第5章 物联网智能设备与嵌入式技术

伴随物联网技术的爆炸性发展，其已成为当前世界新一轮经济和科技发展的战略制高点之一。随着物联网概念在各行各业的应用逐步渗透，大量的新技术、新产品、新应用、新模式不断涌现，推动生产制造和人们生活变得更加智能。

图5-1

5.1 智能设备的研究与发展

提到智能设备的研究和发展就不得不提到下面几点：

l  嵌入式系统Embedded System也称作“嵌入式计算机系统Embedded Computer System”

l  它是针对特定的应用剪裁计算机的软件和硬件以适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统

l  嵌入式系统已经用于工业、农业、军事、家电等各个领域

l  物联网环境中的各种智能设备都需要采用嵌入式技术来进行设计与制造

l  嵌入式系统的设计理论、方法与工具是物联网研究的理论基础具有重要的借鉴与指导作用

5.1.1 个人计算机

PC (personal computer)，个人计算机一词源自于1981年IBM的第一部桌上型计算机型号PC，在此之前有Apple II的个人用计算机。能独立运行、完成特定功能的个人计算机。个人计算机不需要共享其他计算机的处理、磁盘和打印机等资源也可以独立工作。从台式机（或称台式计算机、桌面电脑）、笔记本电脑到上网本和平板电脑以及超级本等都属于个人计算机的范畴。

IBM PC、图形工作站、台式机、笔记本计算机、一体机与iPad

5.1.2 个人数字助理

PDA（Personal Digital Assistant），又称为掌上电脑，可以帮助我们完成在移动中工作，学习，娱乐等。按使用来分类，分为工业级PDA和消费品PDA。工业级PDA主要应用在工业领域，常见的有条码扫描器、RFID读写器、POS机等都可以称作PDA；消费品PDA包括的比较多，智能手机、平板电脑、手持的游戏机等。

5.1.3 GPS接收机

车载GPS导航仪、GPS手机与GPS监护手表

5.1.4 智能手机

智能手机，是指像个人电脑一样，具有独立的操作系统，独立的运行空间，可以由用户自行安装软件、游戏、导航等第三方服务商提供的程序，并可以通过移动通讯网络来实现无线网络接入的这样一类手机的总称。

智能手机的涉及范围已经布满全世界，因为智能手机具有优秀的操作系统、可自由安装各类软件、完全大屏的全触屏式操作感这三大特性，所以完全终结了前几年的键盘式手机。

其中苹果、三星、诺基亚、HTC（宏达电）这四大品牌在全世界最广为皆知，而中国的联想（Lenovo）、华为（HUAWEI）、魅族（MEIZU）、小米（Mi）、步步高（VIVO）、中兴（ZTE）、酷派（Coolpad）、欧珀（OPPO）、金立（GIONEE）、天宇（天语，K-Touch）、艾优尼（IUNI）等品牌在中国备受关注。

5.1.5 智能家电

智能家电就是将微处理器、传感器技术、网络通信技术引入家电设备后形成的家电产品，具有自动感知住宅空间状态和家电自身状态、家电服务状态，能够自动控制及接收住宅用户在住宅内或远程的控制指令；同时，智能家电作为智能家居的组成部分，能够与住宅内其它家电和家居、设施互联组成系统，实现智能家居功能。

l  未来的智能家电向智能化、自适应和网络化方向发展智能家电将成为物联网中智慧家居应用中主要的组成单元

l  可以接入互联网或移动通信网的智能家电称为“网络家电”

l智能家电可以实现互联组成一个家庭内部网络可以与互联网连接

l  智能家电研究的对象主要是电视、冰箱、空调、洗衣机与照明设备等

l  实现网络家电连接的技术主要是蓝牙、红外、电力线、双绞线等

5.1.6 数字标牌

数字标牌(Digital Signage)是一种全新的媒体概念， 指的是在大型商场、超市、酒店大堂、饭店、影院及其他人流汇聚的公共场所，通过大屏幕终端显示设备，发布商业、财经和娱乐信息的多媒体专业视听系统。其旨在特定的物理场所、特定的时间段对特定的人群进行广告信息播放的特性，让其获得了广告的效应。 在国外，还有人把它与纸张媒体、电台、电视和因特网并列，称之为“第五媒体”。

