從嵌入式系統(tǒng)視角看物聯(lián)網(wǎng)[優(yōu)選課資]

1、從嵌入式系統(tǒng)視角看物聯(lián)網(wǎng)從嵌入式系統(tǒng)視角看物聯(lián)網(wǎng) 1教學(xué)類別 n物聯(lián)網(wǎng)是微處理器基礎(chǔ)上，通用計(jì)算機(jī)與嵌入 式系統(tǒng)發(fā)展到高級階段相融合的產(chǎn)物。物聯(lián)網(wǎng) 有3個(gè)源頭，即智慧源頭、網(wǎng)絡(luò)源頭、物聯(lián)源 頭。物聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)源頭是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的4 個(gè)通道接口。 n物聯(lián)網(wǎng)中有眾多的物聯(lián)系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)事件是物 聯(lián)系統(tǒng)中的行為過程。從眾多的物聯(lián)網(wǎng)事件中， 可以歸納出物聯(lián)網(wǎng)的6個(gè)行為元素，即物儲(chǔ)、 物感、物控、物信、物管、物互。物聯(lián)網(wǎng)與云 計(jì)算的關(guān)系是基礎(chǔ)與上層建筑的關(guān)系：物聯(lián)網(wǎng) 是智慧地球，云計(jì)算是智慧服務(wù)。 2教學(xué)類別 n 物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算不是概念炒作，是互聯(lián)網(wǎng)與嵌 入式系統(tǒng)發(fā)展到高級階段的融合。物聯(lián)網(wǎng)涵蓋 了眾多的

2、學(xué)科領(lǐng)域，需要從眾多學(xué)科視角來科 學(xué)地詮釋物聯(lián)網(wǎng)。 n作為物聯(lián)網(wǎng)重要技術(shù)組成的嵌入式系統(tǒng)，具有 20多年的物聯(lián)史，嵌入式系統(tǒng)視角有助于深刻 地、全面地理解物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)。 3教學(xué)類別 1 從嵌入式系統(tǒng)看物聯(lián)網(wǎng)從嵌入式系統(tǒng)看物聯(lián)網(wǎng) 圖1 物聯(lián)網(wǎng)的源頭 4教學(xué)類別 n物聯(lián)網(wǎng)是通用計(jì)算機(jī)與嵌入式系統(tǒng)發(fā)展到高級 階段相互融合的產(chǎn)物。物聯(lián)網(wǎng)囊括了多個(gè)學(xué)科、 具有無限多的應(yīng)用領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)有3個(gè)源頭：智 慧源頭、網(wǎng)絡(luò)源頭、物聯(lián)源頭。智慧源頭是微 處理器，網(wǎng)絡(luò)源頭是互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)源頭是嵌入 式系統(tǒng)。科學(xué)地定義物聯(lián)時(shí)，必須充分了解這3 個(gè)源頭。圖1表示了物聯(lián)網(wǎng)3個(gè)源頭的發(fā)展史， 以及它們之間的相互關(guān)系。 5教學(xué)類別

3、 n無論是通用計(jì)算機(jī)還是嵌入式系統(tǒng)，都可以溯源到半導(dǎo) 體集成電路。微處理器的誕生，為人類工具提供了一個(gè) 歸一化的智力內(nèi)核。在微處理器基礎(chǔ)上的通用微處理器 與嵌入式處理器，形成了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)知識(shí)革命的兩大分 支，即通用計(jì)算機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)展時(shí)代。 n通用計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了從智慧平臺(tái)到互聯(lián)網(wǎng)的獨(dú)立發(fā)展道路； 嵌入式系統(tǒng)則經(jīng)歷了智慧物聯(lián)到局域智慧物聯(lián)的獨(dú)立發(fā) 展道路。 n物聯(lián)網(wǎng)是通用計(jì)算機(jī)的互聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)單機(jī)或局域 物聯(lián)在高級階段融合后的產(chǎn)物。物聯(lián)網(wǎng)中，微處理器的 無限彌散，以“智慧細(xì)胞”形式，賦予物聯(lián)網(wǎng)“智慧地 球”的智力特征。 6教學(xué)類別 n與嵌入式系統(tǒng)一樣，與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的學(xué)科有微 電子學(xué)科、

