物聯(lián)網工程導論第4章課件

1吳功宜吳英編著《物聯(lián)網工程導論》1《物聯(lián)網工程導論》第4章

物聯(lián)網智能設備

與嵌入式技術2第4章

物聯(lián)網智能設備

與嵌入式技術2第

4章知識點結構3第34.1智能設備的研究與發(fā)展嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）也稱作“嵌入式計算機系統(tǒng)（EmbeddedComputerSystem）”它是針對特定的應用，剪裁計算機的軟件和硬件，以適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)已經用于工業(yè)、農業(yè)、軍事、家電等各個領域物聯(lián)網環(huán)境中的各種智能設備都需要采用嵌入式技術來進行設計與制造嵌入式系統(tǒng)的設計理論、方法與工具是物聯(lián)網研究的理論基礎，具有重要的借鑒與指導作用。44.1智能設備的研究與發(fā)展嵌入式系統(tǒng)（Embedded4.1智能設備的研究與發(fā)展

4.1.1個人計算機PCIBMPC、圖形工作站、臺式機、筆記本計算機、一體機與iPad54.1智能設備的研究與發(fā)展

4.1.1個人計算機PC4.1.2個人數字助理PDA

各種形式的PDA64.1.2個人數字助理PDA

各種形式的PDA64.1.3GPS接收機車載GPS導航儀、GPS手機與GPS手表74.1.3GPS接收機車載GPS導航儀、GPS手機與GP4.1.4智能手機智能手機將是物聯(lián)網中一種重要的智能終端設備，很多物聯(lián)網應用系統(tǒng)的用戶終端設備是基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、游戲等第三方服務提供商的程序很多種智能手機已經嵌入了RFID標簽芯片與傳感器芯片，成為物聯(lián)網中重要的移動通信、移動計算與位置服務的設備84.1.4智能手機智能手機將是物聯(lián)網中一種重要的智能終端4.1.5智能家電未來的智能家電向智能化、自適應和網絡化方向發(fā)展，智能家電將成為物聯(lián)網中智慧家居應用中主要的組成單元可以接入互聯(lián)網或移動通信網的智能家電稱為“網絡家電”智能家電可以實現互聯(lián)組成一個家庭內部網絡，可以與互聯(lián)網連接智能家電研究的對象主要是電視、冰箱、空調、洗衣機與照明設備等實現網絡家電連接的技術主要是藍牙、紅外、電力線、雙絞線等94.1.5智能家電未來的智能家電向智能化、自適應和網絡化4.1.6數字標牌數字標牌（DigitalSignage）是一種新的專業(yè)多媒體視聽系統(tǒng)，體現出一種全新的媒體概念，同時也是物聯(lián)網應用系統(tǒng)與人通過視覺交互的工具數字標牌在智慧城市與智能交通中的應用示例104.1.6數字標牌數字標牌（DigitalSignag4.2嵌入式技術發(fā)展的基礎—集成電路

4.2.1微電子技術和產業(yè)發(fā)展的重要性電子工業(yè)產值的增長速率是國民經濟總產值增長速率的3倍，微電子產業(yè)的增長速率又是電子工業(yè)增長速率的2倍國民經濟總產值每增加100~300元，就必須有10元電子工業(yè)和1元集成電路產值的支持集成電路對國民經濟的貢獻率遠高于其他門類的產品，以單位質量鋼筋對GDP的貢獻為1計算，小汽車為5，彩電為30，計算機為1000，而集成電路的貢獻率則高達2000114.2嵌入式技術發(fā)展的基礎—集成電路

4.2.1微電子4.2.2微電子技術的發(fā)展從電子管到晶體管的發(fā)展過程124.2.2微電子技術的發(fā)展從電子管到晶體管的發(fā)展過程124.2.3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134.2.3集成電路的研究與發(fā)展從使用分立元器件的電路單元摩爾定律的基本內容：集成電路的集成度每18個月就翻一番特征尺寸每3年縮小1/2計算機界對于摩爾定律的兩點推論：微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格下降一倍用一個美元所能買到的計算機性能，每隔18個月翻兩番14摩爾定律的基本內容：144.2.4SoC研究與應用SoC芯片與集成電路的關系示意圖154.2.4SoC研究與應用SoC芯片與集成電路的關系示意4.3嵌入式技術的研究與發(fā)展

