嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

1、嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)索明何工作單位：淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院研究方向：嵌入式系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)摘要：本文通過參考嵌入式系統(tǒng)理論奠基人何立民教授，中嵌協(xié)會、中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)協(xié)會秘書長柏斯維等專家關(guān)于“嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)”的觀點(diǎn)，進(jìn)行了總結(jié)、摘取了相關(guān)的理論，旨在從嵌入式系統(tǒng)的角度理解物聯(lián)網(wǎng)的概念，在嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上學(xué)習(xí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，推動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展。一、物聯(lián)網(wǎng)的源頭物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算不是概念炒作，是互聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)發(fā)展到高級階段的融合，如圖1所示。物聯(lián)網(wǎng)有3個(gè)源頭：智慧源頭、物聯(lián)源頭、網(wǎng)絡(luò)源頭。智慧源頭是微處理器，物聯(lián)源頭是嵌入式系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)源頭是嵌入式系統(tǒng)局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)。圖1物聯(lián)網(wǎng)的源

2、頭1.物聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)源頭圖2嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的物聯(lián)基礎(chǔ)如圖2，嵌入式系統(tǒng)的四個(gè)通道接口（物聯(lián)界面）：（1）感知接口物理信息感知：電子標(biāo)簽（RFID、二維碼后IP時(shí)代）感受對象的物理信息。物理參數(shù)感知：傳感器感受對象的靜態(tài)參數(shù)、動態(tài)參數(shù)信息。時(shí)空信息感知：GPS給予物理對象進(jìn)行時(shí)空標(biāo)定。（2）控制接口所有對物理對象的控制，都要經(jīng)過這一端口完成數(shù)字化控制信息到對象系統(tǒng)控制信號的轉(zhuǎn)化。（3）人機(jī)接口人機(jī)接口，是嵌入式系統(tǒng)的輸入、輸出端口，是一個(gè)歸一化的人機(jī)交互界面。多元化的人-機(jī)交互方式，如各種類型的鍵盤、顯示器、音視頻設(shè)備的人機(jī)交互等，都要?dú)w一化成輸入、輸出端口的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)與通信協(xié)議。人機(jī)通道的基礎(chǔ)是

3、嵌入式系統(tǒng)的串行接口，以及由此衍生的各種串行總線，如I2C總線、單總線、SPI串行接口等多元化的串行輸入/輸出通道。（4）互聯(lián)接口為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)之間、嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)之間通信提供標(biāo)準(zhǔn)的通信手段。通信方式可以有多種有線與無線方式。通常，將滿足信息傳輸要求的硬件電路與通信協(xié)議棧內(nèi)嵌到嵌入式系統(tǒng)中，或制成可在嵌入式系統(tǒng)外部擴(kuò)展的專用通信芯片。嵌入式設(shè)備通過有線（485、CAN、工業(yè)以太網(wǎng)等）或無線（如Zigbee）局域網(wǎng)互聯(lián)形成嵌入式系統(tǒng)局域網(wǎng)。嵌入式系統(tǒng)、嵌入式系統(tǒng)局域網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)相連，形成了物聯(lián)網(wǎng)。2物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)源頭物聯(lián)網(wǎng)有無限大的應(yīng)用領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)則是一個(gè)與互聯(lián)網(wǎng)相連的局域物聯(lián)系統(tǒng)

4、。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)源頭有互聯(lián)網(wǎng)的廣域網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)的局域（物聯(lián)）網(wǎng)。（1）互聯(lián)網(wǎng)的廣域網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)是全球性無限時(shí)空、無限通達(dá)的廣域網(wǎng)?；ヂ?lián)網(wǎng)通信沒有時(shí)空限制，也不受局部通信鏈路故障的影響。互聯(lián)網(wǎng)的全球性特征還表現(xiàn)在它遵從全球化公共利益的技術(shù)特征，按“包交換”方式連接的分布式網(wǎng)絡(luò)不存在中央控制，也無法把互聯(lián)網(wǎng)封閉在一個(gè)國家之內(nèi)。互聯(lián)網(wǎng)的根本作用是為人們的交流服務(wù)，而不單純是用來計(jì)算。構(gòu)成互聯(lián)網(wǎng)的途徑有多種多樣，計(jì)算機(jī)網(wǎng)、公共電信網(wǎng)、有線電視網(wǎng)，甚至智能電網(wǎng)，它們都是信息網(wǎng)、人文網(wǎng)，與物理對象沒有直接聯(lián)系。（2）嵌入式系統(tǒng)的局域物聯(lián)網(wǎng)嵌入式系統(tǒng)的局域物聯(lián)網(wǎng)，是以嵌入式系統(tǒng)為核心，與物理對象相連，局部地區(qū)應(yīng)

