物联网智能设备和嵌入式技术

第4章

物联网智能设备

与嵌入式技术1第1页第

4章知识点结构2第2页4.1智能设备研究与发展嵌入式系统（EmbeddedSystem）也称作“嵌入式计算机系统（EmbeddedComputerSystem）”它是针对特定应用，剪裁计算机软件和硬件，以适应应用系统对功效、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求专用计算机系统嵌入式系统已经用于工业、农业、军事、家电等各个领域物联网环境中各种智能设备都需要采取嵌入式技术来进行设计与制造嵌入式系统设计理论、方法与工具是物联网研究理论基础，含有主要借鉴与指导作用。3第3页4.1智能设备研究与发展

4.1.1个人计算机PCIBMPC、图形工作站、台式机、笔记本计算机、一体机与iPad4第4页4.1.2个人数字助理PDA

各种形式PDA5第5页4.1.3GPS接收机车载GPS导航仪、GPS手机与GPS手表6第6页4.1.4智能手机智能手机将是物联网中一个主要智能终端设备，很多物联网应用系统用户终端设备是基于智能手机操作系统平台上开发智能手机与个人计算机一样，含有自己独立嵌入式操作系统，能够由用户自行安装软件、游戏等第三方服务提供商程序很各种智能手机已经嵌入了RFID标签芯片与传感器芯片，成为物联网中主要移动通信、移动计算与位置服务设备7第7页Today8第8页4.1.5智能家电未来智能家电向智能化、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组成单元能够接入互联网或移动通信网智能家电称为“网络家电”智能家电能够实现互联组成一个家庭内部网络，能够与互联网连接智能家电研究对象主要是电视、冰箱、空调、洗衣机与照明设备等实现网络家电连接技术主要是蓝牙、红外、电力线、双绞线等9第9页10第10页11第11页4.1.6数字标牌数字标牌（DigitalSignage）是一个新专业多媒体视听系统，表达出一个全新媒体概念，同时也是物联网应用系统与人经过视觉交互工具数字标牌在智慧城市与智能交通中应用示例12第12页4.2嵌入式技术发展基础—集成电路

4.2.1微电子技术和产业发展主要性电子工业产值增加速率是国民经济总产值增加速率3倍，微电子产业增加速率又是电子工业增加速率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元集成电路产值支持集成电路对国民经济贡献率远高于其它门类产品，以单位质量钢筋对GDP贡献为1计算，小汽车为5，彩电为30，计算机为1000，而集成电路贡献率则高达13第13页4.2.2微电子技术发展从电子管到晶体管发展过程14第14页4.2.3集成电路研究与发展从使用分立元器件电路单元到集成电路芯片15第15页摩尔定律基本内容：集成电路集成度每18个月就翻一番特征尺寸每3年缩小1/2计算机界对于摩尔定律两点推论：微处理器性能每隔18个月提升一倍，而价格下降一倍用一个美元所能买到计算机性能，每隔18个月翻两番16第16页4.2.4SoC研究与应用SoC芯片与集成电路关系示意图17第17页补充：微电子学发展历史18第18页4.3嵌入式技术研究与发展

4.3.1环境智能化与嵌入式系统未来98%计算设备将工作在嵌入式系统中嵌入式系统是将计算与控制概念联络在一起，并嵌入到物理系统之中，实现“环境智能化”目标无线传感器网络、RFID应用系统是嵌入式技术在实现“环境智能化”方向迈出了一大步19第19页4.3.2嵌入式系统基本概念微型机应用和微处理器芯片技术发展为嵌入式系统研究奠定了基础嵌入式系统发展适应了智能控制需求嵌入式系统发展促进了芯片、操作系统、软件编程语言与体系结构研究发展嵌入式系统研究表达出多学科交叉融合特点20第20页4.3.3嵌入式系统发展过程第一阶段：以可编程序控制器系统为关键研究阶段第二阶段：以嵌入式中央处理器CPU为基础、简单操作系统为关键阶段(eg.PLC)第三阶段：以嵌入式操作系统为标志阶段第四阶段：基于网络操作嵌入式系统发展阶段21第21页22第22页4.4RFID读写器与中间件软件设计*

4.4.1RFID应用系统结构与工作原理RFID应用系统原理结构示意图23第23页4.4.2RFID读写器结构

与设计方法典型手持式RFID读写器结构24第24页4.4.3RFID中间件概念与结构RFID中间件结构示意图25第25页4.5无线传感器网络节点设计*

4.5.1无线传感器节点结构无线传感器节点结构26第26页4.5.2无线传感器网络节点设计标准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27第27页4.5.3无线传感器网络节点硬件设计传感器节点硬件部件之间关系示意图28第28页4.5.4无线传感器网络嵌入式操作系统研究因为无线传感器节点含有数量大、拓扑动态改变、携带非常有限硬件资源等特点，同时计算、存放和通信等操作需要并发地调用系统资源，所以需要研究适合传感器网络新型操作系统当前，最有代表性是UCBerkeleyTinyOS，它是一个面向无线传感器网络新型嵌入式操作系统29第29页4.5.5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要求面向应用适应性能量优化模块化可管理30第30页无线传感器节点软件结构31第31页无线传感器网络软件结构32第32页4.6可穿戴计算研究及其在物联网中应用