5.2 嵌入式技术发展的基础--集成电路

集成电路（integrated circuit）是一种微型电子器件或部件。采用一定的工艺，把一个电路中所需的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，制作在一小块或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内，成为具有所需电路功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，使电子元件向着微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面迈进了一大步。它在电路中用字母“IC”表示。集成电路发明者为杰克·基尔比（基于锗的集成电路）和罗伯特·诺伊思（基于硅的集成电路）。当今半导体工业大多数应用的是基于硅的集成电路。

5.2.1 微电子技术和产业发展的重要性

电子工业产值的增长速率是国民经济总产值增长速率的3倍，微电子产业的增长速率又是电子工业增长速率的2倍

国民经济总产值每增加100~300元就必须有10元电子工业和1元集成电路产值的支持

    集成电路对国民经济的贡献率远高于其他门类的产品，以单位质量钢筋对GDP的贡献为1计算，小汽车为5，彩电为30，计算机为1000，而集成电路的贡献率则高达2000

5.2.2 微电子技术的发展

1947年晶体管的发明；到1958年前后已研究成功一这种组件为基础的混合组件； 1958年美国的杰克 基尔比发明了第一个锗集成电路。1960年3月基尔比所在的德州仪器公司宣布了第一个集成电路产品，即多谐振荡器的诞生，它可用作二进制计数器、移位寄存器。它包括2个晶体管、4个二极管、6个电阻和4个电容，封装在0.25英寸*0.12英寸的管壳内，厚度为0.03英寸。这一发明具有划时代的意义，它掀开了半导体科学与技术史上全新的篇章。 

1960年宣布发明了能实际应用的金属氧化物—半导体场效应晶体管（metal-oxide-semiconductor field effect transistor ，MOSFET）。 1962年生产出晶体管——晶体管逻辑电路和发射极耦合逻辑电路； 由于MOS电路在高度集成和功耗方面的优点，70年代，微电子技术进入了MOS电路时代； 随着集成密度日益提高，集成电路正向集成系统发展，电路的设计也日益复杂、费事和昂贵。

实际上如果没有计算机的辅助，较复杂的大规模集成电路的设计是不可能的。

5.2.3 集成电路的研究与发展

集成电路打破了电子技术中器件与线路分离的传统，使得晶体管与电阻、电容等元器件，以及连接它们的线路都集成在一块小小的半导体基片上，为提高电子设备的性能、缩小体积、降低成本、减少能耗提供了一个新的途径，大大促进了电子工业的发展。从此，电子工业进入了IC时代。在微电子学研究中，它的空间尺度通常是微米与纳米。经过40余年的发展，集成电路已经从最初的小规模芯片，发展到目前的甚大规模集成电路和系统芯片，单个电路芯片集成的元件数从当时的十几个发展到目前的几亿个甚至几十、上百亿个。

5.2.4 SoC研究与应用

微电子技术当前发展的一个标志性的特点就是系统级芯片（SOC）概念的出现，也被称为片上系统，即集成在一个芯片上的微电子系统。电子技术是信息社会的基石，实现信息化的网络及其关键部件不管是各种计算机还是通讯电子装备，它们的基础都是集成电路。随着集成电路技术的发展、使整机、电路与元件、器件之间的明确界限被突跛，器件问题、电路问题和整机系统问题已经结合在一起。微电子技术与传统电子技术相比，其主要特征是器件和电路的微小型化，它把电路系统的设计和制造工艺紧密结合起来，适于进行大规模的批量生产，因而成本低和可靠性高。由于IC设计与工艺技术水平不断提高，集成电路规模越来越大，大型集成电路的复杂程度越来越高，已经可以将整个硬件系统集成在一个芯片上。正是在市场需求牵引和技术推动的双重作用下，出现了将整个系统集成在一个IC芯片上的系统级芯片的概念。其进一步发展中，已经可以将各种物理的、化学的和生物的敏感器用来执行信息获取功，与信息处理系统集成在一起可以完成从信息获取、处理、存储、传输到执行的系统功能，这就是一个更广意义上的系统集成芯片。

