基于Web的嵌入式系统的协作框架设计与应用分析

HOS T E D B Y可在www.sciencedirect.com网站上查阅计算设计与工程学报3（2016）363www.elsevier.com/locate/jcde基于Web的嵌入式系统杨雄，李秀宏，金永珠，黄玄泰韩国首尔延世大学机械工程学院接收日期：2016年1月11日;接收日期：2016年4月25日;接受日期：2016年6月26日2016年6月29日在线发布摘要网络物理系统（CPS）和物联网（IoT）作为嵌入式系统的扩展，是人们关注的热点这些交互式产品和系统包含最流行和使用最频繁的移动设备。此外，这些已被广泛使用，从核电控制系统（NPCS）的控制到物联网家庭服务。信息通信技术（ICT）是当今信息技术（IT）与通信技术（CT）融合的趋势--复杂的主题，现实空间与虚拟空间紧密相连这意味着超级互联社会的到来它指的是一个社会，在这个社会中，围绕人类创新和社会部门变革的各种对象都是通过将要生成的数据之间的联系来实现的此外，还积极研究设计这种系统的工具包然而，只有增加了合作和信息共享的物理对象组成的各种机械和设备。我们已经考虑了一些关于产品的高准入门槛的设计变量。在本研究中，它已经开发了一个基于Web的协作框架，可以是一个宏观的虚拟环境和物理环境之间的灵活连接该框架能够验证和管理物理环境。也可以解决物联网（IoT）环境下基础扩展和发展过程中遇到&2016 年 CAD/CAM 工 程 师 协 会 。 出 版 社 ： Elsevier 这 是 一 个 在 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：网络平台;仿真;物联网;网络物理系统;嵌入式系统1. 介绍信 息 通 信 技 术 （ InformationCommunicationTechnology ， ICT ） ， 即 信 息 技 术 （ InformationTechnology ， IT ） 与 通 信 技 术 （ CommunicationTechnology，CT）的融合体，与现实空间和虚拟空间紧密相连，是网络技术已经有了显着的发展，包括实际工作的致动器，使用传感器进行感测，控制模块的部分。因此，由一个或多个物理对象组成的物理对象之间的合作和信息共享是可能的。n通信地址：韩国首尔西大门区延世路50号延世大学机械工程系第一工程楼N201传真：+82 02 2123 2823。电子邮件地址：shlee@yonsei.ac.kr（S.- H. Lee）。由Cad/Cam工程师协会负责进行同行评审各种机械设备之间的距离越来越近。也就是说，我们可以从各种传感器中获得必要的数据，然后通过提取和分析产生所获得的信息一系列的过程允许以用户为中心的上下文感知服务通过交换和收集状态信息、解释和推理。然而，这种环境比以前没有连接到的环境。除此之外，它具有很高的进入门槛，必须考虑一些设计变量来设计系统。近年来，许多公司和相关社会对物联网（IoT）的认识越来越多。物联网的开始推动了（射频识别）RFID技术和网络的发展。物联网是一个类似的概念，http://dx.doi.org/10.1016/j.jcde.2016.06.0042288-4300/2016 CAD/CAM工程师协会。&出版社：Elsevier这是一个在CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。364W. Yang等人/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）363Fig. 1. 嵌入式系统的搜索趋势。机器对机器（M2M）已经有了，我们必须澄清区别。当被视为通过连接到设备的多达几种类型的通信的现有概念的类别时，物联网被强调为提供可以使更多用户受益的服务。Arduino[13]或Raspberry Pi，如嵌入式系统中使用的部件正在迅速增长。图1展示了Arduino和Raspberry Pi的搜索趋势。健康可穿戴设备就是其中的一个例子。它能够跟踪身体活动，即用户可以检查步数，如心率。