物聯(lián)網(wǎng)工程導論第4章

1、1吳功宜 吳英 編著 物聯(lián)網(wǎng)工程導論第4章物聯(lián)網(wǎng)智智能設備備與嵌入式式技術2第 4章知識點結構34.1智能設備備的研究究與發(fā)展展嵌入式系系統(tǒng)（EmbeddedSystem）也稱作作“嵌入入式計算算機系統(tǒng)統(tǒng)（EmbeddedComputerSystem）”它是針對對特定的的應用，剪裁計算機的的軟件和硬硬件，以以適應應應用系統(tǒng)統(tǒng)對功能能、可靠性、成本、體積、功耗有有嚴格要要求的專用計算算機系統(tǒng)嵌入式系系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)用于工工業(yè)、農(nóng)農(nóng)業(yè)、軍軍事、家家電等各各個領域域物聯(lián)網(wǎng)環(huán)環(huán)境中的的各種智智能設備備都需要要采用嵌嵌入式技技術來進進行設計計與制造造嵌入式系系統(tǒng)的設設計理論論、方法法與工具具是物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)研究究的

2、理論論基礎，具有重重要的借借鑒與指指導作用用。44.1智能設備備的研究究與發(fā)展展4.1.1個人計算算機PCIBMPC、圖形工工作站、臺式機機、筆記記本計算算機、一一體機與與iPad54.1.2個人數(shù)字字助理PDA各種形式式的PDA64.1.3GPS接收機車載GPS導航儀、GPS手機與GPS手表74.1.4智能手機機智能手機機將是物物聯(lián)網(wǎng)中中一種重重要的智智能終端端設備，很多物物聯(lián)網(wǎng)應應用系統(tǒng)統(tǒng)的用戶戶終端設設備是基基于智能能手機操操作系統(tǒng)統(tǒng)平臺上上開發(fā)的的智能手機機與個人人計算機機一樣，具有自自己獨立立的嵌入入式操作作系統(tǒng)，可以由由用戶自自行安裝裝軟件、游戲等等第三方方服務提提供商的的程序很多

3、種智智能手機機已經(jīng)嵌嵌入了RFID標簽芯片片與傳感感器芯片片，成為為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)中重要要的移動動通信、移動計計算與位位置服務務的設備備84.1.5智能家電電未來的智智能家電電向智能能化、自自適應和和網(wǎng)絡化化方向發(fā)發(fā)展，智能家電電將成為為物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)中智慧慧家居應應用中主主要的組組成單元元可以接入入互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)或移動動通信網(wǎng)網(wǎng)的智能能家電稱稱為“網(wǎng)網(wǎng)絡家電電”智能家電電可以實實現(xiàn)互聯(lián)聯(lián)組成一一個家庭庭內部網(wǎng)網(wǎng)絡，可可以與互互聯(lián)網(wǎng)連連接智能家電電研究的的對象主主要是電電視、冰箱、空調、洗衣機與與照明設備備等實現(xiàn)網(wǎng)絡絡家電連連接的技技術主要要是藍牙牙、紅外、電電力線、雙絞線等94.1.6數(shù)字標牌牌數(shù)字標牌牌（D

4、igital Signage）是一種種新的專專業(yè)多媒媒體視聽聽系統(tǒng)，體現(xiàn)出出一種全全新的媒媒體概念念，同時時也是物物聯(lián)網(wǎng)應應用系統(tǒng)統(tǒng)與人通通過視覺覺交互的的工具數(shù)字標牌牌在智慧慧城市與與智能交交通中的的應用示例104.2嵌入式技技術發(fā)展展的基礎礎集成電路路4.2.1微電子技技術和產(chǎn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展展的重要要性電子工業(yè)業(yè)產(chǎn)值的的增長速速率是國國民經(jīng)濟濟總產(chǎn)值值增長速速率的3倍，微電電子產(chǎn)業(yè)業(yè)的增長長速率又又是電子子工業(yè)增增長速率率的2倍國民經(jīng)濟濟總產(chǎn)值值每增加加100300元，就必必須有10元電子工工業(yè)和1元集成電電路產(chǎn)值值的支持持集成電路路對國民民經(jīng)濟的的貢獻率率遠高于于其他門門類的產(chǎn)產(chǎn)品，以以單位質