4.3.1環(huán)境智能化與嵌入式系統(tǒng)未來98%的計算設備將工作在嵌入式系統(tǒng)中嵌入式系統(tǒng)是將計算與控制的概念聯(lián)系在一起，并嵌入到物理系統(tǒng)之中，實現“環(huán)境智能化”的目的無線傳感器網絡、RFID應用系統(tǒng)是嵌入式技術在實現“環(huán)境智能化”方向邁出了一大步164.3嵌入式技術的研究與發(fā)展

4.3.1環(huán)境智能化與4.3.2嵌入式系統(tǒng)的基本概念微型機應用和微處理器芯片技術的發(fā)展為嵌入式系統(tǒng)研究奠定了基礎嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展適應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)、軟件編程語言與體系結構研究的發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的研究體現出多學科交叉融合的特點174.3.2嵌入式系統(tǒng)的基本概念微型機應用和微處理器芯片技4.3.3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)為核心的研究階段第二階段：以嵌入式中央處理器CPU為基礎、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)為標志的階段第四階段：基于網絡操作的嵌入式系統(tǒng)發(fā)展階段184.3.3嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的過程第一階段：以可編程序控制器4.4RFID讀寫器與中間件軟件設計*

4.4.1RFID應用系統(tǒng)結構與工作原理RFID應用系統(tǒng)原理結構示意圖194.4RFID讀寫器與中間件軟件設計*

4.4.1R4.4.2RFID讀寫器結構

與設計方法典型手持式RFID讀寫器結構204.4.2RFID讀寫器結構

與設計方法典204.4.3RFID中間件的概念與結構RFID中間件結構示意圖214.4.3RFID中間件的概念與結構RFID中間件結構示4.5無線傳感器網絡節(jié)點設計*

4.5.1無線傳感器節(jié)點的結構無線傳感器節(jié)點結構224.5無線傳感器網絡節(jié)點設計*

4.5.1無線傳感器4.5.2無線傳感器網絡節(jié)點設計原則微型化與低成本低功耗靈活性與可擴展性魯棒性傳感器節(jié)點各部分能量消耗情況234.5.2無線傳感器網絡節(jié)點設計原則微型化與低成本234.5.3無線傳感器網絡節(jié)點硬件設計傳感器節(jié)點硬件部件之間關系示意圖244.5.3無線傳感器網絡節(jié)點硬件設計傳感器節(jié)點硬件部件之4.5.4無線傳感器網絡嵌入式操作系統(tǒng)的研究由于無線傳感器節(jié)點具有數量大、拓撲動態(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要并發(fā)地調用系統(tǒng)資源，因此需要研究適合傳感器網絡的新型操作系統(tǒng)目前，最有代表性的是UCBerkeley的TinyOS，它是一種面向無線傳感器網絡的新型嵌入式操作系統(tǒng)254.5.4無線傳感器網絡嵌入式操作系統(tǒng)的研究由于無線傳感4.5.5無線傳感器網絡系統(tǒng)應用軟件設計無線傳感器網絡系統(tǒng)應用軟件設計的要求面向應用適應性能量優(yōu)化模塊化可管理264.5.5無線傳感器網絡系統(tǒng)應用軟件設計無線傳感器網絡系無線傳感器節(jié)點軟件結構27無線傳感器節(jié)點軟件結構27無線傳感器網絡軟件結構28無線傳感器網絡軟件結構284.6可穿戴計算研究及其在物聯(lián)網中的應用

4.6.1可穿戴計算機在物聯(lián)網中的應用可穿戴計算機可以應用于物聯(lián)網遠程支援、搶險救災、醫(yī)療救護、社會治安、新聞采訪、社會娛樂與軍事方面為了適應不同的用戶需求，不同的可穿戴計算機根據其功能、與人交互方式的不同，而被設計成不同的內部結構和不同的外形294.6可穿戴計算研究及其在物聯(lián)網中的應用

