物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備和嵌入式技術(shù)

第4章

物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備

與嵌入式技術(shù)1第1頁第

4章知識點結(jié)構(gòu)2第2頁4.1智能設(shè)備研究與發(fā)展嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）也稱作“嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)（EmbeddedComputerSystem）”它是針對特定應(yīng)用，剪裁計算機(jī)軟件和硬件，以適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功效、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求專用計算機(jī)系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、家電等各個領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中各種智能設(shè)備都需要采取嵌入式技術(shù)來進(jìn)行設(shè)計與制造嵌入式系統(tǒng)設(shè)計理論、方法與工具是物聯(lián)網(wǎng)研究理論基礎(chǔ)，含有主要借鑒與指導(dǎo)作用。3第3頁4.1智能設(shè)備研究與發(fā)展

4.1.1個人計算機(jī)PCIBMPC、圖形工作站、臺式機(jī)、筆記本計算機(jī)、一體機(jī)與iPad4第4頁4.1.2個人數(shù)字助理PDA

各種形式PDA5第5頁4.1.3GPS接收機(jī)車載GPS導(dǎo)航儀、GPS手機(jī)與GPS手表6第6頁4.1.4智能手機(jī)智能手機(jī)將是物聯(lián)網(wǎng)中一個主要智能終端設(shè)備，很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)用戶終端設(shè)備是基于智能手機(jī)操作系統(tǒng)平臺上開發(fā)智能手機(jī)與個人計算機(jī)一樣，含有自己獨立嵌入式操作系統(tǒng)，能夠由用戶自行安裝軟件、游戲等第三方服務(wù)提供商程序很各種智能手機(jī)已經(jīng)嵌入了RFID標(biāo)簽芯片與傳感器芯片，成為物聯(lián)網(wǎng)中主要移動通信、移動計算與位置服務(wù)設(shè)備7第7頁Today8第8頁4.1.5智能家電未來智能家電向智能化、自適應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，智能家電將成為物聯(lián)網(wǎng)中智慧家居應(yīng)用中主要組成單元能夠接入互聯(lián)網(wǎng)或移動通信網(wǎng)智能家電稱為“網(wǎng)絡(luò)家電”智能家電能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)組成一個家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，能夠與互聯(lián)網(wǎng)連接智能家電研究對象主要是電視、冰箱、空調(diào)、洗衣機(jī)與照明設(shè)備等實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)家電連接技術(shù)主要是藍(lán)牙、紅外、電力線、雙絞線等9第9頁10第10頁11第11頁4.1.6數(shù)字標(biāo)牌數(shù)字標(biāo)牌（DigitalSignage）是一個新專業(yè)多媒體視聽系統(tǒng)，表達(dá)出一個全新媒體概念，同時也是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)與人經(jīng)過視覺交互工具數(shù)字標(biāo)牌在智慧城市與智能交通中應(yīng)用示例12第12頁4.2嵌入式技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)—集成電路

4.2.1微電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要性電子工業(yè)產(chǎn)值增加速率是國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值增加速率3倍，微電子產(chǎn)業(yè)增加速率又是電子工業(yè)增加速率2倍國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值每增加100~300元，就必須有10元電子工業(yè)和1元集成電路產(chǎn)值支持集成電路對國民經(jīng)濟(jì)貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)高于其它門類產(chǎn)品，以單位質(zhì)量鋼筋對GDP貢獻(xiàn)為1計算，小汽車為5，彩電為30，計算機(jī)為1000，而集成電路貢獻(xiàn)率則高達(dá)13第13頁4.2.2微電子技術(shù)發(fā)展從電子管到晶體管發(fā)展過程14第14頁4.2.3集成電路研究與發(fā)展從使用分立元器件電路單元到集成電路芯片15第15頁摩爾定律基本內(nèi)容：集成電路集成度每18個月就翻一番特征尺寸每3年縮小1/2計算機(jī)界對于摩爾定律兩點推論：微處理器性能每隔18個月提升一倍，而價格下降一倍用一個美元所能買到計算機(jī)性能，每隔18個月翻兩番16第16頁4.2.4SoC研究與應(yīng)用SoC芯片與集成電路關(guān)系示意圖17第17頁補(bǔ)充：微電子學(xué)發(fā)展歷史18第18頁4.3嵌入式技術(shù)研究與發(fā)展