5、質量鋼筋筋對GDP的貢獻為為1計算，小小汽車為為5，彩電為為30，計算機機為1000，而集成成電路的的貢獻率率則高達達2000114.2.2微電子技技術的發(fā)發(fā)展從電子管管到晶體體管的發(fā)發(fā)展過程程124.2.3集成電路路的研究究與發(fā)展展從使用分分立元器器件的電電路單元元到集成成電路芯芯片13摩爾定律律的基本本內容：集成電路路的集成成度每18個月就翻翻一番特征尺寸寸每3年縮小1/2計算機界界對于摩摩爾定律律的兩點點推論：微處理器器的性能能每隔18個月提高高一倍，而價格格下降一一倍用一個美美元所能能買到的的計算機機性能，每隔18個月翻兩兩番144.2.4SoC研究與應應用SoC芯片與集集成電路路的關

6、系系示意圖圖154.3嵌入式技技術的研研究與發(fā)發(fā)展4.3.1環(huán)境智能能化與嵌嵌入式系系統(tǒng)未來98%的計算設設備將工工作在嵌嵌入式系系統(tǒng)中嵌入式系系統(tǒng)是將將計算與與控制的的概念聯(lián)聯(lián)系在一一起，并并嵌入到到物理系系統(tǒng)之中中，實現(xiàn)現(xiàn)“環(huán)境境智能化化”的目目的無線傳感感器網(wǎng)絡絡、RFID應用系統(tǒng)統(tǒng)是嵌入入式技術術在實現(xiàn)現(xiàn)“環(huán)境境智能化化”方向向邁出了了一大步步164.3.2嵌入式系系統(tǒng)的基基本概念念微型機應應用和微微處理器器芯片技技術的發(fā)發(fā)展為嵌嵌入式系系統(tǒng)研究究奠定了了基礎嵌入式系系統(tǒng)的發(fā)發(fā)展適應應了智能能控制的的需求嵌入式系系統(tǒng)的發(fā)發(fā)展促進進了芯片片、操作作系統(tǒng)、軟件編編程語言言與體系系結構研研究

7、的發(fā)發(fā)展嵌入式系系統(tǒng)的研研究體現(xiàn)現(xiàn)出多學學科交叉叉融合的的特點174.3.3嵌入式系系統(tǒng)發(fā)展展的過程程第一階段段：以可可編程序序控制器器系統(tǒng)為為核心的的研究階階段第二階段段：以嵌嵌入式中中央處理理器CPU為基礎、簡單操操作系統(tǒng)統(tǒng)為核心心的階段段第三階段段：以嵌嵌入式操操作系統(tǒng)統(tǒng)為標志志的階段段第四階段段：基于于網(wǎng)絡操操作的嵌嵌入式系系統(tǒng)發(fā)展展階段184.4RFID讀寫器與與中間件件軟件設設計*4.4.1RFID應用系統(tǒng)統(tǒng)結構與與工作原原理RFID應用系統(tǒng)統(tǒng)原理結結構示意意圖194.4.2RFID讀寫器結結構與設計方方法典型手持式RFID讀寫器結構204.4.3RFID中間件的的概念與與結構RF

8、ID中間件結結構示意意圖214.5無線傳感感器網(wǎng)絡絡節(jié)點設設計*4.5.1無線傳感感器節(jié)點點的結構構無線傳感感器節(jié)點點結構224.5.2無線傳感感器網(wǎng)絡絡節(jié)點設設計原則則微型化與與低成本本低功耗靈活性與與可擴展展性魯棒性傳感器節(jié)節(jié)點各部部分能量量消耗情情況234.5.3無線傳感感器網(wǎng)絡絡節(jié)點硬硬件設計計傳感器節(jié)節(jié)點硬件件部件之之間關系系示意圖圖244.5.4無線傳感感器網(wǎng)絡絡嵌入式式操作系系統(tǒng)的研研究由于無線線傳感器器節(jié)點具具有數(shù)量量大、拓拓撲動態(tài)態(tài)變化、攜帶非非常有限限的硬件件資源等等特點，同時計計算、存存儲和通通信等操操作需要要并發(fā)地地調用系系統(tǒng)資源源，因此此需要研研究適合合傳感器器網(wǎng)絡的

