物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)

物聯(lián)網(wǎng)體系概述一種實(shí)用的層次性物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)示意圖（1）感知層感知層主要功能是信息感知與采集，主要包括二維碼標(biāo)簽和識讀器、RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、各種傳感器、視頻攝像頭等。如溫度感應(yīng)器、聲音感應(yīng)器、振動感應(yīng)器、壓力感應(yīng)器等，完成物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)感知和設(shè)施控制。（2）接入層接入層由基站節(jié)點(diǎn)或匯聚節(jié)點(diǎn)（Sink）和接入網(wǎng)關(guān)（AccessGateway）等組成，完成末梢各節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)控制和數(shù)據(jù)融合、匯聚，或完成向末梢節(jié)點(diǎn)下發(fā)信息的轉(zhuǎn)發(fā)等功能。也就是在末梢節(jié)點(diǎn)之間完成組網(wǎng)后，如果末梢節(jié)點(diǎn)需要上傳數(shù)據(jù)，則將數(shù)據(jù)發(fā)送給基站節(jié)點(diǎn)，基站節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)后，通過接入網(wǎng)關(guān)完成和承載網(wǎng)絡(luò)的連接；當(dāng)應(yīng)用層需要下傳數(shù)據(jù)時，接入網(wǎng)關(guān)收到承載網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)后，由基站節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送給末梢節(jié)點(diǎn)，從而完成末梢節(jié)點(diǎn)與承載網(wǎng)絡(luò)之間的信息轉(zhuǎn)發(fā)和交互。接入層的功能主要由傳感網(wǎng)(指由大量各類傳感器節(jié)點(diǎn)組成的自治網(wǎng)絡(luò))來承擔(dān)。（3）網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層是核心承載網(wǎng)絡(luò)，承擔(dān)物聯(lián)網(wǎng)接入層與應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)通信任務(wù)。它主要包括現(xiàn)行的通信網(wǎng)絡(luò)，如2G、3G/B3G、4G移動通信網(wǎng)，或者是互聯(lián)網(wǎng)、WiFi、WiMAX、無線城域網(wǎng)（WirelessMetropolitanAreaNetwork，WMAN）、企業(yè)專用網(wǎng)等。（4）應(yīng)用層應(yīng)用層由各種應(yīng)用服務(wù)器組成（包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器），主要功能包括對采集數(shù)據(jù)的匯聚、轉(zhuǎn)換、分析，以及用戶層呈現(xiàn)的適配和事件觸發(fā)等。對于信息采集，由于從末梢節(jié)點(diǎn)獲取了大量原始數(shù)據(jù)，且這些原始數(shù)據(jù)對于用戶來說只有經(jīng)過轉(zhuǎn)換、篩選、分析處理后才有實(shí)際價值。這些應(yīng)用服務(wù)器根據(jù)用戶的呈現(xiàn)設(shè)備完成信息呈現(xiàn)的適配，并根據(jù)用戶的設(shè)置觸發(fā)相關(guān)的通告信息。同時當(dāng)需要完成對末梢節(jié)點(diǎn)控制時，應(yīng)用層還能完成控制指令生成和指令下發(fā)控制。應(yīng)用層要為用戶提供物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用UI接口，包括用戶設(shè)備（如PC、手機(jī)）、客戶端瀏覽器等。除此之外，應(yīng)用層還包括物聯(lián)網(wǎng)管理中心、信息中心等利用下一代互聯(lián)網(wǎng)的能力對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理的云計算功能。嵌入式系統(tǒng)概述1.什么是嵌入式系統(tǒng)2.嵌入式系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)3.嵌入式操作系統(tǒng)4.嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)流程智能機(jī)器人基于WinCE的移動機(jī)器人平臺基于RTLinux的仿人機(jī)器人

