物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論第4章

1、Nankai University1物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論Nankai University第第4章章 物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備與嵌入式技術(shù)與嵌入式技術(shù)2Nankai University第第 4章章知知識識點點結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)3Nankai University4.1 智能設(shè)備的研究與發(fā)展智能設(shè)備的研究與發(fā)展 嵌入式系統(tǒng)（嵌入式系統(tǒng)（Embedded System）也稱作）也稱作“嵌入式計嵌入式計算機系統(tǒng)（算機系統(tǒng)（Embedded Computer System）” 它是針對特定的應(yīng)用，剪裁它是針對特定的應(yīng)用，剪裁計算機的計算機的軟件和硬件，以軟件和硬件，以適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、適應(yīng)應(yīng)用系

2、統(tǒng)對功能、可靠性可靠性、成本、體積、功耗有、成本、體積、功耗有嚴格要求的嚴格要求的專用計算機專用計算機系統(tǒng)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)域領(lǐng)域 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的各種智能設(shè)備都需要采用嵌入式技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的各種智能設(shè)備都需要采用嵌入式技術(shù)來進行設(shè)計與制造來進行設(shè)計與制造 嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計理論、方法與工具是物聯(lián)網(wǎng)研究的嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計理論、方法與工具是物聯(lián)網(wǎng)研究的理論基礎(chǔ)，具有重要的借鑒與指導(dǎo)作用。理論基礎(chǔ)，具有重要的借鑒與指導(dǎo)作用。4Nankai University4.1 智能設(shè)備的研究與發(fā)展智能設(shè)備的研究與發(fā)展4.1.1

3、個人計算機個人計算機PC IBM PC、圖形工作站、臺式機、筆記本計算機、一體、圖形工作站、臺式機、筆記本計算機、一體機與機與iPad5Nankai University4.1.2 個人數(shù)字助理個人數(shù)字助理PDA 各種形式的各種形式的PDA6Nankai University4.1.3 GPS接收機接收機 車載車載GPS導(dǎo)航儀、導(dǎo)航儀、GPS手機與手機與GPS手表手表7Nankai University4.1.4 智能手機智能手機 智能手機將是物聯(lián)網(wǎng)中一種重要的智能終端設(shè)智能手機將是物聯(lián)網(wǎng)中一種重要的智能終端設(shè)備，很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的用戶終端設(shè)備是基備，很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的用戶終端設(shè)備是基于智

4、能手機操作系統(tǒng)平臺上開發(fā)的于智能手機操作系統(tǒng)平臺上開發(fā)的 智能手機與個人計算機一樣，具有自己獨立的智能手機與個人計算機一樣，具有自己獨立的嵌入式操作系統(tǒng)，可以由用戶自行安裝軟件、嵌入式操作系統(tǒng)，可以由用戶自行安裝軟件、游戲等第三方服務(wù)提供商的程序游戲等第三方服務(wù)提供商的程序 很多種智能手機已經(jīng)嵌入了很多種智能手機已經(jīng)嵌入了RFID標簽芯片與標簽芯片與傳感器芯片，成為物聯(lián)網(wǎng)中重要的移動通信、傳感器芯片，成為物聯(lián)網(wǎng)中重要的移動通信、移動計算與位置服務(wù)的設(shè)備移動計算與位置服務(wù)的設(shè)備8Nankai University4.1.5 智能家電智能家電 未來的智能家電向智能化、自適應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)化方未來的智能家電

5、向智能化、自適應(yīng)和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展向發(fā)展，智能家電將成為物聯(lián)網(wǎng)中智慧家居應(yīng)智能家電將成為物聯(lián)網(wǎng)中智慧家居應(yīng)用中主要的組成單元用中主要的組成單元 可以接入互聯(lián)網(wǎng)或移動通信網(wǎng)的智能家電稱為可以接入互聯(lián)網(wǎng)或移動通信網(wǎng)的智能家電稱為“網(wǎng)絡(luò)家電網(wǎng)絡(luò)家電” 智能家電可以實現(xiàn)互聯(lián)組成一個家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，智能家電可以實現(xiàn)互聯(lián)組成一個家庭內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，可以與互聯(lián)網(wǎng)連接可以與互聯(lián)網(wǎng)連接 智能家電研究的對象主要是電視、智能家電研究的對象主要是電視、冰箱冰箱、空調(diào)空調(diào)、洗衣機與洗衣機與照明設(shè)備等照明設(shè)備等 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)家電連接的技術(shù)主要是藍牙、實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)家電連接的技術(shù)主要是藍牙、紅外、紅外、電力線電力線、雙絞線雙絞線等等9Nank

