuàng)新的策略：將需要嚴格保密的層次編譯為lib庫。如圖2所示，在本架構(gòu)中，不僅核心操作系統(tǒng)層，就連服務層乃至應用層，均可按照lib庫的方式無縫集成到項目工程中。這一設計巧妙地確保了負責移植的工程師或平臺協(xié)議對接的工程師無法直接接觸到這些核心代碼，從而有效保護了公司的技術(shù)秘密。此外，對于核心代碼的升級與更新，我們依托成熟的軟件版本控制工具，詳細記錄每一次更新的內(nèi)容與注釋說明。這些更新在經(jīng)過嚴格測試后，最終以lib庫的形式對外發(fā)布。這一流程不僅保證了核心代碼的可靠性，免去了重復測試的煩瑣，還確保了代碼的持續(xù)性與可維護性。更為重要的是，這種做法實現(xiàn)了公司核心技術(shù)的自動管理與持續(xù)積累。隨著技術(shù)的不斷迭代與升級，這些核心技術(shù)得以沉淀并不斷優(yōu)化，形成了公司寶貴的技術(shù)資產(chǎn)。同時，這一機制也有效降低了因核心技術(shù)人員流失而可能帶來的項目風險或核心技術(shù)泄露的風險，為公司的長遠發(fā)展提供了堅實的技術(shù)保障。

在架構(gòu)的設計中，我們特別注重其對接各種平臺協(xié)議的靈活性。為實現(xiàn)這一目標，我們巧妙地采用了設計模式中的模板參數(shù)模式。如圖3所示，我們預先生成了一系列通信參數(shù)模板文件，這些文件涵蓋了與不同平臺協(xié)議對接所需的各種參數(shù)配置。在生產(chǎn)的過程中，可以根據(jù)具體的訂單需求，靈活地將所選的模板下載到產(chǎn)品中。這一設計使得系統(tǒng)能夠輕松地與各種平臺協(xié)議進行對接，極大地提升了系統(tǒng)的靈活性和適用性。值得注意的是，由于參數(shù)模板方法僅僅是對系統(tǒng)的配置參數(shù)進行預設，而并不改變系統(tǒng)的動態(tài)特性。因此，在每次參數(shù)模板更新后，我們只需進行簡單的功能驗證，即可確保其正確性和有效性，并隨后發(fā)布。這一特性不僅簡化了系統(tǒng)的測試流程，還提高了系統(tǒng)的更新效率和穩(wěn)定性。通過這種設計，我們的架構(gòu)在保持高度靈活性的同時，也確保了系統(tǒng)的可靠性和可維護性。

模板文件被精準地下載至嵌入式系統(tǒng)中預定的地址存儲空間，確保了數(shù)據(jù)的有效安置。當系統(tǒng)啟動之際，它會自動加載這些模板參數(shù)表至內(nèi)存中，為后續(xù)的通信交互做好充分準備。在與平臺進行數(shù)據(jù)交互時，系統(tǒng)能夠依據(jù)這些模板參數(shù)表，智能化地完成協(xié)議的解析與數(shù)據(jù)包的打包工作，從而確保了通信的準確性和高效性。為了進一步提升平臺對接的智能化水平，并顯著提高模板的開發(fā)效率，我們創(chuàng)新地為模板規(guī)則創(chuàng)建了AI模型。這一模型具備強大的學習與推理能力，只需輸入目標對接平臺的通信協(xié)議，它便能夠迅速分析并理解協(xié)議的核心要素與規(guī)則，隨后模型會自動輸出生成的通信參數(shù)模板，這些模板可精準匹配目標平臺的通信需求，無須人工進行煩瑣的編寫與調(diào)試。通過這一創(chuàng)新設計，我們不僅大幅提升了模板的開發(fā)效率，還確保了模板的準確性與可靠性，為嵌入式系統(tǒng)與各種平臺的快速、高效對接奠定了堅實的基礎。