高48cm

重:6kg

靈活性：20DOF操作系統(tǒng):RT-Linux

接口形式:USB1.0(12Mbps)響應(yīng)周期:1ms

能源：DC24Vx6.2A(150W)制造：富士通基于VXworks的火星探路者2004年“勇氣號”再次登陸火星goReaderInterneteBookSamsungAnyWebInternetScreenPhoneeRemoteIntelligentHomeControllerTektronixTDS7000DigitalOscilloscopes一些典型的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例嵌入式Internet應(yīng)用汽車電子產(chǎn)品（18個嵌入式控制模塊）——CAN總線網(wǎng)絡(luò)VOLVO(沃爾沃)S80汽車的CAN總線網(wǎng)絡(luò) 嵌入式應(yīng)用——汽車電子

嵌入式系統(tǒng)的定義

根據(jù)IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會）的定義：嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”（原文為devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）。可以看出此定義是從應(yīng)用上考慮的，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)電等附屬裝置。

一般定義

“以應(yīng)用為中心、以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)?！倍x上可從幾方面來理解嵌入式系統(tǒng)：◆嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強(qiáng)的專用性，必須結(jié)合實(shí)際系統(tǒng)需求進(jìn)行合理的裁減利用?！羟度胧较到y(tǒng)具有高實(shí)時性和高可靠性?！羟度胧较到y(tǒng)必須根據(jù)應(yīng)用需求對軟硬件進(jìn)行裁剪，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求。嵌入式系統(tǒng)的核心是嵌入式微處理器和嵌入式操作系統(tǒng)。嵌入式微處理器一般就具備以下4個特點(diǎn)：(1)對實(shí)時多任務(wù)有很強(qiáng)的支持能力。(2)具有功能很強(qiáng)的存儲區(qū)保護(hù)功能。(3)可擴(kuò)展的處理器結(jié)構(gòu)。(4)嵌入式微處理器必須功耗很低。與其他類型的操作系統(tǒng)相比，嵌入式操作系統(tǒng)具有以下一些特點(diǎn)。(1)體積小。(2)實(shí)時性。(3)特殊的開發(fā)調(diào)試環(huán)境。

嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖2.嵌入式系統(tǒng)的組成典型的嵌入式系統(tǒng)組成應(yīng)用程序?qū)崟r操作系統(tǒng)（RTOS）輸入/輸出接口處理器/ARM核MMU/CacheSOC/SOPCUSBGPIOIISLCDUART和IrDAADC/DACFPGA/CPLDDSP/浮點(diǎn)運(yùn)算協(xié)處理器DMA人機(jī)交互接口LCD/觸摸屏、鍵盤、鼠標(biāo)設(shè)備驅(qū)動程序、HAL、BSP文件系統(tǒng)/圖形用戶應(yīng)用程序接口驅(qū)動層OS層應(yīng)用層軟件硬件以太網(wǎng)看門狗及復(fù)位電路Timer/RTCCANFlashEEPROMSDRAMSRAM內(nèi)存電源管理嵌入式系統(tǒng)的幾個重要特征：（1）系統(tǒng)內(nèi)核小 由于嵌入式系統(tǒng)一般是應(yīng)用于小型電子裝置的，系統(tǒng)資源相對有限，所以操作系統(tǒng)內(nèi)核較之傳統(tǒng)的操作系統(tǒng)要小得多。

（２）專用性強(qiáng)嵌入式系統(tǒng)的個性化很強(qiáng)，其中的軟件系統(tǒng)和硬件的結(jié)合非常緊密，一般要針對硬件進(jìn)行系統(tǒng)的移植。即使在同一品牌、同一系列的產(chǎn)品中也需要根據(jù)系統(tǒng)硬件的變化和增減不斷進(jìn)行修改。（３）系統(tǒng)精簡嵌入式系統(tǒng)一般沒有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的明顯區(qū)分，不要求其功能設(shè)計及實(shí)現(xiàn)上過于復(fù)雜，這樣一方面利于控制系統(tǒng)成本，同時也利于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)安全。