4、計(jì)算機(jī)學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科，以及 無限多的對象應(yīng)用學(xué)科。任何一個(gè)學(xué)科在詮釋 物聯(lián)網(wǎng)時(shí)都會(huì)出現(xiàn)片面性。在詮釋物聯(lián)網(wǎng)時(shí)要 有“瞎子摸象”的精神，綜合不同的視角，才 能逼近事物的真相。 n如今物聯(lián)網(wǎng)定義又面臨無法說清“物聯(lián)”本質(zhì) 的尷尬境地。其根本原因是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)知識(shí)革 命進(jìn)入通用計(jì)算機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)展時(shí) 代后，嵌入式系統(tǒng)沒有獨(dú)立的形態(tài)，人們看到 的只是通用計(jì)算機(jī)，看不到嵌入式系統(tǒng)，也不 了解嵌入式系統(tǒng)的物聯(lián)史。 7教學(xué)類別 2 物聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)源頭物聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)源頭 n物聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)源頭是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng) 誕生于嵌入式處理器，距今已有30多年歷史。 早期經(jīng)歷過電子技術(shù)領(lǐng)域獨(dú)立發(fā)展的單片機(jī)時(shí) 代，

5、進(jìn)入21世紀(jì)，才進(jìn)入多學(xué)科支持下的嵌入 式系統(tǒng)時(shí)代。從誕生之日起，嵌入式系統(tǒng)就以 “物聯(lián)”為己任，具體表現(xiàn)為：嵌入到物理對 象中，實(shí)現(xiàn)物理對象的智能化。 8教學(xué)類別 從圖可以看出，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)可以提供多種物聯(lián)方式。 以傳感器網(wǎng)為例，傳感器不具有網(wǎng)絡(luò)接入功能，只有通過 嵌入式處理器，或嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的傳感器轉(zhuǎn)化成 智能傳感器，才有可能通過相互通道的通信接口互聯(lián)， 或接入互聯(lián)網(wǎng)，形成局域傳感器網(wǎng)或廣域傳感器網(wǎng)。 9教學(xué)類別 n嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)歷經(jīng)20多年的發(fā)展，目前大多 具備了局域互聯(lián)或與互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)功能。嵌入 式應(yīng)用系統(tǒng)的局域網(wǎng)有RS485總線網(wǎng)、CAN總線 網(wǎng)、現(xiàn)場總線網(wǎng)，以及無線傳感

6、器網(wǎng)絡(luò)等。嵌 入式應(yīng)用系統(tǒng)、嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)局域網(wǎng)與互聯(lián) 網(wǎng)的聯(lián)接，將互聯(lián)網(wǎng)變革到物聯(lián)網(wǎng)。 nGPS誕生后，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)了物理對 象的時(shí)空定位，保證了物聯(lián)網(wǎng)中物理對象有完 整的物理信息。在實(shí)現(xiàn)物聯(lián)時(shí)，不僅可以提供 物理對象的物理參數(shù)、物理狀態(tài)信息，還可提 供物理對象的時(shí)空定位信息。 10教學(xué)類別 3 物聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)事件物聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)事件 n物質(zhì)世界的無限性，決定了物聯(lián)網(wǎng)有無限多的 應(yīng)用領(lǐng)域。然而，每一個(gè)具體的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用， 都存在于一個(gè)具體的物聯(lián)系統(tǒng)之中。如交通違 章管理物聯(lián)系統(tǒng)、智能家居物聯(lián)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程醫(yī) 療救助物聯(lián)系統(tǒng)、超市自助收費(fèi)物聯(lián)系統(tǒng)等。 而物聯(lián)系統(tǒng)中每一個(gè)獨(dú)立、自主的任務(wù)過程，