随着集成电路设计技术的进步和半导体制造工艺的发展，越来越多的电路可以集成在一块芯片内，这大幅降低了系统的成本并提高了系统的可靠性。通过使用IP (Intellectual Property )，在单个芯片上可能集成了微控制器(MCU )、数字信号处理器(DSP)、存储器、射频前端、数模和模数转换器等硬件以及完成特定功能所必需的嵌入式软件，这就是片上系统。SOC的主要特点就是包含微处理器以及完成特定功能所必需的嵌入式软件。SOC不仅指它的硬件平台，还包括了运行在其上的软件成分。

随着电子技术开发应用对集成电路IC需求量的扩大和半导体工艺水平的不断进步，超大规模集成电路VLSI技术迅猛发展。当前的半导体工艺水平己经达到了亚微米水平并正在向50nm以下发展，器件特征尺寸越来越小，芯片集成规模越来越大，数百万门级电路可以集成在一个芯片上，芯片尺寸已从逻辑限制变为焊盘限制，我们必须找到与常规集成电路设计思想不同的设计方式，它就是新世纪IC设计的主流技术。

SOC是微电子设计领域的一场革命，从整个系统的角度出发，把智能核、信息处理机制、模型算法、芯片结构、各层次电路直至器件的设计紧密结合起来，在单个或少数几个芯片上完成整个系统的功能，既我们可以把越来越多的电路设计在同一个芯片中，这里面可能包含有中央处理器(CPU)，嵌入式内存(Embedded memory)、数字信号处理器(DSP)、数字功能模块(Digital function)、模拟功能模块(Analog function)、模拟数字转换器(A/DC, D/AC)以及各种外围配置(USB, MPEG)等等，这是新发展的SOC技术。

SOC技术的研究、应用和发展是微电子技术发展的一个新的里程碑。SOC能提供更好的性能、更低的功耗、更小的印制板.空间和更低的成本，带来了电子系统设计与应用的革命性新变革，可广泛应用于移动电话、硬盘驱动器、个人数字助理和手持电子产品、消费性电子产品等。SOC是21世纪电子系统开发应用的新平台。

从应用角度划分SOC有三种类型:专用集成电路型SOC、可编程SOC和OEM型SOC。目前己有几家供应商能够提供可编程SOC，其中最为著名的有Atmel. Xilinx和Altera三家公司。从全球市场发展趋势来看，从1995年开始，SOC在集成电路市场中所占比例正在稳步增长，到2007年将接近四分之一。SOC的增长速度也一直高于集成电路平均增长速度。 SOC的应用市场，通信与消费类产品稳居前两位，随后依次为数据处理，和汽车电子。因此，如何根据市场的需求，从应用出发，推导出集成电路产品的设计规格，确定设计要求是我们需要解决的重要问题。

5.3 RFID读写器与中间件软件设计

5.3.1 RFID应用系统结构与工作原理

RFID原理之RFID标签：被称为电子标签或智能标签，它是内存带有天线的芯片，芯片中存储有能够识别目标的信息。RFID标签具有持久性，信息接收传播穿透性强，存储信息容量大、种类多等特点。有些RFID标签支持读写功能，目标物体的信息能随时被更新。

RFID原理之解读器分为手持和固定两种，由发送器，接收仪、控制模块和收发器组成。收发器和控制计算机或可编程逻辑控制器（PLC）连接从而实现它的沟通功能。解读器也有天线接收和传输信息。