9、的新型操操作系統(tǒng)統(tǒng)目前，最最有代表表性的是是UCBerkeley的TinyOS，它是一一種面向向無線傳傳感器網(wǎng)網(wǎng)絡的新新型嵌入入式操作作系統(tǒng)254.5.5無線傳感感器網(wǎng)絡絡系統(tǒng)應應用軟件件設計無線傳感感器網(wǎng)絡絡系統(tǒng)應應用軟件件設計的的要求面向應用用適應性能量優(yōu)化化模塊化可管理26無線傳感感器節(jié)點點軟件結結構27無線傳感感器網(wǎng)絡絡軟件結結構284.6可穿戴計計算研究究及其在在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)中的應應用4.6.1可穿戴計計算機在在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)中的應應用可穿戴計計算機可可以應用用于物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)遠程程支援、搶險救救災、醫(yī)醫(yī)療救護護、社會會治安、新聞采采訪、社社會娛樂樂與軍事事方面為了適應應不同的的用戶需需求，不不同的

10、可可穿戴計計算機根根據(jù)其功功能、與與人交互互方式的的不同，而被設設計成不不同的內內部結構構和不同同的外形形294.6.2可穿戴計計算概念念產(chǎn)生的的背景可穿戴計計算技術術體現(xiàn)出出“以人人為本，人機合合一”和和“無處處不在的的計算”的理念念，有力力地支持持著“從從人圍著著計算機機轉，轉轉向計算算機圍著著人轉” 這一一計算機機演變的的重要趨趨勢可穿戴計計算系統(tǒng)統(tǒng)與人類類緊密結結合成一一個整體體，能夠夠拓展人人的視覺覺、聽覺覺，增強強人的大大腦記憶憶和應對對外界環(huán)環(huán)境變化化的能力力，延伸伸了人的的大腦與與四肢，代表著著計算機機的一個個重要的的發(fā)展趨趨勢可穿戴計計算技術術研究涉涉及計算算機科學學、智能能

11、科學、光學工工程、微微電子技技術、傳傳感器技技術、機機械制造造、通信信科學、生物學學、數(shù)學學、生物物醫(yī)學、工業(yè)設設計技術術等多個個交叉學學科和技技術領域域304.6.3可穿戴計計算的定定義和主主要特征征可穿戴計計算機與與新的人機交交互模式式：持久性增強性介入性可穿戴計計算機的的六個屬性：非限制性性非獨占性性可覺察性性可控性環(huán)境感知知性交流性31可穿戴計計算機的的三大能能力：移動計算算能力智能助手手能力多種控制制能力324.5.4可穿戴計計算機在在提高人人的感知知能力方方面研究究的發(fā)展展334.7智能機器器人研究究及其在在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)中的應應用4.7.1機器人的的基本概概念機器人學學(robotic

12、s)是一個涉涉及計算算機科學學、人工工智能方方法、智智能控制制、精密密機械、信息傳傳感技術術、生物物工程的的交叉學學科按照應用用領域進進行分類類，機器器人可以以分為民民用和軍軍用兩大大類民用機器器人又可可以進一一步分為為工業(yè)機機器人、農(nóng)業(yè)機機器人、服務機機器人、仿人機機器人、特種機機器人、微機器器人與微微操作機機器人，以及空空間機器器人等軍事機器器人按照照應用的的目的分分類，可可以分為為偵察機機器人、監(jiān)視機機器人、排爆機機器人、攻擊機機器人與與救援機機器人。按照工工作環(huán)境境分類，可以分分為地面面軍用機機器人、水下軍軍用機器器人、空空中軍用用機器人人34智能機器器人在物物聯(lián)網(wǎng)中中的應用用前景通過網(wǎng)絡絡控制的的智能機機器人正正在向我我們展示示出對世世界超強強的感知知能力與與智能處處理能力力智能機器器人可以以在物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)的環(huán)環(huán)境保護護、防災災救災、安全保保衛(wèi)、航航空航天天、軍事事，以及及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)衛(wèi)生等領領域的應應用中發(fā)發(fā)揮重要要的作用用，必將將成為物物聯(lián)網(wǎng)的的重要成成員物聯(lián)網(wǎng)催催生很多多具有計計算、通通信、控控制、協(xié)協(xié)同和自自治性能能的智能能設備，實現(xiàn)實實時感知知、動態(tài)態(tài)控制和和信息服服務，智智能機器器人與物物聯(lián)網(wǎng)研研究有很很多共通通之處智能機器器人的研研究成果果與研究究方法對對于物聯(lián)聯(lián)網(wǎng)理