從嵌入式系統(tǒng)視角看物聯網[優(yōu)選課資]

1、從嵌入式系統(tǒng)視角看物聯網從嵌入式系統(tǒng)視角看物聯網 1教學類別 n物聯網是微處理器基礎上，通用計算機與嵌入 式系統(tǒng)發(fā)展到高級階段相融合的產物。物聯網 有3個源頭，即智慧源頭、網絡源頭、物聯源 頭。物聯網的物聯源頭是嵌入式應用系統(tǒng)的4 個通道接口。 n物聯網中有眾多的物聯系統(tǒng)，物聯網事件是物 聯系統(tǒng)中的行為過程。從眾多的物聯網事件中， 可以歸納出物聯網的6個行為元素，即物儲、 物感、物控、物信、物管、物互。物聯網與云 計算的關系是基礎與上層建筑的關系：物聯網 是智慧地球，云計算是智慧服務。 2教學類別 n 物聯網與云計算不是概念炒作，是互聯網與嵌 入式系統(tǒng)發(fā)展到高級階段的融合。物聯網涵蓋 了眾多的

2、學科領域，需要從眾多學科視角來科 學地詮釋物聯網。 n作為物聯網重要技術組成的嵌入式系統(tǒng)，具有 20多年的物聯史，嵌入式系統(tǒng)視角有助于深刻 地、全面地理解物聯網的本質。 3教學類別 1 從嵌入式系統(tǒng)看物聯網從嵌入式系統(tǒng)看物聯網 圖1 物聯網的源頭 4教學類別 n物聯網是通用計算機與嵌入式系統(tǒng)發(fā)展到高級 階段相互融合的產物。物聯網囊括了多個學科、 具有無限多的應用領域。物聯網有3個源頭：智 慧源頭、網絡源頭、物聯源頭。智慧源頭是微 處理器，網絡源頭是互聯網，物聯源頭是嵌入 式系統(tǒng)?？茖W地定義物聯時，必須充分了解這3 個源頭。圖1表示了物聯網3個源頭的發(fā)展史， 以及它們之間的相互關系。 5教學類別

3、 n無論是通用計算機還是嵌入式系統(tǒng)，都可以溯源到半導 體集成電路。微處理器的誕生，為人類工具提供了一個 歸一化的智力內核。在微處理器基礎上的通用微處理器 與嵌入式處理器，形成了現代計算機知識革命的兩大分 支，即通用計算機與嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展時代。 n通用計算機經歷了從智慧平臺到互聯網的獨立發(fā)展道路； 嵌入式系統(tǒng)則經歷了智慧物聯到局域智慧物聯的獨立發(fā) 展道路。 n物聯網是通用計算機的互聯網與嵌入式系統(tǒng)單機或局域 物聯在高級階段融合后的產物。物聯網中，微處理器的 無限彌散，以“智慧細胞”形式，賦予物聯網“智慧地 球”的智力特征。 6教學類別 n與嵌入式系統(tǒng)一樣，與物聯網相關的學科有微 電子學科、

4、計算機學科、電子技術學科，以及 無限多的對象應用學科。任何一個學科在詮釋 物聯網時都會出現片面性。在詮釋物聯網時要 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如今物聯網定義又面臨無法說清“物聯”本質 的尷尬境地。其根本原因是現代計算機知識革 命進入通用計算機與嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展時 代后，嵌入式系統(tǒng)沒有獨立的形態(tài)，人們看到 的只是通用計算機，看不到嵌入式系統(tǒng)，也不 了解嵌入式系統(tǒng)的物聯史。 7教學類別 2 物聯網的物聯源頭物聯網的物聯源頭 n物聯網的物聯源頭是嵌入式系統(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。 早期經歷過電子技術領域獨立發(fā)展的單片機時 代，

5、進入21世紀，才進入多學科支持下的嵌入 式系統(tǒng)時代。從誕生之日起，嵌入式系統(tǒng)就以 “物聯”為己任，具體表現為：嵌入到物理對 象中，實現物理對象的智能化。 8教學類別 從圖可以看出，嵌入式應用系統(tǒng)可以提供多種物聯方式。 以傳感器網為例，傳感器不具有網絡接入功能，只有通過 嵌入式處理器，或嵌入式應用系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的傳感器轉化成 智能傳感器，才有可能通過相互通道的通信接口互聯， 或接入互聯網，形成局域傳感器網或廣域傳感器網。 9教學類別 n嵌入式應用系統(tǒng)歷經20多年的發(fā)展，目前大多 具備了局域互聯或與互聯網的聯網功能。嵌入 式應用系統(tǒng)的局域網有RS485總線網、CAN總線 網、現場總線網，以及無線傳感