RFID原理之数据传输和处理系统：解读器通过接收标签发出的无线电波接收读取数据。最常见的是被动射频系统，当解读器遇见RFID标签时，发出电磁波，周围形成电磁场，标签从电磁场中获得能量激活标签中的微芯片电路，芯片转换电磁波，然后发送给解读器，解读器把它转换成相关数据。控制计算器就可以处理这些数据从而进行管理控制。在主动射频系统中，标签中装有电池在有效范围内活动。

5.3.2 RFID读写器的结构与设计方法

5.3.3 RFID中间件的概念与结构

RFID 中间件（Middleware）技术将企业级中间件技术延伸到RFID 领域，是RFID 产业链的关键共性技术。它是RFID 读写器和应用系统之间的中介。RFID 中间件屏蔽了RFID 设备的多样性和复杂性，能够为后台业务系统提供强大的支撑，从而驱动更广泛、更丰富的RFID 应用。

RFID中间件（即RFID Edge Server）也是EPC global推荐的RFID应用框架中相当重要的一环，它负责实现与RFID硬件以及配套设备的信息交互与管理，同时作为一个软硬件集成的桥梁，完成与上层复杂应用的信息交换。鉴于使用中间件的3个主要原因，大多数中间件应由读写器适配器、事件管理器和应用程序接口3个组件组成。

5.4 无线传感器网络节点设计

5.4.1 无线传感器节点的结构

无线传感器网络系统通常包括传感器节点（sensor）、汇聚节点（sink node）和管理节点。大量传感器节点随机部署在监测区域（sensor field）内部或附近，能够通过自组织方式构成网络。传感器节点监测的数据沿着其他传感器节点逐跳地进行传输，在传输过程中监测数据可能被多个节点处理，经过多跳后路由到汇聚节点，最后通过互联网或卫星到达管理节点。用户通过管理节点对传感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据。
    传感器网络节点的组成和功能包括如下四个基本单元：传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（由嵌入式系统构成，包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由无线通信模块组成）、以及电源部分。此外，可以选择的其它功能单元包括：定位系统、运动系统以及发电装置等。

5.4.2 无线传感器网络节点设计原则

微型化与低成本

低功耗

灵活性与可扩展性

鲁棒性

传感器节点各部分能量消耗情况

5.4.3 无线传感器网络节点硬件设计

5.4.4 无线传感器网络嵌入式操作系统的研究

无线传感器网络嵌入式操作系统的研究?由于无线传感器节点具有数量大、拓扑动态变化、携带非常有限的硬件资源等特点同时计算、存储和通信等操作需要并发地调用系统资源因此需要研究适合传感器网络的新型操作系统

目前，最有代表性的是UC Berkeley的TinyOS它是一种面向无线传感器网络的新型嵌入式操作系统

5.4.5 无线传感器网络系统应用软件设计

无线传感器网络系统应用软件设计的要求:

l  面向应用

l  适应性

l  能量优化

l  模块化

l  可管理

无线传感器节点软件结构

无线传感器网络软件结构

5.5 ARM体系结构

由于ARM的强大的处理能力与其性能，目前ARM已经被广泛应用于各种嵌入式系统中。

5.5.1 ARM工作原理

嵌入式系统被定义为:以应用为中心,以计算机技术为基础,软件硬件可裁剪,适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计,量体裁衣、去除冗余,力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。32位ARM嵌入式处理器具有高性能、低功耗的特性,并且提供了可编程性和可操作性,软件的设计可以独立于硬件,已被广泛应用于消费电子。

产品、无线通信和网络通信等领域

5.5.2 ARM设计方法

典型的基于ARM嵌入式Linux系统硬件平台一般包括一个以ARM为内核的处理器、存储器和必要的外部接口与设备;其设计要点主要包括:ARM选型、bootloader开发、系统初始化、下载系统映像(操作系统固化)、存储器管理等部分