4.6.14.6.2可穿戴計算概念產生的背景可穿戴計算技術體現出“以人為本，人機合一”和“無處不在的計算”的理念，有力地支持著“從人圍著計算機轉，轉向計算機圍著人轉”這一計算機演變的重要趨勢可穿戴計算系統(tǒng)與人類緊密結合成一個整體，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，代表著計算機的一個重要的發(fā)展趨勢可穿戴計算技術研究涉及計算機科學、智能科學、光學工程、微電子技術、傳感器技術、機械制造、通信科學、生物學、數學、生物醫(yī)學、工業(yè)設計技術等多個交叉學科和技術領域304.6.2可穿戴計算概念產生的背景可穿戴計算技術體現出“4.6.3可穿戴計算的定義和主要特征可穿戴計算機與新的人機交互模式：持久性增強性介入性可穿戴計算機的六個屬性：非限制性非獨占性可覺察性可控性環(huán)境感知性交流性314.6.3可穿戴計算的定義和主要特征可穿戴計算機與新可穿可穿戴計算機的三大能力：移動計算能力智能助手能力多種控制能力32可穿戴計算機的三大能力：324.5.4可穿戴計算機在提高人的感知能力方面研究的發(fā)展334.5.4可穿戴計算機在提高人的感知能力方面研究的發(fā)展34.7智能機器人研究及其在物聯(lián)網中的應用

4.7.1機器人的基本概念機器人學(robotics)是一個涉及計算機科學、人工智能方法、智能控制、精密機械、信息傳感技術、生物工程的交叉學科按照應用領域進行分類，機器人可以分為民用和軍用兩大類民用機器人又可以進一步分為工業(yè)機器人、農業(yè)機器人、服務機器人、仿人機器人、特種機器人、微機器人與微操作機器人，以及空間機器人等軍事機器人按照應用的目的分類，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344.7智能機器人研究及其在物聯(lián)網中的應用

4.7.1機智能機器人在物聯(lián)網中的應用前景通過網絡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智能機器人可以在物聯(lián)網的環(huán)境保護、防災救災、安全保衛(wèi)、航空航天、軍事，以及工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領域的應用中發(fā)揮重要的作用，必將成為物聯(lián)網的重要成員物聯(lián)網催生很多具有計算、通信、控制、協(xié)同和自治性能的智能設備，實現實時感知、動態(tài)控制和信息服務，智能機器人與物聯(lián)網研究有很多共通之處智能機器人的研究成果與研究方法對于物聯(lián)網理論研究具有極為重要的指導與借鑒意義35智能機器人在物聯(lián)網中的應用前景通過網絡控制的智能機器人正在向4.7.2智能機器人在物聯(lián)網中的應用工業(yè)機器人農業(yè)機器人364.7.2智能機器人在物聯(lián)網中的應用工業(yè)機器人36服務機器人37服務機器人37醫(yī)用機器人38醫(yī)用機器人38微機器人與微操作機器人仿人機器人39微機器人與微操作機器人39特種機器人：

救援機器人、危險環(huán)境工作的機器人與探險機器人40特種機器人：40軍用機器人41軍用機器人41利用無人機對建筑物結構安全性數據的移動采集利用海底爬行機器人實現海底環(huán)境數據的移動采集42利用無人機對建筑物結構安全性數據的移動采集4243吳功宜吳英編著《物聯(lián)網工程導論》1《物聯(lián)網工程導論》第4章

物聯(lián)網智能設備

與嵌入式技術44第4章

物聯(lián)網智能設備

與嵌入式技術2第

4章知識點結構45第34.1智能設備的研究與發(fā)展嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）也稱作“嵌入式計算機系統(tǒng)（EmbeddedComputerSystem）”它是針對特定的應用，剪裁計算機的軟件和硬件，以適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)已經用于工業(yè)、農業(yè)、軍事、家電等各個領域物聯(lián)網環(huán)境中的各種智能設備都需要采用嵌入式技術來進行設計與制造嵌入式系統(tǒng)的設計理論、方法與工具是物聯(lián)網研究的理論基礎，具有重要的借鑒與指導作用。464.1智能設備的研究與發(fā)展嵌入式系統(tǒng)（Embedded4.1智能設備的研究與發(fā)展