4.3.1環(huán)境智能化與嵌入式系統(tǒng)未來98%計算設(shè)備將工作在嵌入式系統(tǒng)中嵌入式系統(tǒng)是將計算與控制概念聯(lián)絡(luò)在一起，并嵌入到物理系統(tǒng)之中，實現(xiàn)“環(huán)境智能化”目標(biāo)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID應(yīng)用系統(tǒng)是嵌入式技術(shù)在實現(xiàn)“環(huán)境智能化”方向邁出了一大步19第19頁4.3.2嵌入式系統(tǒng)基本概念微型機(jī)應(yīng)用和微處理器芯片技術(shù)發(fā)展為嵌入式系統(tǒng)研究奠定了基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)發(fā)展適應(yīng)了智能控制需求嵌入式系統(tǒng)發(fā)展促進(jìn)了芯片、操作系統(tǒng)、軟件編程語言與體系結(jié)構(gòu)研究發(fā)展嵌入式系統(tǒng)研究表達(dá)出多學(xué)科交叉融合特點20第20頁4.3.3嵌入式系統(tǒng)發(fā)展過程第一階段：以可編程序控制器系統(tǒng)為關(guān)鍵研究階段第二階段：以嵌入式中央處理器CPU為基礎(chǔ)、簡單操作系統(tǒng)為關(guān)鍵階段(eg.PLC)第三階段：以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志階段第四階段：基于網(wǎng)絡(luò)操作嵌入式系統(tǒng)發(fā)展階段21第21頁22第22頁4.4RFID讀寫器與中間件軟件設(shè)計*

4.4.1RFID應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理RFID應(yīng)用系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)示意圖23第23頁4.4.2RFID讀寫器結(jié)構(gòu)

與設(shè)計方法典型手持式RFID讀寫器結(jié)構(gòu)24第24頁4.4.3RFID中間件概念與結(jié)構(gòu)RFID中間件結(jié)構(gòu)示意圖25第25頁4.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計*

4.5.1無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)26第26頁4.5.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)微型化與低成本低功耗靈活性與可擴(kuò)展性魯棒性傳感器節(jié)點各部分能量消耗情況27第27頁4.5.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件設(shè)計傳感器節(jié)點硬件部件之間關(guān)系示意圖28第28頁4.5.4無線傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式操作系統(tǒng)研究因為無線傳感器節(jié)點含有數(shù)量大、拓?fù)鋭討B(tài)改變、攜帶非常有限硬件資源等特點，同時計算、存放和通信等操作需要并發(fā)地調(diào)用系統(tǒng)資源，所以需要研究適合傳感器網(wǎng)絡(luò)新型操作系統(tǒng)當(dāng)前，最有代表性是UCBerkeleyTinyOS，它是一個面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)新型嵌入式操作系統(tǒng)29第29頁4.5.5無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計要求面向應(yīng)用適應(yīng)性能量優(yōu)化模塊化可管理30第30頁無線傳感器節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)31第31頁無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件結(jié)構(gòu)32第32頁4.6可穿戴計算研究及其在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用

4.6.1可穿戴計算機(jī)在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用可穿戴計算機(jī)能夠應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程支援、搶險救災(zāi)、醫(yī)療救護(hù)、社會治安、新聞采訪、社會娛樂與軍事方面為了適應(yīng)不一樣用戶需求，不一樣可穿戴計算機(jī)依據(jù)其功效、與人交互方式不一樣，而被設(shè)計成不一樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)和不一樣外形33第33頁產(chǎn)品分類介紹對智能穿戴各類別中含有影響力產(chǎn)品進(jìn)行介紹第34頁產(chǎn)品類別之智能眼鏡智能眼鏡：它最多能夠?qū)⒀坨R、智能手機(jī)、攝像機(jī)等各種功效集于一身，經(jīng)過電腦化鏡片將信息展現(xiàn)在用戶眼前；另外能夠幫助隨時進(jìn)行拍照、錄像、看視頻，省去了拿出相機(jī)、手機(jī)和PAD麻煩。第35頁功效：