5、用環(huán)境下，滿足TCP/IP的傳輸協(xié)議要求，具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，動態(tài)路由的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。嵌入式設(shè)備通過現(xiàn)場總線（485、CAN等）互聯(lián)形成嵌入式系統(tǒng)的局域分布式物聯(lián)系統(tǒng)，如CAN總線的汽車電子、機(jī)器人、工業(yè)控制、智能家居等局域物聯(lián)系統(tǒng)。無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)（如ZigBee）推出后，嵌入式系統(tǒng)才有了真正的局域物聯(lián)網(wǎng)，它既滿足了局域網(wǎng)的協(xié)議要求以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、動態(tài)路由的數(shù)據(jù)傳輸要求，又有全面的物聯(lián)界面。（3）局域物聯(lián)網(wǎng)與廣域網(wǎng)互聯(lián)嵌入式系統(tǒng)的局域物聯(lián)系統(tǒng)或局域物聯(lián)網(wǎng)受地域環(huán)境限制，與無限時(shí)空、無限通達(dá)的互聯(lián)網(wǎng)連接后，便形成了無限通達(dá)、無限時(shí)空應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)。例如，由CAN總線構(gòu)成的汽車電子系統(tǒng)是局限在一輛

6、汽車中的局域物聯(lián)系統(tǒng)，當(dāng)延伸到互聯(lián)網(wǎng)后，便可將單輛汽車納入城市交管的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中。物聯(lián)網(wǎng)交管系統(tǒng)可隨時(shí)隨地實(shí)時(shí)地了解車輛狀況、行駛狀態(tài)、違章事件等。又如，當(dāng)一個(gè)智能家居延伸到互聯(lián)網(wǎng)后，成為無限時(shí)空、無限通達(dá)的物聯(lián)網(wǎng)家居后，家居主人可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)與家居中的物聯(lián)對象實(shí)時(shí)交互。通常，局域物聯(lián)網(wǎng)與廣域網(wǎng)互連是局域網(wǎng)的一種上聯(lián)行為，即局域物聯(lián)網(wǎng)向互聯(lián)網(wǎng)延伸。通過局域物聯(lián)網(wǎng)中主控節(jié)點(diǎn)內(nèi)含的互聯(lián)網(wǎng)接口，或在外部擴(kuò)展一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)接口芯片，與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)。3物聯(lián)網(wǎng)事件的行為元素物聯(lián)網(wǎng)中有眾多的物聯(lián)系統(tǒng)，物聯(lián)系統(tǒng)中有眾多的物聯(lián)網(wǎng)事件。不同的物聯(lián)網(wǎng)事件中，有許多不同的行為過程。物聯(lián)網(wǎng)中所有不同的事件過程，都有

7、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。（1）物聯(lián)網(wǎng)的存儲（物儲）物聯(lián)網(wǎng)的物儲元素，是物聯(lián)系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)事件的知識與信息的存儲行為。為了滿足物聯(lián)系統(tǒng)構(gòu)建，滿足物聯(lián)網(wǎng)事件過程要求，物聯(lián)系統(tǒng)中要有足夠的存儲空間，以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)系統(tǒng)中的電子化信息存儲、真實(shí)世界的虛擬存儲、虛實(shí)交互存儲與數(shù)字文件存儲等。電子化信息存儲，是網(wǎng)絡(luò)實(shí)名制的個(gè)人及其財(cái)、物等的信息存儲；真實(shí)世界的虛擬存儲，是數(shù)字化系統(tǒng)的虛擬存儲，如網(wǎng)上銀行、購物系統(tǒng)、交管系統(tǒng)、認(rèn)證系統(tǒng)等的虛擬系統(tǒng)存儲；虛實(shí)交互存儲，是物理認(rèn)證環(huán)境基礎(chǔ)上的數(shù)字化虛擬存儲，如FPGA的物理認(rèn)證基礎(chǔ)上，集成電路、IP核、系統(tǒng)電路的數(shù)字化文件虛擬存