4.1.1個人計算機PCIBMPC、圖形工作站、臺式機、筆記本計算機、一體機與iPad474.1智能設備的研究與發(fā)展

4.1.1個人計算機PC4.1.2個人數字助理PDA

各種形式的PDA484.1.2個人數字助理PDA

各種形式的PDA64.1.3GPS接收機車載GPS導航儀、GPS手機與GPS手表494.1.3GPS接收機車載GPS導航儀、GPS手機與GP4.1.4智能手機智能手機將是物聯(lián)網中一種重要的智能終端設備，很多物聯(lián)網應用系統(tǒng)的用戶終端設備是基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、游戲等第三方服務提供商的程序很多種智能手機已經嵌入了RFID標簽芯片與傳感器芯片，成為物聯(lián)網中重要的移動通信、移動計算與位置服務的設備504.1.4智能手機智能手機將是物聯(lián)網中一種重要的智能終端4.1.5智能家電未來的智能家電向智能化、自適應和網絡化方向發(fā)展，智能家電將成為物聯(lián)網中智慧家居應用中主要的組成單元可以接入互聯(lián)網或移動通信網的智能家電稱為“網絡家電”智能家電可以實現互聯(lián)組成一個家庭內部網絡，可以與互聯(lián)網連接智能家電研究的對象主要是電視、冰箱、空調、洗衣機與照明設備等實現網絡家電連接的技術主要是藍牙、紅外、電力線、雙絞線等514.1.5智能家電未來的智能家電向智能化、自適應和網絡化4.1.6數字標牌數字標牌（DigitalSignage）是一種新的專業(yè)多媒體視聽系統(tǒng)，體現出一種全新的媒體概念，同時也是物聯(lián)網應用系統(tǒng)與人通過視覺交互的工具數字標牌在智慧城市與智能交通中的應用示例524.1.6數字標牌數字標牌（DigitalSignag4.2嵌入式技術發(fā)展的基礎—集成電路

4.2.1微電子技術和產業(yè)發(fā)展的重要性電子工業(yè)產值的增長速率是國民經濟總產值增長速率的3倍，微電子產業(yè)的增長速率又是電子工業(yè)增長速率的2倍國民經濟總產值每增加100~300元，就必須有10元電子工業(yè)和1元集成電路產值的支持集成電路對國民經濟的貢獻率遠高于其他門類的產品，以單位質量鋼筋對GDP的貢獻為1計算，小汽車為5，彩電為30，計算機為1000，而集成電路的貢獻率則高達2000534.2嵌入式技術發(fā)展的基礎—集成電路

4.2.1微電子4.2.2微電子技術的發(fā)展從電子管到晶體管的發(fā)展過程544.2.2微電子技術的發(fā)展從電子管到晶體管的發(fā)展過程124.2.3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554.2.3集成電路的研究與發(fā)展從使用分立元器件的電路單元摩爾定律的基本內容：集成電路的集成度每18個月就翻一番特征尺寸每3年縮小1/2計算機界對于摩爾定律的兩點推論：微處理器的性能每隔18個月提高一倍，而價格下降一倍用一個美元所能買到的計算機性能，每隔18個月翻兩番56摩爾定律的基本內容：144.2.4SoC研究與應用SoC芯片與集成電路的關系示意圖574.2.4SoC研究與應用SoC芯片與集成電路的關系示意4.3嵌入式技術的研究與發(fā)展

4.3.1環(huán)境智能化與嵌入式系統(tǒng)未來98%的計算設備將工作在嵌入式系統(tǒng)中嵌入式系統(tǒng)是將計算與控制的概念聯(lián)系在一起，并嵌入到物理系統(tǒng)之中，實現“環(huán)境智能化”的目的無線傳感器網絡、RFID應用系統(tǒng)是嵌入式技術在實現“環(huán)境智能化”方向邁出了一大步584.3嵌入式技術的研究與發(fā)展

