物联网工程导论第4章

1、1吴功宜 吴英 编著 物联网工程导论第4章物联网智智能设备备与嵌入式式技术2第 4章知识点结构34.1智能设备备的研究究与发展展嵌入式系系统（EmbeddedSystem）也称作作“嵌入入式计算算机系统统（EmbeddedComputerSystem）”它是针对对特定的的应用，剪裁计算机的的软件和硬硬件，以以适应应应用系统统对功能能、可靠性、成本、体积、功耗有有严格要要求的专用计算算机系统嵌入式系系统已经经用于工工业、农农业、军军事、家家电等各各个领域域物联网环环境中的的各种智智能设备备都需要要采用嵌嵌入式技技术来进进行设计计与制造造嵌入式系系统的设设计理论论、方法法与工具具是物联联网研究究的

2、理论论基础，具有重重要的借借鉴与指指导作用用。44.1智能设备备的研究究与发展展4.1.1个人计算算机PCIBMPC、图形工工作站、台式机机、笔记记本计算算机、一一体机与与iPad54.1.2个人数字字助理PDA各种形式式的PDA64.1.3GPS接收机车载GPS导航仪、GPS手机与GPS手表74.1.4智能手机机智能手机机将是物物联网中中一种重重要的智智能终端端设备，很多物物联网应应用系统统的用户户终端设设备是基基于智能能手机操操作系统统平台上上开发的的智能手机机与个人人计算机机一样，具有自自己独立立的嵌入入式操作作系统，可以由由用户自自行安装装软件、游戏等等第三方方服务提提供商的的程序很多

3、种智智能手机机已经嵌嵌入了RFID标签芯片片与传感感器芯片片，成为为物联网网中重要要的移动动通信、移动计计算与位位置服务务的设备备84.1.5智能家电电未来的智智能家电电向智能能化、自自适应和和网络化化方向发发展，智能家电电将成为为物联网网中智慧慧家居应应用中主主要的组组成单元元可以接入入互联网网或移动动通信网网的智能能家电称称为“网网络家电电”智能家电电可以实实现互联联组成一一个家庭庭内部网网络，可可以与互互联网连连接智能家电电研究的的对象主主要是电电视、冰箱、空调、洗衣机与与照明设备备等实现网络络家电连连接的技技术主要要是蓝牙牙、红外、电电力线、双绞线等94.1.6数字标牌牌数字标牌牌（D

4、igital Signage）是一种种新的专专业多媒媒体视听听系统，体现出出一种全全新的媒媒体概念念，同时时也是物物联网应应用系统统与人通通过视觉觉交互的的工具数字标牌牌在智慧慧城市与与智能交交通中的的应用示例104.2嵌入式技技术发展展的基础础集成电路路4.2.1微电子技技术和产产业发展展的重要要性电子工业业产值的的增长速速率是国国民经济济总产值值增长速速率的3倍，微电电子产业业的增长长速率又又是电子子工业增增长速率率的2倍国民经济济总产值值每增加加100300元，就必必须有10元电子工工业和1元集成电电路产值值的支持持集成电路路对国民民经济的的贡献率率远高于于其他门门类的产产品，以以单位质

5、质量钢筋筋对GDP的贡献为为1计算，小小汽车为为5，彩电为为30，计算机机为1000，而集成成电路的的贡献率率则高达达2000114.2.2微电子技技术的发发展从电子管管到晶体体管的发发展过程程124.2.3集成电路路的研究究与发展展从使用分分立元器器件的电电路单元元到集成成电路芯芯片13摩尔定律律的基本本内容：集成电路路的集成成度每18个月就翻翻一番特征尺寸寸每3年缩小1/2计算机界界对于摩摩尔定律律的两点点推论：微处理器器的性能能每隔18个月提高高一倍，而价格格下降一一倍用一个美美元所能能买到的的计算机机性能，每隔18个月翻两两番144.2.4SoC研究与应应用SoC芯片与集集成电路路的关

6、系系示意图图154.3嵌入式技技术的研研究与发发展4.3.1环境智能能化与嵌嵌入式系系统未来98%的计算设设备将工工作在嵌嵌入式系系统中嵌入式系系统是将将计算与与控制的的概念联联系在一一起，并并嵌入到到物理系系统之中中，实现现“环境境智能化化”的目目的无线传感感器网络络、RFID应用系统统是嵌入入式技术术在实现现“环境境智能化化”方向向迈出了了一大步步164.3.2嵌入式系系统的基基本概念念微型机应应用和微微处理器器芯片技技术的发发展为嵌嵌入式系系统研究究奠定了了基础嵌入式系系统的发发展适应应了智能能控制的的需求嵌入式系系统的发发展促进进了芯片片、操作作系统、软件编编程语言言与体系系结构研研究