（4）高實(shí)時性O(shè)S

這是嵌入式軟件的基本要求，而且軟件要求固化存儲，以提高速度。軟件代碼要求高質(zhì)量和高可靠性、實(shí)時性。（5）嵌入式系統(tǒng)開發(fā)需要開發(fā)工具和環(huán)境（交叉開發(fā)環(huán)境）

嵌入式系統(tǒng)硬件組成嵌入式處理器（CPU）是嵌入式系統(tǒng)的核心部分外圍設(shè)備存儲設(shè)備（如RAM、SRAM、Flash等）通信設(shè)備（如RS-232接口、SPI接口、以太網(wǎng)接口等）顯示設(shè)備（如顯示屏等）嵌入式系統(tǒng)的組成與普通計算機(jī)硬件不同之處：硬件可裁剪通用計算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式系統(tǒng)對比

3.嵌入式操作系統(tǒng)的分類：

實(shí)時系統(tǒng)的定義：能夠?qū)ν獠渴录龀黾皶r響應(yīng)的系統(tǒng)。響應(yīng)時間要有保證。對外部事件的響應(yīng)包括：事件發(fā)生時要識別出來在給定時間約束內(nèi)必須輸出結(jié)果實(shí)時操作系統(tǒng)必須有以下特征：多任務(wù)有線程優(yōu)先級多種中斷級別硬實(shí)時系統(tǒng)：系統(tǒng)對系統(tǒng)響應(yīng)時間有嚴(yán)格的要求如果系統(tǒng)響應(yīng)時間不能滿足就會引起系統(tǒng)崩潰或致命的錯誤。軟實(shí)時系統(tǒng)：統(tǒng)對系統(tǒng)響應(yīng)時間有要求，但是如果系統(tǒng)響應(yīng)時間不能滿足，它并不會導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)致命的錯誤或崩潰。

操作系統(tǒng)的概念和分類

操作系統(tǒng)（OperatingSystem，OS）是管理電腦硬件與軟件資源的程序，同時也是計算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)核。操作系統(tǒng)是一個龐大的管理控制程序，大致包括5個方面的管理功能：進(jìn)程與處理機(jī)管理、作業(yè)管理、存儲管理、設(shè)備管理、文件管理。目前微機(jī)上常見的操作系統(tǒng)有DOS、OS/2、UNIX、XENIX、LINUX、Windows、Netware等。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域來劃分，可分為桌面操作系統(tǒng)、服務(wù)器操作系統(tǒng)、主機(jī)操作系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)；基于VXworks的火星探路者VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)(RTOS)，在當(dāng)前市場占有率最高的嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng),具有良好的持續(xù)發(fā)展能力。強(qiáng)實(shí)時操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)介紹