7、都可稱為物聯(lián)網(wǎng)事件。 n可以將不同物聯(lián)系統(tǒng)中眾多的物聯(lián)網(wǎng)事件，抽 象出3個(gè)典型的行為過程，即事件激勵(lì)、信息處 理、結(jié)果輸出，簡稱激勵(lì)、處理與輸出。一個(gè) 完整的物聯(lián)網(wǎng)事件，應(yīng)該具備有這樣3個(gè)行為過 程。 11教學(xué)類別 n3.1 物聯(lián)網(wǎng)事件的事件激勵(lì)物聯(lián)網(wǎng)事件的事件激勵(lì) n物聯(lián)網(wǎng)事件的事件激勵(lì)，是物聯(lián)網(wǎng)事件的激發(fā) 因素。只有當(dāng)物聯(lián)系統(tǒng)中出現(xiàn)了激勵(lì)事件時(shí)， 才能引發(fā)物聯(lián)網(wǎng)事件。例如，在交通違章管理 的物聯(lián)系統(tǒng)中，“違章事件”便是物聯(lián)網(wǎng)事件 的“激勵(lì)”行為。 n物聯(lián)網(wǎng)事件的“激勵(lì)”，有主動(dòng)激勵(lì)與被 動(dòng)激勵(lì)。主動(dòng)激勵(lì)常常是可預(yù)見性的激勵(lì)，被 動(dòng)激勵(lì)常常是不可預(yù)見性的。在智能家居物聯(lián) 系統(tǒng)中，主人對家居電

8、氣設(shè)備產(chǎn)生遠(yuǎn)程監(jiān)控的 激勵(lì)是主動(dòng)激勵(lì)；智能家居中出現(xiàn)火情的事件 激勵(lì)，是被動(dòng)激勵(lì)。 12教學(xué)類別 n在物聯(lián)網(wǎng)事件的“激勵(lì)”中，通常都包含有對 其后信息處理、控制輸出要求的原始信息。如 智能家居物聯(lián)系統(tǒng)中，主人產(chǎn)生對電冰箱的遠(yuǎn) 程監(jiān)測，是要了解冰箱中的食品狀況；對空調(diào) 的遠(yuǎn)程控制，是要開啟或關(guān)閉空調(diào)。 13教學(xué)類別 n3.2 物聯(lián)網(wǎng)事件的信息處理物聯(lián)網(wǎng)事件的信息處理 n物聯(lián)網(wǎng)事件的信息處理，是物聯(lián)系統(tǒng)在收到激勵(lì)事件后， 對激勵(lì)事件的原始信息解讀，以及在物聯(lián)網(wǎng)事件路徑上， 與信息相關(guān)的采集、分析、處理與傳輸。例如，智能家 居物聯(lián)系統(tǒng)中，出現(xiàn)了手機(jī)方式的空調(diào)遠(yuǎn)程控制“激 勵(lì)”，便會(huì)啟動(dòng)對手機(jī)事件激勵(lì)

9、中的信息解讀，核實(shí)主 人身份，了解控制對象及對象的狀態(tài)要求控制；隨后采 集室內(nèi)溫度、濕度狀況，作出空調(diào)機(jī)的運(yùn)行策略。 n在物聯(lián)網(wǎng)事件路徑上，有眾多微處理器，它們以通 用計(jì)算機(jī)或嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)方式彌散在物聯(lián)系統(tǒng)中。每 個(gè)微處理器都承擔(dān)著相應(yīng)的信息處理任務(wù)。 14教學(xué)類別 n3.3 物聯(lián)網(wǎng)事件的結(jié)果輸出物聯(lián)網(wǎng)事件的結(jié)果輸出 n物聯(lián)網(wǎng)事件的結(jié)果輸出，是物聯(lián)系統(tǒng)對事件激勵(lì)的響應(yīng)。 在物聯(lián)網(wǎng)事件的“激勵(lì)”中包含了結(jié)果輸出的目的性要 求。在物聯(lián)系統(tǒng)正常狀態(tài)下，結(jié)果輸出會(huì)充分滿足這些 要求。例如，智能家居物聯(lián)系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程空調(diào)控制必須 滿足主人對空調(diào)設(shè)定的控制要求；遠(yuǎn)程冰箱監(jiān)視必須提 供滿足主人要求了解的真實(shí)