6、ai University4.1.6 數(shù)字標牌數(shù)字標牌 數(shù)字標牌（數(shù)字標牌（Digital Signage）是一種新的專業(yè)多媒體視）是一種新的專業(yè)多媒體視聽系統(tǒng)，體現(xiàn)出一種全新的媒體概念，同時也是物聯(lián)網(wǎng)聽系統(tǒng)，體現(xiàn)出一種全新的媒體概念，同時也是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)與人通過視覺交互的工具應(yīng)用系統(tǒng)與人通過視覺交互的工具 數(shù)字標牌在智慧城市與智能交通中的應(yīng)用數(shù)字標牌在智慧城市與智能交通中的應(yīng)用示例示例10Nankai University4.2 嵌入式技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)嵌入式技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)集成電路集成電路4.2.1 微電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要性微電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要性 電子工業(yè)產(chǎn)值的增長速率是國民經(jīng)濟總產(chǎn)

7、值增電子工業(yè)產(chǎn)值的增長速率是國民經(jīng)濟總產(chǎn)值增長速率的長速率的3倍，微電子產(chǎn)業(yè)的增長速率又是電倍，微電子產(chǎn)業(yè)的增長速率又是電子工業(yè)增長速率的子工業(yè)增長速率的2倍倍 國民經(jīng)濟總產(chǎn)值每增加國民經(jīng)濟總產(chǎn)值每增加100300元，就必須有元，就必須有10元電子工業(yè)和元電子工業(yè)和1元集成電路產(chǎn)值的支持元集成電路產(chǎn)值的支持 集成電路對國民經(jīng)濟的貢獻率遠高于其他門類集成電路對國民經(jīng)濟的貢獻率遠高于其他門類的產(chǎn)品，以單位質(zhì)量鋼筋對的產(chǎn)品，以單位質(zhì)量鋼筋對GDP的貢獻為的貢獻為1計計算，小汽車為算，小汽車為5，彩電為，彩電為30，計算機為，計算機為1000，而集成電路的貢獻率則高達而集成電路的貢獻率則高達20001

8、1Nankai University4.2.2 微電子技術(shù)的發(fā)展微電子技術(shù)的發(fā)展 從電子管到晶體管的發(fā)展過程從電子管到晶體管的發(fā)展過程12Nankai University4.2.3 集成電路的研究與發(fā)展集成電路的研究與發(fā)展 從使用分立元器件的電路單元到集成電路芯片從使用分立元器件的電路單元到集成電路芯片13Nankai University摩爾定律的基本內(nèi)容摩爾定律的基本內(nèi)容： 集成電路的集成度每集成電路的集成度每18個月就翻一番個月就翻一番 特征尺寸每特征尺寸每3年縮小年縮小1/2計算機界對于摩爾定律的兩點推論計算機界對于摩爾定律的兩點推論： 微處理器的性能每隔微處理器的性能每隔18個月提

9、高一倍，個月提高一倍，而價格下降一倍而價格下降一倍 用一個美元所能買到的計算機性能，每用一個美元所能買到的計算機性能，每隔隔18個月翻兩番個月翻兩番14Nankai University4.2.4 SoC研究與應(yīng)用研究與應(yīng)用 SoC芯片與集成電路的關(guān)系示意圖芯片與集成電路的關(guān)系示意圖15Nankai University4.3 嵌入式技術(shù)的研究與發(fā)展嵌入式技術(shù)的研究與發(fā)展4.3.1 環(huán)境智能化與嵌入式系統(tǒng)環(huán)境智能化與嵌入式系統(tǒng) 未來未來98%的計算設(shè)備將工作在嵌入式系的計算設(shè)備將工作在嵌入式系統(tǒng)中統(tǒng)中 嵌入式系統(tǒng)是將計算與控制的概念聯(lián)系嵌入式系統(tǒng)是將計算與控制的概念聯(lián)系在一起，并嵌入到物理系統(tǒng)

10、之中，實現(xiàn)在一起，并嵌入到物理系統(tǒng)之中，實現(xiàn)“環(huán)境智能化環(huán)境智能化”的目的的目的 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、RFID應(yīng)用系統(tǒng)是嵌入應(yīng)用系統(tǒng)是嵌入式技術(shù)在實現(xiàn)式技術(shù)在實現(xiàn)“環(huán)境智能化環(huán)境智能化”方向邁出方向邁出了一大步了一大步16Nankai University4.3.2 嵌入式系統(tǒng)的基本概念嵌入式系統(tǒng)的基本概念 微型機應(yīng)用和微處理器芯片技術(shù)的發(fā)展為微型機應(yīng)用和微處理器芯片技術(shù)的發(fā)展為嵌入式系統(tǒng)研究奠定了基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)研究奠定了基礎(chǔ) 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展適應(yīng)了智能控制的需求嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展適應(yīng)了智能控制的需求 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展促進了芯片、操作系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展促進了芯片、操作系統(tǒng)、軟件編