8、儲；數(shù)字文件存儲，則是圖片、音視頻資料存儲。物聯(lián)網(wǎng)中所有的存儲內(nèi)容，都是“0、1”數(shù)字符號歸一化的量子化存儲，與具體物質(zhì)無關(guān)。因此，物聯(lián)網(wǎng)中存儲的數(shù)據(jù)可以在不同的介質(zhì)中轉(zhuǎn)換或傳輸。（2）物聯(lián)網(wǎng)的傳感（物感）物聯(lián)網(wǎng)的物感元素，是物聯(lián)系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)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(yīng)用系統(tǒng)中傳感器的數(shù)字釆集。通常，物聯(lián)網(wǎng)事件中的感知有物理對象的物理狀態(tài)感知、物理參數(shù)感知，以及感知對象的時(shí)間、空間定位信息。物理狀態(tài)信息與物理參數(shù)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(shù)變換成模擬電壓信號，然后通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入到嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的前向通道中；物理對

9、象的時(shí)間、空間定位信息則依靠嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)的交互感知。（3）物聯(lián)網(wǎng)的控制（物控）物聯(lián)網(wǎng)的物控元素，是物聯(lián)系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)事件對物理對象的控制行為。這種行為的源頭，是嵌入式應(yīng)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(yīng)用系統(tǒng)控制接口輸出的是歸一化的“0、1”數(shù)字化信號，必須通過相應(yīng)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換技術(shù)轉(zhuǎn)換成物理對象能夠接受的模擬控制信號。（4）物聯(lián)網(wǎng)的信息（物信）物聯(lián)網(wǎng)的物信元素，是物聯(lián)系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)事件的信息流管理行為。物聯(lián)網(wǎng)事件的信息流管理行為，主要表現(xiàn)在“0、1”歸一化數(shù)字化信息的變換與傳輸。它包括“0、1”數(shù)字化信息在不同介體中的變換、在不同運(yùn)行環(huán)節(jié)間的編碼與譯碼，以及各種

10、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(wǎng)載波傳輸與通信網(wǎng)的GPRS傳輸?shù)取＃?）物聯(lián)網(wǎng)管理（物管）物聯(lián)網(wǎng)的物管元素，是物聯(lián)系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)事件行為的管理與調(diào)度。這些管理與調(diào)度有數(shù)據(jù)流管理、數(shù)據(jù)庫互聯(lián)、數(shù)據(jù)信息釆集、認(rèn)證、信息流通中的許可證制度、安全性管理與經(jīng)營性管理等。（6）物聯(lián)網(wǎng)交互（物互）物聯(lián)網(wǎng)的物互元素，是物聯(lián)系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)事件相關(guān)者的交互行為。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中的4個(gè)物聯(lián)界面，即傳感界面、控制界面、人機(jī)界面、通信界面。每個(gè)界面都有相對應(yīng)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(jī)界面的人、通信界面的其他嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)或嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)。多種物理