5.5.3 ARM应用软件研究

ARM应用软件的开发工具根据功能的不同，分别有编译软件、汇编软件、链接软件、调试软件、嵌入式实时操作系统、函数库、评估板、JTAG仿真器、在线仿真器等，目前世界上约有四十多家公司提供以上不同类别的产品。

用户选用ARM处理器开发嵌入式系统时，选择合适的开发工具可以加快开发进度，节省开发成本。因此一套含有编辑软件、编译软件、汇编软件、链接软件、调试软件、工程管理及函数库的集成开发环境（IDE）一般来说是必不可少的，至于嵌入式实时操作系统、评估板等其他开发工具则可以根据应用软件规模和开发计划选用。

使用集成开发环境开发基于ARM的应用软件，包括编辑、编译、汇编、链接等工作全部在PC机上即可完成，调试工作则需要配合其他的模块或产品方可完成

5.6 可穿戴计算研究及其在物联网中的应用

5.6.1 可穿戴计算机在物联网中的应用

l  可穿戴计算机可以应用于物联网远程支援、抢险救灾、医疗救护、社会治安、新闻采访、社会娱乐与军事方面。

l  为了适应不同的用户需求不同的可穿戴计算机根据其功能、与人交互方式的不同而被设计成不同的内部结构和不同的外形。

5.6.2 可穿戴计算概念产生的背景

l  可穿戴计算技术体现出“以人为本人机合一”和“无处不在的计算”的理念有力地支持着“从人围着计算机转转向计算机围着人转”这一计算机演变的重要趋势。

l  可穿戴计算系统与人类紧密结合成一个整体能够拓展人的视觉、听觉增强人的大脑记忆和应对外界环境变化的能力，延伸了人的大脑与四肢，代表着计算机的一个重要的发展趋势。

l  可穿戴计算技术研究涉及计算机科学、智能科学、光学工程、微电子技术、传感器技术、机械制造、通信科学、生物学、数学、生物医学、工业设计技术等多个交叉学科和技术领域。

5.6.3 可穿戴计算的定义和主要特征

可穿戴机是人机合一的产物。计算机虽然代替不了人，但可以增强人的能力、感知，使人真地具有三头六臂

可穿戴计算的定义和主要特征可穿戴计算机与新的人机交互模式

l  持久性

l  增强性

l  介入性

可穿戴计算机的六个属性

l  非限制性

l  非独占性

l  可觉察性

l  可控性

l  环境感知性

l  交流性

5.6.4 可穿戴计算机在提高人的感知能力方面研究的发展

1.在任何物体的表面显示屏幕

2.在手掌上显示电话键盘

3.在报纸上显示视频

4.在地图上显示场景

现有科技成果

Google Glass

2012年6月28日，谷歌通过I/O产品发布会发布了这款穿戴式IT产品。谷歌眼镜结合了声控、导航、照相与视频聊天等功能，预示了未来世界可能的样貌。一块右眼侧上方的微缩显示屏，一个右眼外侧平行放置的720p画质摄像头，一个位于太阳穴上放的触摸板，以及喇叭、麦克风、陀螺仪传感器和可以支撑6小时电力的内置电池。Google在I/O大会上公开了研发多时的Google Glass，一个近似配戴眼镜方式的辅助信息系统。尽管谢尔盖·布林并未更多透露Google Glass的工程细节，但1500美元的2013年预订价格，暗示了Google Glass的试验性质，至少按照目前无线传输和电池系统之间的能耗关系，Google Glass还无法实现很多以往科幻小说中的诸多设想。 对于这款眼镜,谷歌方面自然十分重视,公司多次向公众传达这样一个理念:穿戴式计算将成为未来的趋势.谷歌公司创始人谢尔盖?布林称,这副眼镜改变了他的活动方式.他举了一个例子:将自己的儿子用双手反复抛向空中,谷歌眼镜可以拍照并记录这一时刻.布林说:“用智能手机或照相机根本无法做到.”谷歌产品经理史蒂夫?李则表示,打造这款眼镜的目标是提升人们的社交生活,不是炫耀技术.谷歌Project Glass团队主管巴巴卡?帕韦兹称,希望人们能把科技穿在身上――眼睛、耳朵和手. 　《纽约时报》的专栏作者尼克?比尔顿,甚至将谷歌眼镜与历史上的印刷机和电影的发明相提并论,认为这一技术将改变世界.他说:“当这项技术成熟,我们就能获得解放.可穿戴计算机将使我们摆脱紧盯4英寸屏幕的生活.我们不再需要无时无刻看着设备,相反,这些可穿戴设备会回过来看着我们.”