幾種代表性嵌入式操作系統(tǒng)比較VxWorksVxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)（RTOS），是Tornado嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。VxWorks具有可裁剪微內(nèi)核結(jié)構(gòu)；高效的任務(wù)管理；靈活的任務(wù)間通訊；微秒級的中斷處理；支持POSIX1003．1b實(shí)時擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)；支持多種物理介質(zhì)及標(biāo)準(zhǔn)的、完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。然而其價格昂貴。由于操作系統(tǒng)本身以及開發(fā)環(huán)境都是專有的，價格一般都比較高，通常需花費(fèi)10萬元人民幣以上才能建起一個可用的開發(fā)環(huán)境，對每一個應(yīng)用一般還要另外收取版稅。一般不通供源代碼，只提供二進(jìn)制代碼。由于它們都是專用操作系統(tǒng)，需要專門的技術(shù)人員掌握開發(fā)技術(shù)和維護(hù)，所以軟件的開發(fā)和維護(hù)成本都非常高。支持的硬件數(shù)量有限?；赪inCE的機(jī)器人裝配平臺幾種代表性嵌入式操作系統(tǒng)比較WindowsCEWindowsCE與Windows系列有較好的兼容性，無疑是WindowsCE推廣的一大優(yōu)勢。其中，WinCE是一種針對小容量、移動式、智能化、32位、了解設(shè)備的模塊化實(shí)時嵌人式操作系統(tǒng)。它是從整體上為有限資源平臺設(shè)計的多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)。它的模塊化設(shè)計允許它對從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶電子設(shè)備進(jìn)行定制。操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核需要至少200KB的ROM。從技術(shù)角度上講，WindowsCE作為嵌入式操作系統(tǒng)有很多的缺陷：沒有開放源代碼，使應(yīng)用開發(fā)人員很難實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的定制；在效率、功耗方面的表現(xiàn)并不出色，而且和Windows一樣占用過的系統(tǒng)內(nèi)存，運(yùn)用程序龐大；版權(quán)許可費(fèi)也是廠商不得不考慮的因素。幾種代表性嵌入式操作系統(tǒng)比較μC/OS-ⅡμC/OS-Ⅱ是著名的源代碼公開的實(shí)時內(nèi)核，是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的，可用于8位，16位和32位單片機(jī)或數(shù)字信號處理器（DSP）。它是在原版本μC/OS的基礎(chǔ)上做了重大改進(jìn)與升級，并有了近十年的使用實(shí)踐，有許多成功應(yīng)用該實(shí)時內(nèi)核的實(shí)例。它的主要特點(diǎn)如下：公開源代碼，容易就能把操作系統(tǒng)移植到各個不同的硬件平臺上；可移植性，大部分源代碼是用C語言寫的，便于移植到其他微處理器；可固化；可裁剪性，有選擇的使用系統(tǒng)服務(wù)，以減少斗所需的存儲空間；基于Linux的仿人機(jī)器人

Linux由UNIX操作系統(tǒng)發(fā)展而來，它的內(nèi)核由網(wǎng)絡(luò)上組織松散的黑客隊(duì)伍一起從零開始編寫而成。開源可移植可裁剪Linux介紹Linux是類UNIX操作系統(tǒng)。最初是由LinusTorvalds于1991年在基于Intel80386處理器的IBM兼容機(jī)上開發(fā)的操作系統(tǒng)。出現(xiàn)在二十世紀(jì)九十年代，在短短的十幾年的時間里發(fā)展成為功能強(qiáng)大，設(shè)計完善的操作系統(tǒng)。源程序可以在/下載。Linux有著異常豐富的驅(qū)動程序資源，支持各種主流的硬件設(shè)備與技術(shù)。嵌入式Linux能夠固化在容量只有幾KB或者幾MB的存儲芯片或者微控制器中，Linux包含了現(xiàn)代的UNIX操作系統(tǒng)的所有功能特性，這些功能包括多任務(wù)、虛擬內(nèi)存、虛擬文件系統(tǒng)、SVR4進(jìn)程間通信、對稱多處理器（SMP）、多用戶支持等功能。嵌入式Linux操作系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域：手機(jī)、PDA數(shù)字相機(jī)、數(shù)字電視機(jī)、數(shù)碼相機(jī)VCD/DVD音響設(shè)備、可視電話家庭網(wǎng)絡(luò)設(shè)備洗衣機(jī)、電冰箱智能玩具4.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計流程嵌入式系統(tǒng)包括嵌入式硬件和嵌入式軟件，其開發(fā)也分為軟件開發(fā)部分和硬件開發(fā)部分。1.開發(fā)目標(biāo)硬件系統(tǒng)：需要完成原理圖設(shè)計、PCB版圖設(shè)計、PCB板加工與焊接；2.開發(fā)或移植一個BootLoader到目標(biāo)上，用來引導(dǎo)目標(biāo)系統(tǒng)上的嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核；3.移植一個嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核到目標(biāo)上去，如linux內(nèi)核；4.開發(fā)一個文件系統(tǒng)，如Linux的rootfs；5.開發(fā)特定硬件的驅(qū)動程序，如網(wǎng)口、USB口、LCD等的驅(qū)動程序；6.開發(fā)上層的應(yīng)用程序，如游戲程序。嵌入式系統(tǒng)開發(fā)模式嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)一般都采用“宿主機(jī)/目標(biāo)板”開發(fā)模式：即利