10、儲(chǔ)物信息。 n物聯(lián)網(wǎng)事件的結(jié)果輸出，是物聯(lián)系統(tǒng)對事件激勵(lì)的 響應(yīng)。因此，物聯(lián)網(wǎng)事件響應(yīng)的結(jié)果輸出，有不同的實(shí) 時(shí)性要求。智能家居物聯(lián)系統(tǒng)中出現(xiàn)出火警、匪警，必 須立即有報(bào)警響應(yīng)；遠(yuǎn)程冰箱監(jiān)視時(shí)，須及時(shí)告知冰箱 儲(chǔ)存狀況；遠(yuǎn)程空調(diào)控制時(shí)，可設(shè)定在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上完 成某個(gè)控制行為。 15教學(xué)類別 4 物聯(lián)網(wǎng)事件的行為元素物聯(lián)網(wǎng)事件的行為元素 n物聯(lián)網(wǎng)中有眾多的物聯(lián)系統(tǒng)，物聯(lián)系統(tǒng)中有眾 多的物聯(lián)網(wǎng)事件。不同的物聯(lián)網(wǎng)事件中，有許 多不同的行為過程。物聯(lián)網(wǎng)中所有不同的事件 過程，都有相同的行為元素。這些行為元素是 物儲(chǔ)、物感、物控、物信、物管、物互。 n4.1 物聯(lián)網(wǎng)的存儲(chǔ)（物儲(chǔ)）物聯(lián)網(wǎng)的存儲(chǔ)（物儲(chǔ)） n

11、物聯(lián)網(wǎng)的物儲(chǔ)元素，是物聯(lián)系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)事件 的知識(shí)與信息的存儲(chǔ)行為。為了滿足物聯(lián)系統(tǒng) 構(gòu)建，滿足物聯(lián)網(wǎng)事件過程要求，物聯(lián)系統(tǒng)中 要有足夠的存儲(chǔ)空間，以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)系統(tǒng)中的電 子化信息存儲(chǔ)、真實(shí)世界的虛擬存儲(chǔ)、虛實(shí)交 互存儲(chǔ)與數(shù)字文件存儲(chǔ)等。 16教學(xué)類別 n物聯(lián)網(wǎng)的物儲(chǔ)元素，是物聯(lián)系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)事件的知識(shí)與 信息的存儲(chǔ)行為。為了滿足物聯(lián)系統(tǒng)構(gòu)建，滿足物聯(lián)網(wǎng) 事件過程要求，物聯(lián)系統(tǒng)中要有足夠的存儲(chǔ)空間，以實(shí) 現(xiàn)物聯(lián)系統(tǒng)中的電子化信息存儲(chǔ)、真實(shí)世界的虛擬存儲(chǔ)、 虛實(shí)交互存儲(chǔ)與數(shù)字文件存儲(chǔ)等。 n電子化信息存儲(chǔ)，是網(wǎng)絡(luò)實(shí)名制的個(gè)人及其財(cái)、物 等的信息存儲(chǔ)；真實(shí)世界的虛擬存儲(chǔ)，是數(shù)字化系統(tǒng)的 虛擬存儲(chǔ)，如網(wǎng)上

12、銀行、購物系統(tǒng)、交管系統(tǒng)、認(rèn)證系 統(tǒng)等的虛擬系統(tǒng)存儲(chǔ)；虛實(shí)交互存儲(chǔ)，是物理認(rèn)證環(huán)境 基礎(chǔ)上的數(shù)字化虛擬存儲(chǔ)，如FPGA的物理認(rèn)證基礎(chǔ)上， 集成電路、IP核、系統(tǒng)電路的數(shù)字化文件虛擬存儲(chǔ)；數(shù) 字文件存儲(chǔ)，則是圖片、音視頻資料存儲(chǔ)。 n物聯(lián)網(wǎng)中所有的存儲(chǔ)內(nèi)容，都是“0、1”數(shù)字符號(hào) 歸一化的量子化存儲(chǔ)，與具體物質(zhì)無關(guān)。因此，物聯(lián)網(wǎng) 中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以在不同的介質(zhì)中轉(zhuǎn)換或傳輸。 17教學(xué)類別 n4.2 物聯(lián)網(wǎng)的傳感（物感）物聯(lián)網(wǎng)的傳感（物感） n物聯(lián)網(wǎng)的物感元素，是物聯(lián)系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)事件對物理 對象的感知行為。這種感知行為的源頭，是嵌入式應(yīng)用 系統(tǒng)中傳感器的數(shù)字釆集。通常，物聯(lián)網(wǎng)事件中的感知 有物理對