11、對象、多種物聯(lián)界面，形成了人、物、網(wǎng)（廣域/局域）的多種交互行為。4物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算密切相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算是基礎(chǔ)與上層建筑的關(guān)系；物聯(lián)網(wǎng)是智慧地球，云計(jì)算是智慧服務(wù)；物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)基礎(chǔ)，云計(jì)算是軟件服務(wù)；云計(jì)算是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代全方位、無限時(shí)空的全球服務(wù)體系。二、物聯(lián)網(wǎng)的多種定義物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)多學(xué)科的大概念，不同學(xué)科都有對物聯(lián)網(wǎng)的合理解釋，但都有其學(xué)科的局限性，在這種情況下，往往以一大段描述來代替其定義。過去，我們見到過對嵌入式系統(tǒng)的描述定義，如今，對物聯(lián)網(wǎng)的定義也是一大段描述。這是初級階段不可避免的現(xiàn)象。當(dāng)前不妨以最簡單的感性語言，把物聯(lián)網(wǎng)定義成：連接到物理對象的互聯(lián)網(wǎng)（基于互聯(lián)網(wǎng)的嵌入式系統(tǒng)）。這種最

12、簡單的定義不妨礙我們對物聯(lián)網(wǎng)的深入闡述：物聯(lián)網(wǎng)與物理對象的連接是通過嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。嵌入式系統(tǒng)與物理對象呈緊耦合狀態(tài)，形成了一個(gè)智能化的對象系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)的所有節(jié)點(diǎn)與終端都內(nèi)含有微處理器，使物聯(lián)網(wǎng)呈現(xiàn)出智慧地球的基本特征。與互聯(lián)網(wǎng)連接的可以是單個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，也可以是多個(gè)嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的局域網(wǎng)?；ヂ?lián)網(wǎng)是廣域網(wǎng)，有眾多的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，如三網(wǎng)融合、智能電網(wǎng)等。無論是廣域的互聯(lián)網(wǎng)，還是嵌入式系統(tǒng)的局域網(wǎng)，都有各種形式的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)。三、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的三個(gè)層次在談及物聯(lián)網(wǎng)時(shí)，不少專家都給出了應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層這三個(gè)層次概念。由于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的千差萬別，這種分層概念很難具體化成應(yīng)用中的概念。在物聯(lián)網(wǎng)的

13、具體應(yīng)用中，可以在眾多的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，抽象出應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層與物理層的三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。應(yīng)用層確定物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的功能、服務(wù)要求，是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)確定的任務(wù)與目標(biāo)；網(wǎng)絡(luò)層是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，包括局域網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的分工、布局、協(xié)調(diào)與鏈接設(shè)計(jì)；物理層則是與物理對象連接、交互的底層環(huán)境，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中所有物理對象（包括服務(wù)對象在內(nèi)）的感知、控制與信息交互。物聯(lián)網(wǎng)中，有無限多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中還有子系統(tǒng)，如城市交管系統(tǒng)中的車輛違章管理、道路交通管理、車輛交易管理子系統(tǒng)，它們各不相同，但都有相應(yīng)的三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。四、物聯(lián)網(wǎng)的基本特點(diǎn)物聯(lián)網(wǎng)是微處理器、嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)在高級階段交叉融合的產(chǎn)物，帶有鮮明的微處理器、嵌入式系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)，這些特點(diǎn)是智慧性、實(shí)時(shí)性、廣域性與虛實(shí)交互性。（1）智慧性微處理器是一個(gè)歸一化的智力內(nèi)核。它以通用計(jì)算機(jī)與嵌入式系統(tǒng)方式賦予物聯(lián)網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)、終端、服務(wù)器以無限的智慧能力。微處理器的無限數(shù)量與無限智慧，突出了物聯(lián)網(wǎng)智慧地球的智慧特征。（2）實(shí)時(shí)性實(shí)時(shí)性是物聯(lián)狀態(tài)下物理對象的實(shí)時(shí)交互要求。物聯(lián)網(wǎng)家居中出現(xiàn)火警必須立即報(bào)警；智能交管中高速公路收費(fèi)必須在車輛移動瞬間完成；物聯(lián)網(wǎng)超市中顧客確認(rèn)選購貨品結(jié)束時(shí)，應(yīng)立即結(jié)算貨款并告知顧客。（3）廣域性互聯(lián)網(wǎng)的無限時(shí)空與多種接入形式，使物聯(lián)網(wǎng)具有廣域性的應(yīng)用特點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)可以在無限時(shí)空狀態(tài)下使用，也可