在通过使用诸如身体活动的跟踪信息的再处理中，结果可以作为主动提议和建议呈现给用户。从广义上讲，通过上述系统的设计，开发人员可以将虚拟环境与物理进程进行所需的连接。然而，在此过程中，将硬件和软件一起配置的步骤非常困难。此外，它没有核查和管理系统。为了解决这些过程中的瓶颈，构建物联网仿真虚拟环境总是必要的。如果开发人员构建模型并通过模拟提前预测结果，则可以验证开发人员的初始意图，并在实际设计之前减少试错。在这项研究中，开发了一个基于Web的协作框架，该框架可以作为宏观虚拟环境与物理环境以及物理验证/管理之间的灵活连接，以尝试解决基地扩展期间遇到的瓶颈物联网环境的发展过程。本文的组织结构如下。在第2节中，我们讨论了相关研究的趋势，已经完成的，在第3节中，我们描述了拟议的基于Web的协作框架。基于场景的项目将在框架内进行，每 个项 目 的 模拟 环 境都 是 由 开源 应 用程 序 编 程接 口（API）开发的。在第4和第5节中，我们讨论了结果和结论。2. 相关作品由于物联网系统的复杂多样性和独特性，人们在物联网软件开发中遇到了困难。最近，许多关于物联网框架配置的研究已经进行。这些研究包括通过物联网环境的管理和模拟进行设计验证。Lina Yao和Quan Z。Sheng[7]提供了用于管理物联网环境的集成的基于Web的接口，开发人员能够在他们放置的环境中做出更好的决策。Lina Yao和Quan Z。Sheng的系统采用分层框架，可以共享和管理物理传感器生成的信息Ho Dong Ryu和Soo Yong Jeong[8]提供了一种确保物联网中使用的嵌入式系统的可靠性和稳定性的方法。该方法用于在嵌入式系统开发过程中构建软件的虚拟执行环境，分析现实环境中sce- narios函数执行的路径困难，从而有效地进行单元测试，为单元测试的推进提供了一种途径由于同时包括硬件和软件元素，嵌入式系统的开发正在经历困难。近年来，基于Web的建模与仿真研究日益增多[1-3]。Xuan Fu Zha[9] 开 发 了 一 个 基 于 Web 的 微 机 电 系 统（MEMS）协同设计框架。该框架提供了从其他位置参与设计过程的不同用户并链接到社会信息，并且可以从客户端-服务器分布式知识的使用中模拟和验证由设计规则施加在附加过程上，验证预期的性能模拟来自设计规则违反和违反程序过程。嵌入式系统的设计与开发，是软件开发中最复杂的方法之一。构建嵌入式系统软件的虚拟执行环境是嵌入式系统开发的难点。设计和实现这样一个复杂的应用程序的有效方法是建模与仿真（MS）[4-6]。Mohammad Moallem[10]在建模仿真的基础上提出了解决仿真模型与最终嵌入式软件之间不连续性的方法。Seung Woo Kum和Tae Beom Lim[11]提出了物联网集成控制框架，以支持用户的状态信息管理。提出的拟议框架通过提供物联网的集成管理服务和用于服务配置的单一API来还为真正的物联网设备建立了一个测试床，服务，以验证所提出的框架的可靠性Yong Jin Jeong[12]等人描述了原型嵌入式软件开发方法，该方法反映了开发过程中的独特性和差异性，并使用虚拟原型开发方法来模拟嵌入式系统。物联网环境可以被认为是许多嵌入式系统的组合。有必要在系统开发人员之间的合作中了解嵌入式系统各个领域的性质。有效的解决问题的方法，而工作的项目是使用真正的原型。但是，通过创建真实原型进行测试是有限制因此，本研究开发了一个基于Web的协作框架，它可以作为宏观虚拟环境和W. Yang等人/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）363365物理环境物理验证/管理，以尝试解决物联网环境基础扩展和开发过程中遇到的瓶颈。嵌入式系统开发项目比简单的通用软件开发项目要复杂得多，开发人员如果对硬件和软件都有了解，就可以执行成功的项目。项目中需要的通用软件，能够对以前的过程进行多层次的反馈，以改进和发展。然而，在这方面，在嵌入式系统中，由于硬件和软件的同步通过COMET模型可以最大限度地减少嵌入式系统的缺点。3. 系统开发图 2详细说明了Solver的系统架构。