為了增強架構(gòu)在通信配置方面的靈活性，我們精心采用了代理設計模式并實現(xiàn)了接口與實現(xiàn)的優(yōu)雅分離[3]。如圖4所示，我們在硬件層定義了通信方式的基本接收與發(fā)送接口，這些接口如同橋梁一般，連接著上層應用與底層通信硬件。接口的具體實現(xiàn)被巧妙地指向存儲空間中的絕對位置，這意味著我們可以通過簡單地更新該位置的驅(qū)動代碼，即可實現(xiàn)系統(tǒng)通信方式的靈活切換。這種設計極大地提升了系統(tǒng)的可擴展性與可維護性。實現(xiàn)部分的代碼涵蓋了通信單元的初始化、接收與發(fā)送鏈路層的通信管理，以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換等核心功能。這些代碼經(jīng)過精心設計與優(yōu)化，確保通信過程的高效與穩(wěn)定。通過這一創(chuàng)新設計，我們的架構(gòu)不僅能夠輕松應對多樣化的通信需求，還能在通信方式發(fā)生變化時，實現(xiàn)快速、無縫的切換，為系統(tǒng)的穩(wěn)定運行與靈活部署提供了有力保障。

“藍牙生產(chǎn)支持模塊”在我們的架構(gòu)中舉足輕重，它助力生產(chǎn)檢驗過程高度自動化，大幅提升生產(chǎn)效率，并有效降低人為錯誤風險。此模塊便于下載隨線參數(shù)配置和定制化模塊，為開發(fā)調(diào)試提供極大便利，使工程師能迅速調(diào)整參數(shù)、測試功能并優(yōu)化性能。尤為重要的是，它支持OTA（Over-The-Air）在線升級[4]，實現(xiàn)遠程無線升級，無須設備回廠或有線連接，大幅降低升級成本和復雜度，確保系統(tǒng)及時獲取最新功能更新和安全補丁。藍牙生產(chǎn)支持模塊以卓越性能和靈活性，為架構(gòu)在開發(fā)調(diào)試、生產(chǎn)檢驗及OTA在線升級等方面提供全方位支持，顯著提升系統(tǒng)整體競爭力和用戶體驗。

為了確保嵌入式固件的整體性與獨立性，我們采用了一種創(chuàng)新的分散加載技術(shù)[5]，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。這一技術(shù)使得整個固件能夠被精準地分割并分別加載到各自獨立的Flash空間中。這樣的設計不僅提升了固件的組織結(jié)構(gòu)清晰度，還有效地增強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。特別是對于那些可能發(fā)生變化的代碼部分，如“通信參數(shù)模版”、“通信驅(qū)動模塊”、語音庫文件以及出廠參數(shù)等，我們采用了獨立分離策略。這些模塊可以根據(jù)產(chǎn)線的實際需求進行實時的定制與配置。這種靈活性不僅滿足了多樣化生產(chǎn)的需求，還顯著提高了生產(chǎn)效率。通過分散加載技術(shù)，我們成功地實現(xiàn)了嵌入式固件的高效組織與管理。每個模塊都獨立存在，互不干擾，這不僅簡化了固件的更新與維護流程，還為系統(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化與升級奠定了堅實的基礎。

4" "結(jié)束語

本文所討論的基于模板的嵌入式分層式軟件架構(gòu)，核心技術(shù)包含了分層、模板化、藍牙、動態(tài)加載以及分散存儲以及這些技術(shù)的綜合應用。通過在商用物聯(lián)網(wǎng)智能鎖具項目中采用以該架構(gòu)為中心的開發(fā)方法，快速完成項目開發(fā)，實現(xiàn)了智能門鎖與聯(lián)通、電信以及各種國內(nèi)數(shù)個不同云平臺的互聯(lián)互通，真正實現(xiàn)了一次開發(fā)，智能對接、靈活配置的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)設備開發(fā)的行業(yè)需求。該架構(gòu)的固有屬性保證了以該架構(gòu)為中心所開發(fā)產(chǎn)品可靠性、可維護性、可擴展和可定制性，給予智能制造、柔性生產(chǎn)以強有力的基礎支撐，在知識庫建設和人才培養(yǎng)方面對企業(yè)具有深遠的意義。

參考文獻

[1] 黃寧，陳未如．基于架構(gòu)風格的軟件可靠性評估[J]．計算機系統(tǒng)應用，2009（5）：198-201．

[2] 劉剛．嵌入式通信軟件開發(fā)中的設計模式[J]．計算機工程與設計，2007（6）：1368-1371．

[3] 童小念．嵌入式無線移動通信系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J]．通信學報，2008（01）：121-124+131．

[4] 吳良順．嵌入式軟件故障自動安全升級技術(shù)研究[J]．單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2022（10）：29-31．

[5] 關(guān)峰．謝曉明．基于分散加載的ARM軟件加密方案設計[J]．單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2014（02）：20-23．