11、程語言與體系結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展軟件編程語言與體系結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展 嵌入式系統(tǒng)的研究體現(xiàn)出多學(xué)科交叉融合嵌入式系統(tǒng)的研究體現(xiàn)出多學(xué)科交叉融合的特點的特點17Nankai University4.3.3 嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的過程嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的過程 第一階段：以可編程序控制器系統(tǒng)為核第一階段：以可編程序控制器系統(tǒng)為核心的研究階段心的研究階段 第二階段：以嵌入式中央處理器第二階段：以嵌入式中央處理器CPU為為基礎(chǔ)、簡單操作系統(tǒng)為核心的階段基礎(chǔ)、簡單操作系統(tǒng)為核心的階段 第三階段：以嵌入式操作系統(tǒng)為標志的第三階段：以嵌入式操作系統(tǒng)為標志的階段階段 第四階段：基于網(wǎng)絡(luò)操作的嵌入式系統(tǒng)第四階段：基于網(wǎng)絡(luò)操作的嵌入式

12、系統(tǒng)發(fā)展階段發(fā)展階段18Nankai University4.4 RFID讀寫器與中間件軟件設(shè)計讀寫器與中間件軟件設(shè)計*4.4.1 RFID應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理應(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)示意圖應(yīng)用系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)示意圖19Nankai University4.4.2 RFID讀寫器結(jié)構(gòu)讀寫器結(jié)構(gòu) 與設(shè)計方法與設(shè)計方法典典型型手手持持式式RFID讀讀寫寫器器結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)20Nankai University4.4.3 RFID中間件的概念與結(jié)構(gòu)中間件的概念與結(jié)構(gòu) RFID中間件結(jié)構(gòu)示意圖中間件結(jié)構(gòu)示意圖21Nankai University4.5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計無線傳感器

13、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計*4.5.1 無線傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)無線傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu) 無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)無線傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)22Nankai University4.5.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計原則無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計原則 微型化與低成本微型化與低成本 低功耗低功耗 靈活性與可擴展性靈活性與可擴展性 魯棒性魯棒性傳感器節(jié)點各部分能量消耗情況傳感器節(jié)點各部分能量消耗情況23Nankai University4.5.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件設(shè)計無線傳感器網(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)系示意圖傳感器節(jié)點硬件部件之間關(guān)系示意圖24Nankai University4.5.4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式操作系統(tǒng)

14、的研究無線傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式操作系統(tǒng)的研究 由于無線傳感器節(jié)點具有數(shù)量大、拓撲由于無線傳感器節(jié)點具有數(shù)量大、拓撲動態(tài)變化、攜帶非常有限的硬件資源等動態(tài)變化、攜帶非常有限的硬件資源等特點，同時計算、存儲和通信等操作需特點，同時計算、存儲和通信等操作需要并發(fā)地調(diào)用系統(tǒng)資源，因此需要研究要并發(fā)地調(diào)用系統(tǒng)資源，因此需要研究適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型操作系統(tǒng)適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型操作系統(tǒng) 目前，最有代表性的是目前，最有代表性的是UC Berkeley的的TinyOS，它是一種面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，它是一種面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型嵌入式操作系統(tǒng)的新型嵌入式操作系統(tǒng)25Nankai University4.5.5 無線

15、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)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計的要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計的要求 面向應(yīng)用面向應(yīng)用 適應(yīng)性適應(yīng)性 能量優(yōu)化能量優(yōu)化 模塊化模塊化 可管理可管理26Nankai University 無線傳感器節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)無線傳感器節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)27Nankai University 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件結(jié)構(gòu)28Nankai University4.6 可穿戴計算研究及其在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用可穿戴計算研究及其在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用 4.6.1 可穿戴計算機在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用可穿戴計算機在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用 可穿戴計算機可以應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)遠程支可穿戴