4.3.1環(huán)境智能化與4.3.2嵌入式系統(tǒng)的基本概念微型機應用和微處理器芯片技術的發(fā)展為嵌入式系統(tǒng)研究奠定了基礎嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展適應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)、軟件編程語言與體系結構研究的發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的研究體現出多學科交叉融合的特點594.3.2嵌入式系統(tǒng)的基本概念微型機應用和微處理器芯片技4.3.3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)為核心的研究階段第二階段：以嵌入式中央處理器CPU為基礎、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)為標志的階段第四階段：基于網絡操作的嵌入式系統(tǒng)發(fā)展階段604.3.3嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的過程第一階段：以可編程序控制器4.4RFID讀寫器與中間件軟件設計*

4.4.1RFID應用系統(tǒng)結構與工作原理RFID應用系統(tǒng)原理結構示意圖614.4RFID讀寫器與中間件軟件設計*

4.4.1R4.4.2RFID讀寫器結構

與設計方法典型手持式RFID讀寫器結構624.4.2RFID讀寫器結構

與設計方法典204.4.3RFID中間件的概念與結構RFID中間件結構示意圖634.4.3RFID中間件的概念與結構RFID中間件結構示4.5無線傳感器網絡節(jié)點設計*

4.5.1無線傳感器節(jié)點的結構無線傳感器節(jié)點結構644.5無線傳感器網絡節(jié)點設計*

4.5.1無線傳感器4.5.2無線傳感器網絡節(jié)點設計原則微型化與低成本低功耗靈活性與可擴展性魯棒性傳感器節(jié)點各部分能量消耗情況654.5.2無線傳感器網絡節(jié)點設計原則微型化與低成本234.5.3無線傳感器網絡節(jié)點硬件設計傳感器節(jié)點硬件部件之間關系示意圖664.5.3無線傳感器網絡節(jié)點硬件設計傳感器節(jié)點硬件部件之4.5.4無線傳感器網絡嵌入式操作系統(tǒng)的研究由于無線傳感器節(jié)點具有數量大、拓撲動態(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要并發(fā)地調用系統(tǒng)資源，因此需要研究適合傳感器網絡的新型操作系統(tǒng)目前，最有代表性的是UCBerkeley的TinyOS，它是一種面向無線傳感器網絡的新型嵌入式操作系統(tǒng)674.5.4無線傳感器網絡嵌入式操作系統(tǒng)的研究由于無線傳感4.5.5無線傳感器網絡系統(tǒng)應用軟件設計無線傳感器網絡系統(tǒng)應用軟件設計的要求面向應用適應性能量優(yōu)化模塊化可管理684.5.5無線傳感器網絡系統(tǒng)應用軟件設計無線傳感器網絡系無線傳感器節(jié)點軟件結構69無線傳感器節(jié)點軟件結構27無線傳感器網絡軟件結構70無線傳感器網絡軟件結構284.6可穿戴計算研究及其在物聯(lián)網中的應用

4.6.1可穿戴計算機在物聯(lián)網中的應用可穿戴計算機可以應用于物聯(lián)網遠程支援、搶險救災、醫(yī)療救護、社會治安、新聞采訪、社會娛樂與軍事方面為了適應不同的用戶需求，不同的可穿戴計算機根據其功能、與人交互方式的不同，而被設計成不同的內部結構和不同的外形714.6可穿戴計算研究及其在物聯(lián)網中的應用

4.6.14.6.2可穿戴計算概念產生的背景可穿戴計算技術體現出“以人為本，人機合一”和“無處不在的計算”的理念，有力地支持著“從人圍著計算機轉，轉向計算機圍著人轉”這一計算機演變的重要趨勢可穿戴計算系統(tǒng)與人類緊密結合成一個整體，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，代表著計算機的一個重要的發(fā)展趨勢可穿戴計算技術研究涉及計算機科學、智能科學、光學工程、微電子技術、傳感器技術、機械制造、通信科學、生物學、數學、生物醫(yī)學、工業(yè)設計技術等多個交叉學科和技術領域724.6.2可穿戴計算概念產生的背景可穿戴計算技術體現出“4.6.3可穿戴計算的定義和主要特征可穿戴計算機與新的人機交互模式：持久性增強性介入性可穿戴計算機的六個屬性：非限制性非獨占性可覺察性可控性環(huán)境感知性交流性734.6.3可穿戴計算的定義和主要特征可穿戴計算機與新可穿可穿戴計算機的三大能力：