集眼鏡、智能手機(jī)、攝像機(jī)于一身價格：1500美元Google眼鏡智能眼鏡產(chǎn)品1

語音：支持語音控制如“OKGlass，Takeapicture”第36頁功效：拍照和攝像價格：540元Thanko眼鏡型攝像機(jī)智能眼鏡產(chǎn)品2

語音：不支持第37頁功效：運動、視頻流、web和社交媒體價格：未知ReconJet

智能眼鏡產(chǎn)品3

語音：不支持第38頁產(chǎn)品類別之智能手環(huán)智能手環(huán)：用戶能夠經(jīng)過手環(huán)統(tǒng)計日常生活中鍛煉、睡眠和飲食等實數(shù)據(jù)，無屏幕顯示，可將這些數(shù)據(jù)與Pad、手機(jī)等智能終端同時，起到經(jīng)過數(shù)據(jù)指導(dǎo)健康生活作用。當(dāng)前，智能手環(huán)中還未有集成語音控制功效。第39頁功效：跟蹤睡眠運動和飲食、空閑提醒、智能鬧鐘等功效，而且對監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行分析上市時間：JawboneUP智能手環(huán)產(chǎn)品1價格：國行版1100人民幣第40頁功效：專為好感人士設(shè)計，測量你天天運動量，只需佩戴或手持NikeFuelband智能手環(huán)產(chǎn)品2上市時間：價格：1080人民幣第41頁功效：首款基于baidu云開發(fā)便攜式可穿戴設(shè)備，可實現(xiàn)活動監(jiān)測、睡眠監(jiān)測、活動提醒、智能鬧鐘四大功效baidu咕咚手環(huán)智能手環(huán)產(chǎn)品3上市時間：.6價格：399人民幣第42頁產(chǎn)品類別之智能手表智能手表：是將手表內(nèi)置智能化系統(tǒng)、搭載智能手機(jī)系統(tǒng)而連接于網(wǎng)絡(luò)而實現(xiàn)多功效，能同時手機(jī)中電話、短信、郵件、照片、音樂等。3月媒體報道，蘋果、三星、谷歌等科技巨頭都將在晚些時候公布智能手表。美國市場研究企業(yè)CurrentAnalysis分析師AviGreengart認(rèn)為可能會成為智能手表元年。第43頁功效：最值得期待智能手表！Appleiwatch智能手表產(chǎn)品1第44頁功效：支持閱讀來電信息，短信，日歷等，支持郵件/微博/人人以及更多擴(kuò)展應(yīng)用，支持音樂播放。這款智能手表是智能手機(jī)擴(kuò)展，設(shè)置需要經(jīng)過應(yīng)用與智能手機(jī)相連然后進(jìn)行設(shè)置上市時間：索尼SmartWatch智能手表產(chǎn)品2價格：149美元第45頁功效：接聽電話，看短信，郵件提醒，拍照等上市時間：價格：2398人民幣三星Gear智能手表產(chǎn)品3語音功效：支持三星SVoice語音操控命令，在國內(nèi)與baidu達(dá)成戰(zhàn)略合作，內(nèi)置baidu語音助手實現(xiàn)對應(yīng)功效調(diào)用第46頁SonySmartWatch智能手表產(chǎn)品4功效：定位智能手機(jī)配件（當(dāng)前只支持配對安卓手機(jī)），撥打電話、看短信、看郵件、拍照、查天氣等上市時間：價格：1000左右人民幣第47頁硅谷創(chuàng)業(yè)Pebble智能手表產(chǎn)品5功效：GPS定位、音樂播放、接打電話、收發(fā)郵件、收發(fā)短信、日歷提醒、接收Facebook、天氣以及推文信息

上市時間：價格：149美元第48頁谷歌Nexus和motoI’mwatch智能手表產(chǎn)品6功效：未知。最值得期待是谷歌now語音功效加入，將帶來智能手表語音應(yīng)用風(fēng)暴。第49頁產(chǎn)品類別之智能穿著智能穿著：衣服、褲子、鞋子、衣物裝飾等，統(tǒng)計日常生活中運動情況、睡眠和飲食等實數(shù)據(jù)，無屏幕顯示，可將這些數(shù)據(jù)與Pad、手機(jī)等智能終端同時，起到經(jīng)過數(shù)據(jù)指導(dǎo)健康生活作用。第50頁功效：搜集運動情況價格：￥169Google智能鞋智能穿著產(chǎn)品1