16、計算機可以應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)遠程支援、搶險救災(zāi)、醫(yī)療救護、社會治安、援、搶險救災(zāi)、醫(yī)療救護、社會治安、新聞采訪、社會娛樂與軍事方面新聞采訪、社會娛樂與軍事方面 為了適應(yīng)不同的用戶需求，不同的可穿為了適應(yīng)不同的用戶需求，不同的可穿戴計算機根據(jù)其功能、與人交互方式的戴計算機根據(jù)其功能、與人交互方式的不同，而被設(shè)計成不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和不不同，而被設(shè)計成不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和不同的外形同的外形29Nankai University4.6.2 可穿戴計算概念產(chǎn)生的背景可穿戴計算概念產(chǎn)生的背景 可穿戴計算技術(shù)體現(xiàn)出可穿戴計算技術(shù)體現(xiàn)出“以人為本，人機合一以人為本，人機合一”和和“無處不在的計算無處不在的計算”的理念，有

17、力地支持著的理念，有力地支持著“從人圍從人圍著計算機轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向計算機圍著人轉(zhuǎn)著計算機轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向計算機圍著人轉(zhuǎn)” ” 這一計算機演變這一計算機演變的重要趨勢的重要趨勢 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，能夠拓展人的視覺、聽覺，增強人的大腦記憶和應(yīng)對外界環(huán)展人的視覺、聽覺，增強人的大腦記憶和應(yīng)對外界環(huán)境變化的能力，延伸了人的大腦與四肢，代表著計算境變化的能力，延伸了人的大腦與四肢，代表著計算機的一個重要的發(fā)展趨勢機的一個重要的發(fā)展趨勢 可穿戴計算技術(shù)研究涉及計算機科學(xué)、智能科學(xué)、光可穿戴計算技術(shù)研究涉及計算機科學(xué)、智能科學(xué)、光學(xué)工程、微電子技術(shù)、傳感

18、器技術(shù)、機械制造、通信學(xué)工程、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、機械制造、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)域個交叉學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域30Nankai University4.6.3 可穿戴計算的定義和主要特征可穿戴計算的定義和主要特征可穿戴計算機與新可穿戴計算機與新的人機交互模式的人機交互模式： 持久性持久性 增強性增強性 介入性介入性可穿戴計算機的六可穿戴計算機的六個屬性個屬性：非限制性非限制性非獨占性非獨占性可覺察性可覺察性可控性可控性環(huán)境感知性環(huán)境感知性交流性交流性31Nankai University可穿戴計算機的三大

19、能力可穿戴計算機的三大能力： 移動計算能力移動計算能力 智能助手能力智能助手能力 多種控制能力多種控制能力32Nankai University4.5.4 可穿戴計算機在提高人的感知能力方面研究的發(fā)展可穿戴計算機在提高人的感知能力方面研究的發(fā)展33Nankai University4.7 智能機器人研究及其在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用智能機器人研究及其在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用4.7.1 機器人的基本概念機器人的基本概念 機器人學(xué)機器人學(xué)(robotics)是一個涉及計算機科學(xué)、人工智能是一個涉及計算機科學(xué)、人工智能方法、智能控制、精密機械、信息傳感技術(shù)、生物工方法、智能控制、精密機械、信息傳感技術(shù)、生物工程的交叉

20、學(xué)科程的交叉學(xué)科 按照應(yīng)用領(lǐng)域進行分類，機器人可以分為民用和軍用按照應(yīng)用領(lǐng)域進行分類，機器人可以分為民用和軍用兩大類兩大類 民用機器人又可以進一步分為工業(yè)機器人、農(nóng)業(yè)機器民用機器人又可以進一步分為工業(yè)機器人、農(nóng)業(yè)機器人、服務(wù)機器人、仿人機器人、特種機器人、微機器人、服務(wù)機器人、仿人機器人、特種機器人、微機器人與微操作機器人，以及空間機器人等人與微操作機器人，以及空間機器人等 軍事機器人按照應(yīng)用的目的分類，可以分為偵察機器軍事機器人按照應(yīng)用的目的分類，可以分為偵察機器人、監(jiān)視機器人、排爆機器人、攻擊機器人與救援機人、監(jiān)視機器人、排爆機器人、攻擊機器人與救援機器人。按照工作環(huán)境分類，可以分為地面軍用機器人、器人。按照工作環(huán)境分類，可以分為地面軍用機器人、水下軍用機器人、空中軍用機器人水下軍用機器人、空中軍用機器人34Nankai University智能機器人在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用前景智能機器人在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用前景 通過網(wǎng)絡(luò)控制的智能機器人正在向我們展示出對世界通過網(wǎng)絡(luò)控制的智能機器人正在向我們展示出對世界超強的感知能力與智能處理能力超強的感知能力與智能處理能力 智能機器人可以在物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境保護、防災(zāi)救災(zāi)、安智能機器人可以在物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境保護、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)