7、的发发展嵌入式系系统的研研究体现现出多学学科交叉叉融合的的特点174.3.3嵌入式系系统发展展的过程程第一阶段段：以可可编程序序控制器器系统为为核心的的研究阶阶段第二阶段段：以嵌嵌入式中中央处理理器CPU为基础、简单操操作系统统为核心心的阶段段第三阶段段：以嵌嵌入式操操作系统统为标志志的阶段段第四阶段段：基于于网络操操作的嵌嵌入式系系统发展展阶段184.4RFID读写器与与中间件件软件设设计*4.4.1RFID应用系统统结构与与工作原原理RFID应用系统统原理结结构示意意图194.4.2RFID读写器结结构与设计方方法典型手持式RFID读写器结构204.4.3RFID中间件的的概念与与结构RF

8、ID中间件结结构示意意图214.5无线传感感器网络络节点设设计*4.5.1无线传感感器节点点的结构构无线传感感器节点点结构224.5.2无线传感感器网络络节点设设计原则则微型化与与低成本本低功耗灵活性与与可扩展展性鲁棒性传感器节节点各部部分能量量消耗情情况234.5.3无线传感感器网络络节点硬硬件设计计传感器节节点硬件件部件之之间关系系示意图图244.5.4无线传感感器网络络嵌入式式操作系系统的研研究由于无线线传感器器节点具具有数量量大、拓拓扑动态态变化、携带非非常有限限的硬件件资源等等特点，同时计计算、存存储和通通信等操操作需要要并发地地调用系系统资源源，因此此需要研研究适合合传感器器网络的

9、的新型操操作系统统目前，最最有代表表性的是是UCBerkeley的TinyOS，它是一一种面向向无线传传感器网网络的新新型嵌入入式操作作系统254.5.5无线传感感器网络络系统应应用软件件设计无线传感感器网络络系统应应用软件件设计的的要求面向应用用适应性能量优化化模块化可管理26无线传感感器节点点软件结结构27无线传感感器网络络软件结结构284.6可穿戴计计算研究究及其在在物联网网中的应应用4.6.1可穿戴计计算机在在物联网网中的应应用可穿戴计计算机可可以应用用于物联联网远程程支援、抢险救救灾、医医疗救护护、社会会治安、新闻采采访、社社会娱乐乐与军事事方面为了适应应不同的的用户需需求，不不同的

10、可可穿戴计计算机根根据其功功能、与与人交互互方式的的不同，而被设设计成不不同的内内部结构构和不同同的外形形294.6.2可穿戴计计算概念念产生的的背景可穿戴计计算技术术体现出出“以人人为本，人机合合一”和和“无处处不在的的计算”的理念念，有力力地支持持着“从从人围着着计算机机转，转转向计算算机围着着人转” 这一一计算机机演变的的重要趋趋势可穿戴计计算系统统与人类类紧密结结合成一一个整体体，能够够拓展人人的视觉觉、听觉觉，增强强人的大大脑记忆忆和应对对外界环环境变化化的能力力，延伸伸了人的的大脑与与四肢，代表着着计算机机的一个个重要的的发展趋趋势可穿戴计计算技术术研究涉涉及计算算机科学学、智能能

11、科学、光学工工程、微微电子技技术、传传感器技技术、机机械制造造、通信信科学、生物学学、数学学、生物物医学、工业设设计技术术等多个个交叉学学科和技技术领域域304.6.3可穿戴计计算的定定义和主主要特征征可穿戴计计算机与与新的人机交交互模式式：持久性增强性介入性可穿戴计计算机的的六个属性：非限制性性非独占性性可觉察性性可控性环境感知知性交流性31可穿戴计计算机的的三大能能力：移动计算算能力智能助手手能力多种控制制能力324.5.4可穿戴计计算机在在提高人人的感知知能力方方面研究究的发展展334.7智能机器器人研究究及其在在物联网网中的应应用4.7.1机器人的的基本概概念机器人学学(robotic

12、s)是一个涉涉及计算算机科学学、人工工智能方方法、智智能控制制、精密密机械、信息传传感技术术、生物物工程的的交叉学学科按照应用用领域进进行分类类，机器器人可以以分为民民用和军军用两大大类民用机器器人又可可以进一一步分为为工业机机器人、农业机机器人、服务机机器人、仿人机机器人、特种机机器人、微机器器人与微微操作机机器人，以及空空间机器器人等军事机器器人按照照应用的的目的分分类，可可以分为为侦察机机器人、监视机机器人、排爆机机器人、攻击机机器人与与救援机机器人。按照工工作环境境分类，可以分分为地面面军用机机器人、水下军军用机器器人、空空中军用用机器人人34智能机器器人在物物联网中中的应用用前景通过网络络控制的的智能机机器人正正在向我我们展示示出对世世界超强强的感知知能力与与智能处处理能力力智能机器器人可以以在物联联网的环环境保护护、防灾灾救灾、安全保保卫、航航空航天天、军事事，以及及工业、农业、医疗卫卫生等领领域的应应用中发发挥重要要的作用用，必将将成为物物联网的的重要成成员物联网催催生很多多具有计计算、通通信、控控制、协协同和自自治性能能的智能能设备，实现实实时感知知、动态态控制和和信息服服务，智智能机器器人与物物联网研研究有很很多共通通之处智能机器器人的研研究成果果与研究究方法对对于物联联网理