索尼头戴式个人3D影院

1989年，日本著名漫画家鸟山明在其推出的《龙珠Z》漫画中创造了一种“战斗力侦测器”，这是一种像眼镜一样戴在头上的东西，佩戴者可以通过目测，看出每一个人的战斗力数值。23年后，谷歌公司推出了一款谷歌眼镜。虽然这款眼镜看不出战斗力，但拥有主流智能手机的所有功能，通信、数据业务一应俱全。一百多年来，全球科技发展日新月异，科技产品从想像变为现实的例子比比皆是，而其中能大规模商用的比例并不高。谷歌眼镜会是其中之一吗？值得注意的是，尽管思路完全不同，老牌电子消费企业索尼也有自己的商用化头戴式产品，而苹果公司也在动类似的脑筋。“众星捧月”之下，解放双手的头戴式设备到底离我们有多远？其实一点都不远。

苹果“眼镜”显示器

据悉，苹果的穿戴IT设备专利的摘要描述内容显示，该技术将使用一到两台显示器，以将图像投射到用户眼睛当中。通常情况下，此类显示器并不会向用户的外围视线播放图像，而苹果这项专利技术则采取了新方式，使显示器所播放图像不但会进入用户视线中，而且还能够“引导”用户视线。这也意味着苹果这项专利针对的是“淹没式”设备（完全占据用户的视线），而非谷歌智能眼镜的“走动式”设备（可同时看到周围景观）。苹果技术专利还谈到了将两个图像分别投射到用户两只眼睛的技术原理，称此举将有效解决用户戴上设备后引起的不适，并增加图像亮度和扩大视场。

苹果Iwatch

如今智能的设备已经不局限于手机和平板电脑，由谷歌研发的GoogleGlass“拓展现实”眼镜让我们眼前一亮，随着科技的进步，人类已经具备了之前很多科幻电影里面才会出现的设备，近期苹果为了叫板谷歌，也推出了一款智能设备，这就是由概念设计师Anders Kjellberg设计的智能手表—iWatch，这款手表内置了iOS系统，并且支持Facetime、WiFi、蓝牙、Airplay等功能，同时最令人惊喜的是，iWatch支持Retina触摸屏，这款手表看似和iPod nano一样，也具备16GB的存储空间，令人兴奋的是iWatch还具备8种个性化的表带，让你尽情挥洒个性。

5.7 智能机器人研究及其在物联网中的应用

5.7.1 机器人的基本概念

机器人学(robotics)是一个涉及计算机科学、人工智能方法、智能控制、精密机械、信息传感技术、生物工程的交叉学科

按照应用领域进行分类机器人可以分为民用和军用两大类

l 民用机器人又可以进一步分为工业机器人、农业机器人、服务机器人、仿人机器人、特种机器人、微机器人与微操作机器人以及空间机器人等

l 军事机器人按照应用的目的分类可以分为侦察机器人、监视机器人、排爆机器人、攻击机器人与救援机器人。按照工作环境分类可以分为地面军用机器人、水下军用机器人、空中军用机器人

5.7.2 智能机器人在物联网中的应用

工业机器人

农业机器人

医用机器人

微机器人与微操作系统机器人

仿人机器人

利用无人机进行侦查任务

利用海底爬行机器人实现海底环境数据的移动采集

第5章 物联网智能设备与嵌入式技术