語音：未知第51頁功效：搜集運動情況價格：未定價小米智能鞋智能穿著產(chǎn)品2

語音：未知第52頁功效：率領(lǐng)盲人到其指定位置，同時防止可能發(fā)生碰撞以及障礙物躲避等。價格：暫無LeChal智能盲人鞋智能穿著產(chǎn)品3

語音：未知第53頁功效：娛樂，讓音樂興趣者可隨時拍打節(jié)拍價格：29美元鼓點T恤智能穿著產(chǎn)品3

語音：無第54頁功效：佩戴于胸前衣服之上，能夠在人們從事跑步、足球以及網(wǎng)球等體育運動時監(jiān)測統(tǒng)計人體奔跑速度、反應(yīng)速度、跳躍力、心率以及鍛煉時間價格：$20AdidasmiCoachX_Cell

智能穿著產(chǎn)品4上市時間：未知第55頁4.6.2可穿戴計算概念產(chǎn)生背景可穿戴計算技術(shù)表達(dá)出“以人為本，人機(jī)合一”和“無處不在計算”理念，有力地支持著“從人圍著計算機(jī)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向計算機(jī)圍著人轉(zhuǎn)”這一計算機(jī)演變主要趨勢可穿戴計算系統(tǒng)與人類緊密結(jié)合成一個整體，能夠拓展人視覺、聽覺，增強(qiáng)人大腦記憶和應(yīng)對外界環(huán)境改變能力，延伸了人大腦與四肢，代表著計算機(jī)一個主要發(fā)展趨勢可穿戴計算技術(shù)研究包括計算機(jī)科學(xué)、智能科學(xué)、光學(xué)工程、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、機(jī)械制造、通信科學(xué)、生物學(xué)、數(shù)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)設(shè)計技術(shù)等多個交叉學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域56第56頁4.6.3可穿戴計算定義和主要特征可穿戴計算機(jī)與新人機(jī)交互模式：持久性增強(qiáng)性介入性可穿戴計算機(jī)六個屬性：非限制性非獨占性可覺察性可控性環(huán)境感知性交流性57第57頁可穿戴計算機(jī)三大能力：移動計算能力智能助手能力各種控制能力58第58頁4.5.4可穿戴計算機(jī)在提升人感知能力方面研究發(fā)展59第59頁4.7智能機(jī)器人研究及其在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用60第60頁4.7.1機(jī)器人基本概念機(jī)器人學(xué)(robotics)是一個包括計算機(jī)科學(xué)、人工智能方法、智能控制、精密機(jī)械、信息傳感技術(shù)、生物工程交叉學(xué)科按照應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分類，機(jī)器人能夠分為民用和軍用兩大類民用機(jī)器人又能夠深入分為工業(yè)機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、仿人機(jī)器人、特種機(jī)器人、微機(jī)器人與微操作機(jī)器人，以及空間機(jī)器人等軍事機(jī)器人按照應(yīng)用目標(biāo)分類，能夠分為偵察機(jī)器人、監(jiān)視機(jī)器人、排爆機(jī)器人、攻擊機(jī)器人與救援機(jī)器人。按照工作環(huán)境分類，能夠分為地面軍用機(jī)器人、水下軍用機(jī)器人、空中軍用機(jī)器人61第61頁智能機(jī)器人在物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用前景經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)控制智能機(jī)器人正在向我們展示出對世界超強(qiáng)感知能力與智能處理能力智能機(jī)器人能夠在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境保護(hù)、防災(zāi)救災(zāi)、安全保衛(wèi)、航空航天、軍事，以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域應(yīng)用中發(fā)揮主要作用，必將成為物聯(lián)網(wǎng)主要組員物聯(lián)網(wǎng)催生很多含有計算、通信、控制、協(xié)同和自治性能智能設(shè)備，實現(xiàn)實時感知、