13、象的物理狀態(tài)感知、物理參數(shù)感知，以及感知 對象的時(shí)間、空間定位信息。物理狀態(tài)信息與物理參數(shù) 信息感知，通常是依靠各種類型的傳感器將物理狀態(tài)與 物理參數(shù)變換成模擬電壓信號(hào)，然后通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換技 術(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，輸入到嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的前向通道 中；物理對象的時(shí)間、空間定位信息則依靠嵌入式應(yīng)用 系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)的交互感知。 18教學(xué)類別 n4.3 物聯(lián)網(wǎng)的控制（物控）物聯(lián)網(wǎng)的控制（物控） n物聯(lián)網(wǎng)的物控元素，是物聯(lián)系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)事 件對物理對象的控制行為。這種行為的源頭， 是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)控制接口對物理對象的伺控 制能力。通常，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)控制接口輸出 的是歸一化的“0、1”數(shù)字化信號(hào)，必須通過

14、相 應(yīng)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換技術(shù)轉(zhuǎn)換成物理對象能夠接受的 模擬控制信號(hào)。 19教學(xué)類別 n4.4 物聯(lián)網(wǎng)的信息（物信）物聯(lián)網(wǎng)的信息（物信） n物聯(lián)網(wǎng)的物信元素，是物聯(lián)系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)事 件的信息流管理行為。物聯(lián)網(wǎng)事件的信息流管 理行為，主要表現(xiàn)在“0、1”歸一化數(shù)字化信息 的變換與傳輸。它包括“0、1”數(shù)字化信息在不 同介體中的變換、在不同運(yùn)行環(huán)節(jié)間的編碼與 譯碼，以及各種形式的信號(hào)傳輸，如有線傳輸 與無線傳輸、電纜與光纜傳輸、電力網(wǎng)載波傳 輸與通信網(wǎng)的GPRS傳輸?shù)取?20教學(xué)類別 n4.5 物聯(lián)網(wǎng)管理（物管）物聯(lián)網(wǎng)管理（物管） n物聯(lián)網(wǎng)的物管元素，是物聯(lián)系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)事件行為的 管理與調(diào)度。這些管理與

15、調(diào)度有數(shù)據(jù)流管理、數(shù)據(jù)庫互 聯(lián)、數(shù)據(jù)信息釆集、認(rèn)證、信息流通中的許可證制度、 安全性管理與經(jīng)營性管理等。 n4.6 物聯(lián)網(wǎng)交互（物互）物聯(lián)網(wǎng)交互（物互） n物聯(lián)網(wǎng)的物互元素，是物聯(lián)系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)事件相 關(guān)者的交互行為。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中的4個(gè)物聯(lián)界面， 即傳感界面、控制界面、人機(jī)界面、通信界面。每個(gè)界 面都有相對應(yīng)的物理對象，如傳感界面的傳感器、控制 界面的物理對象、人機(jī)界面的人、通信界面的其他嵌入 式應(yīng)用系統(tǒng)或嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)。多種 物理對象、多種物聯(lián)界面，形成了人、物、網(wǎng)（廣域/ 局域）的多種交互行為。 21教學(xué)類別 結(jié)語結(jié)語 物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代是通用微處理器與嵌入式處理器兩大分支從分離到 融合發(fā)展的新時(shí)代，即微處理器從一分為二到合二為一的變革時(shí)代。 物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)與物理對象緊密相連，可以實(shí)現(xiàn)人-物交互、人-物 -人交互、無時(shí)空限制的智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。 物聯(lián)網(wǎng)的智慧源頭是半導(dǎo)體微處理器，物聯(lián)源頭是嵌入式應(yīng)用 系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)源頭是互聯(lián)網(wǎng)。在物聯(lián)網(wǎng)中，它們各司其職。 物聯(lián)網(wǎng)是多學(xué)科的綜合產(chǎn)物，任何一個(gè)學(xué)科對物聯(lián)網(wǎng)的闡述都 會(huì)有局限性。綜合各個(gè)學(xué)科視角，全面、科學(xué)地闡明物聯(lián)網(wǎng)，對我 國物聯(lián)網(wǎng)