6、器網絡等。嵌 入式應用系統(tǒng)、嵌入式應用系統(tǒng)局域網與互聯 網的聯接，將互聯網變革到物聯網。 nGPS誕生后，嵌入式應用系統(tǒng)則實現了物理對 象的時空定位，保證了物聯網中物理對象有完 整的物理信息。在實現物聯時，不僅可以提供 物理對象的物理參數、物理狀態(tài)信息，還可提 供物理對象的時空定位信息。 10教學類別 3 物聯網與物聯網事件物聯網與物聯網事件 n物質世界的無限性，決定了物聯網有無限多的 應用領域。然而，每一個具體的物聯網應用， 都存在于一個具體的物聯系統(tǒng)之中。如交通違 章管理物聯系統(tǒng)、智能家居物聯系統(tǒng)、遠程醫(yī) 療救助物聯系統(tǒng)、超市自助收費物聯系統(tǒng)等。 而物聯系統(tǒng)中每一個獨立、自主的任務過程，

7、都可稱為物聯網事件。 n可以將不同物聯系統(tǒng)中眾多的物聯網事件，抽 象出3個典型的行為過程，即事件激勵、信息處 理、結果輸出，簡稱激勵、處理與輸出。一個 完整的物聯網事件，應該具備有這樣3個行為過 程。 11教學類別 n3.1 物聯網事件的事件激勵物聯網事件的事件激勵 n物聯網事件的事件激勵，是物聯網事件的激發(fā) 因素。只有當物聯系統(tǒng)中出現了激勵事件時， 才能引發(fā)物聯網事件。例如，在交通違章管理 的物聯系統(tǒng)中，“違章事件”便是物聯網事件 的“激勵”行為。 n物聯網事件的“激勵”，有主動激勵與被 動激勵。主動激勵常常是可預見性的激勵，被 動激勵常常是不可預見性的。在智能家居物聯 系統(tǒng)中，主人對家居電

8、氣設備產生遠程監(jiān)控的 激勵是主動激勵；智能家居中出現火情的事件 激勵，是被動激勵。 12教學類別 n在物聯網事件的“激勵”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 智能家居物聯系統(tǒng)中，主人產生對電冰箱的遠 程監(jiān)測，是要了解冰箱中的食品狀況；對空調 的遠程控制，是要開啟或關閉空調。 13教學類別 n3.2 物聯網事件的信息處理物聯網事件的信息處理 n物聯網事件的信息處理，是物聯系統(tǒng)在收到激勵事件后， 對激勵事件的原始信息解讀，以及在物聯網事件路徑上， 與信息相關的采集、分析、處理與傳輸。例如，智能家 居物聯系統(tǒng)中，出現了手機方式的空調遠程控制“激 勵”，便會啟動對手機事件激勵

9、中的信息解讀，核實主 人身份，了解控制對象及對象的狀態(tài)要求控制；隨后采 集室內溫度、濕度狀況，作出空調機的運行策略。 n在物聯網事件路徑上，有眾多微處理器，它們以通 用計算機或嵌入式應用系統(tǒng)方式彌散在物聯系統(tǒng)中。每 個微處理器都承擔著相應的信息處理任務。 14教學類別 n3.3 物聯網事件的結果輸出物聯網事件的結果輸出 n物聯網事件的結果輸出，是物聯系統(tǒng)對事件激勵的響應。 在物聯網事件的“激勵”中包含了結果輸出的目的性要 求。在物聯系統(tǒng)正常狀態(tài)下，結果輸出會充分滿足這些 要求。例如，智能家居物聯系統(tǒng)中，遠程空調控制必須 滿足主人對空調設定的控制要求；遠程冰箱監(jiān)視必須提 供滿足主人要求了解的真實

10、儲物信息。 n物聯網事件的結果輸出，是物聯系統(tǒng)對事件激勵的 響應。因此，物聯網事件響應的結果輸出，有不同的實 時性要求。智能家居物聯系統(tǒng)中出現出火警、匪警，必 須立即有報警響應；遠程冰箱監(jiān)視時，須及時告知冰箱 儲存狀況；遠程空調控制時，可設定在某個時間點上完 成某個控制行為。 15教學類別 4 物聯網事件的行為元素物聯網事件的行為元素 n物聯網中有眾多的物聯系統(tǒng)，物聯系統(tǒng)中有眾 多的物聯網事件。不同的物聯網事件中，有許 多不同的行為過程。物聯網中所有不同的事件 過程，都有相同的行為元素。這些行為元素是 物儲、物感、物控、物信、物管、物互。 n4.1 物聯網的存儲（物儲）物聯網的存儲（物儲） n