目前的框架是在主服务器上开发的，是自愿管理的。在不同的场景中，用户可以预先设计构建物联网虚拟系统环境所需的软件和硬件。虚拟环境的硬件和软件由框图编码器连接。数据库服务器结合主服务器的形式分类为规则、约束提取、项目管理、零件信息。本文提出的Web框架是基于API，采用HTML5、JavaScript、jsPlumb等技术设计的。仿真模块最后由规则引擎、约束引擎、可视化引擎组成。 规则引擎和约束引擎链接到由许多设计变量生成的数据。因此，连接检查和错误检查标志将出现在UI中用户从复选标记中把握其选择后，他们将能够进入下一步，使原型或设计的外观设计，通过使用商业化的CAD程序。图 3给出了本文提出的框架的结构图。用户被连接到检查约束和错误的求解器和管理图二. Solver的系统架构图三. 基于web的仿真框架体系结构。366W. Yang等人/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）363见图4。 用户界面的设计过程。通过GUI（图形用户界面）显示设计数据、零件信息。UI屏幕由Canvas、Coder、部件库组成。首先，用户选择所需的部分，可以通过拖动添加组件。其次，他们可以在画布上设计电路。在电路设计结束后，他们会实时检查每个组件之间的连接。当电路设计完成并正确完成验证后，他们可以在代码编辑器中继续编码部分。变量的声明和类型在代码编辑器中动态配置，具体取决于电路设计部分。代码编辑器有一个逐行测试的功能。它相当于验证已经通过编译器编译的代码代码的详细描述显示在每个代码下面。这些过程如图4所示。框架的组件是以各种形式的API制作的。而且，它在网络上是相互连接的.图五. 框图编码器和场景的连接。3.1. 创意选择/场景选择用户在预设计过程中选择了多种场景此外，他们还想为自己的想法选择必要的软件和硬件。为了保持每个模块之间的兼容性和独立性，框图编码器有助于互连它们中的每一个。图5示出了通过应用接口的框图编码器。用户可以通过框图编码器（传感器、模块设计工具和验证工具）更改高级设置。3.2. 方块图编码器如上所述，我们开发的基于Web的协作框架由每个场景组成。它为用户提供了更简单和更具体的方法。当进入场景时，可以看到这个框架已经开发了一个直观的UI。可以将部件模块化以区分组件之间的关系。此外，还可以实时检查W. Yang等人/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）363367模块是众多功能之一。图6示出了用户可以检查模块化部件中的必要连接。现有的框图编码器之间的差异的特征是模拟的结果，它可以被修改为实时检查。下一节描述了模拟/验证步骤。3.3. 模拟/验证我们开发的框架的最大特点是可以对模拟结果进行动画处理。图7显示了结果程序的动画模拟示例。图7是通过捕获网页中的实现状态而获得的。在上述场景中，如果用户有见图6。 检查每个模块之间的连接。正确连接所有模块化设备后，将出现模拟弹出屏幕。它使用Google API开发。它的运行适合适当的情况，用户可以根据需要体验实时模拟用户通过模拟、集成管理和连续验证结束预设计过程预先设计复杂嵌入式系统的环境比任何现有的系统都要有效。总结了该框架的优点。1. 仿真的可视化：当开发人员在Web环境中创建虚拟原型时，他们可以正确地模拟其工作。因此，它缩短了开发时间。2. 基于Web的框架：另一个用户可以从不同的位置参与设计过程。用户也不需要安装任何软件。3. 独立性和兼容性：它解决了我们用基于Web标准的技术开发的4. 数据分析和管理：对于用户，它将为每个部分提供一个库和指南4. 结果和讨论通过约一年的研究，已开发出基于网络的核查协作框架。为了匹配物联网环境和超连接社会，用户可以选择想法/场景。它们通过使用各种API、模拟和验证来完成预设计开发嵌入式系统预设计的虚拟环境，见图7。 模拟结果。368W. Yang等人/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）363一 个 有 趣 的 研 究 课 题 。 