11、物聯網的物儲元素，是物聯系統(tǒng)中物聯網事件 的知識與信息的存儲行為。為了滿足物聯系統(tǒng) 構建，滿足物聯網事件過程要求，物聯系統(tǒng)中 要有足夠的存儲空間，以實現物聯系統(tǒng)中的電 子化信息存儲、真實世界的虛擬存儲、虛實交 互存儲與數字文件存儲等。 16教學類別 n物聯網的物儲元素，是物聯系統(tǒng)中物聯網事件的知識與 信息的存儲行為。為了滿足物聯系統(tǒng)構建，滿足物聯網 事件過程要求，物聯系統(tǒng)中要有足夠的存儲空間，以實 現物聯系統(tǒng)中的電子化信息存儲、真實世界的虛擬存儲、 虛實交互存儲與數字文件存儲等。 n電子化信息存儲，是網絡實名制的個人及其財、物 等的信息存儲；真實世界的虛擬存儲，是數字化系統(tǒng)的 虛擬存儲，如網上

12、銀行、購物系統(tǒng)、交管系統(tǒng)、認證系 統(tǒng)等的虛擬系統(tǒng)存儲；虛實交互存儲，是物理認證環(huán)境 基礎上的數字化虛擬存儲，如FPGA的物理認證基礎上， 集成電路、IP核、系統(tǒng)電路的數字化文件虛擬存儲；數 字文件存儲，則是圖片、音視頻資料存儲。 n物聯網中所有的存儲內容，都是“0、1”數字符號 歸一化的量子化存儲，與具體物質無關。因此，物聯網 中存儲的數據可以在不同的介質中轉換或傳輸。 17教學類別 n4.2 物聯網的傳感（物感）物聯網的傳感（物感） n物聯網的物感元素，是物聯系統(tǒng)中，物聯網事件對物理 對象的感知行為。這種感知行為的源頭，是嵌入式應用 系統(tǒng)中傳感器的數字釆集。通常，物聯網事件中的感知 有物理對

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

14、相 應的數/模轉換技術轉換成物理對象能夠接受的 模擬控制信號。 19教學類別 n4.4 物聯網的信息（物信）物聯網的信息（物信） n物聯網的物信元素，是物聯系統(tǒng)中，物聯網事 件的信息流管理行為。物聯網事件的信息流管 理行為，主要表現在“0、1”歸一化數字化信息 的變換與傳輸。它包括“0、1”數字化信息在不 同介體中的變換、在不同運行環(huán)節(jié)間的編碼與 譯碼，以及各種形式的信號傳輸，如有線傳輸 與無線傳輸、電纜與光纜傳輸、電力網載波傳 輸與通信網的GPRS傳輸等。 20教學類別 n4.5 物聯網管理（物管）物聯網管理（物管） n物聯網的物管元素，是物聯系統(tǒng)中，物聯網事件行為的 管理與調度。這些管理與

15、調度有數據流管理、數據庫互 聯、數據信息釆集、認證、信息流通中的許可證制度、 安全性管理與經營性管理等。 n4.6 物聯網交互（物互）物聯網交互（物互） n物聯網的物互元素，是物聯系統(tǒng)中，物聯網事件相 關者的交互行為。嵌入式應用系統(tǒng)中的4個物聯界面， 即傳感界面、控制界面、人機界面、通信界面。每個界 面都有相對應的物理對象，如傳感界面的傳感器、控制 界面的物理對象、人機界面的人、通信界面的其他嵌入 式應用系統(tǒng)或嵌入式應用系統(tǒng)的局域網與廣域網。多種 物理對象、多種物聯界面，形成了人、物、網（廣域/ 局域）的多種交互行為。 21教學類別 結語結語 物聯網時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)展的新時代，即微處理器從一分為二到合二為一的變革時代。 物聯網是一個與物理對象緊密相連，可以實現人-物交互、人-物 -人交互、無時空限制的智能化網絡系統(tǒng)。 物聯網的智慧源頭是半導體微處理器，物聯源頭是嵌入式應用 系統(tǒng)，網絡源頭是互聯網。在物聯網中，它們各司其職。 物聯網是多學科的綜合產物，任何一個學科對物聯網的闡述都 會有局限性。綜合各個學科視角，全面、科學地闡明物聯網，對我 國物聯網