Autodesk 开 发 的 123D 电 路 和Fritzing在FH Potsdam发起的（现在由Fritzing基金会开发）继续研究。表1比较的差异如下。为了验证该框架的有效性和实用性，我们为本科生制作了一门课程，并发布了一个开放服务。所有10所大学和120名学生都发布了这项服务。在设计教育中，理论与实践并行进行，通过简单的操作制作嵌入式系统成为可能。因此，该框架将利用教育方面。5. 结论基于Web的嵌入式系统仿真框架有利于用户在不需要硬件的情况下，在短时间内对某个模块进行完善的仿真，并对嵌入式系统进行深入的研究另外，它还可以对产品进行实时检测，在线控制生产质量.该教育应用程序可以在不购买硬件的情况下开发嵌入式系统。它必须是学生和工程师接受专业教育的有利工具。然而，还有很大的改进余地。我们计划开发一个物联网控制系统，用于控制多个嵌入式系统模块。它支持一些基本的示例，并开发物联网Web应用程序。通过物联网系统的通信和感知信号，人们可以减少人力，获得更多的优势。此外，网页、错误修复定期更新，并计划持续添加模块库。确认这项研究得到了EDISON计划的支持，通过韩国国家研究基金会（NRF），韩国科学部，ICT未来规划，韩国（No.2014M3C1A6038802引用[1] Karl Hribernik等人，与Arduino共同创造物联网-智能产品参与式设计的第一次经验，并流编程（ICE），在：第17届国际会议论文集，IEEE。2011年，第页2比5[2] 梅尔加·恩里克，拉莫斯，迪亚斯·西里亚科·卡斯特罗. Arduino和Kinect项目：设计，构建，打击他们的思想。 Apress 2012：28-31.[3] C. Weichel，M. Lau，D.金，N.比利亚尔河Gellersen，MixFab：个人制造的混合现实环境，在：第32届年度ACM计算机系统中的人为因素会议论文集，2014年，pp. 3855-3864。[4] T.J. Nam，基于草图的硬件-软件集成交互式产品快速原型平台1689-1692年。[5] 姚丽娜，盛泉Z.物联网、物联网、人员和流程的基于Web的管理。IEEE Internet Comput. 2015年：4-7。[6] 柳浩东，郑秀勇，李宇镇，金黄秀。物联网互联网;开发基于日志的测试框架，用于表1与相关发展的比较。123D电路PaulFritzingArduino sSimulator功能基于开源的Arduino仿真系统韩语本地化是实现原理图电路工作是可能的基于Web的Arduino仿真系统基于Web的Arduino仿真系统基于场景的控制台程序免安装电路连线模拟内部代码主要特点每个模块的连接信息由非有线类型的图标表示在弹出窗口中显示的程序信息使用起来很不方便言论最大的缺点不是基于网络的系统。但是开源是可以发展的动态电路设计和元件布局是可能的，但它有少量的零件W. Yang等人/Journal of Computational Design and Engineering 3（2016）363369嵌入式软件韩国信息处理协会，软件。Data Eng. 2015; 4.9：419-24.[7] 查璇基于Web的知识密集型MEMS协同设计支持框架。美国：Springer; 35-71.[8] 莫阿勒米·穆罕默德基于离散事件建模与仿真的实时嵌入式系统开发Diss..渥太华：卡尔顿大学; 14-39。[9] 金胜宇，林泰范，朴正日。支持用户上下文管理的物联网协作模块的设计与实现。Inst. Embed.韩国工程2015：129-37。[10] 郑永进，李正培，李永兰，等。基于原型技术的嵌入式系统虚拟仿真207。韩国信息科学Soc. 2006; 24（8）26-39.[11] Autodesk 123D Design，http：//www.123dapp.com/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/en/[12] Fritzing，http：//fritzing.org/home/publish.html。[13] Arduino主页，http：//arduino.cc。