4.6.1可穿戴计算机在物联网中应用可穿戴计算机能够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为了适应不一样用户需求，不一样可穿戴计算机依据其功效、与人交互方式不一样，而被设计成不一样内部结构和不一样外形33第33页产品分类介绍对智能穿戴各类别中含有影响力产品进行介绍第34页产品类别之智能眼镜智能眼镜：它最多能够将眼镜、智能手机、摄像机等各种功效集于一身，经过电脑化镜片将信息展现在用户眼前；另外能够帮助随时进行拍照、录像、看视频，省去了拿出相机、手机和PAD麻烦。第35页功效：

集眼镜、智能手机、摄像机于一身价格：1500美元Google眼镜智能眼镜产品1

语音：支持语音控制如“OKGlass，Takeapicture”第36页功效：拍照和摄像价格：540元Thanko眼镜型摄像机智能眼镜产品2

语音：不支持第37页功效：运动、视频流、web和社交媒体价格：未知ReconJet

智能眼镜产品3

语音：不支持第38页产品类别之智能手环智能手环：用户能够经过手环统计日常生活中锻炼、睡眠和饮食等实数据，无屏幕显示，可将这些数据与Pad、手机等智能终端同时，起到经过数据指导健康生活作用。当前，智能手环中还未有集成语音控制功效。第39页功效：跟踪睡眠运动和饮食、空闲提醒、智能闹钟等功效，而且对监控数据进行分析上市时间：JawboneUP智能手环产品1价格：国行版1100人民币第40页功效：专为好感人士设计，测量你天天运动量，只需佩戴或手持NikeFuelband智能手环产品2上市时间：价格：1080人民币第41页功效：首款基于baidu云开发便携式可穿戴设备，可实现活动监测、睡眠监测、活动提醒、智能闹钟四大功效baidu咕咚手环智能手环产品3上市时间：.6价格：399人民币第42页产品类别之智能手表智能手表：是将手表内置智能化系统、搭载智能手机系统而连接于网络而实现多功效，能同时手机中电话、短信、邮件、照片、音乐等。3月媒体报道，苹果、三星、谷歌等科技巨头都将在晚些时候公布智能手表。美国市场研究企业CurrentAnalysis分析师AviGreengart认为可能会成为智能手表元年。第43页功效：最值得期待智能手表！Appleiwatch智能手表产品1第44页功效：支持阅读来电信息，短信，日历等，支持邮件/微博/人人以及更多扩展应用，支持音乐播放。这款智能手表是智能手机扩展，设置需要经过应用与智能手机相连然后进行设置上市时间：索尼SmartWatch智能手表产品2价格：149美元第45页功效：接听电话，看短信，邮件提醒，拍照等上市时间：价格：2398人民币三星Gear智能手表产品3语音功效：支持三星SVoice语音操控命令，在国内与baidu达成战略合作，内置baidu语音助手实现对应功效调用第46页SonySmartWatch智能手表产品4功效：定位智能手机配件（当前只支持配对安卓手机），拨打电话、看短信、看邮件、拍照、查天气等上市时间：价格：1000左右人民币第47页硅谷创业Pebble智能手表产品5功效：GPS定位、音乐播放、接打电话、收发邮件、收发短信、日历提醒、接收Facebook、天气以及推文信息

上市时间：价格：149美元第48页谷歌Nexus和motoI’mwatch智能手表产品6功效：未知。最值得期待是谷歌now语音功效加入，将带来智能手表语音应用风暴。第49页产品类别之智能穿着智能穿着：衣服、裤子、鞋子、衣物装饰等，统计日常生活中运动情况、睡眠和饮食等实数据，无屏幕显示，可将这些数据与Pad、手机等智能终端同时，起到经过数据指导健康生活作用。第50页功效：搜集运动情况价格：￥169Google智能鞋智能穿着产品1

语音：未知第51页功效：搜集运动情况价格：未定价小米智能鞋智能穿着产品2

语音：未知第52页功效：率领盲人到其指定位置，同时防止可能发生碰撞以及障碍物躲避等。价格：暂无LeChal智能盲人鞋智能穿着产品3

语音：未知第53页功效：娱乐，让音乐兴趣者可随时拍打节拍价格：29美元鼓点T恤智能穿着产品3

语音：无第54页功效：佩戴于胸前衣服之上，能够在人们从事跑步、足球以及网球等体育运动时监测统计人体奔跑速度、反应速度、跳跃力、心率以及锻炼时间价格：$20AdidasmiCoachX_Cell

智能穿着产品4上市时间：未知第55页4.6.2可穿戴计算概念产生背景可穿戴计算技术表达出“以人为本，人机合一”和“无处不在计算”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”这一计算机演变主要趋势可穿戴计算系统与人类紧密结合成一个整体，能够拓展人视觉、听觉，增强人大脑记忆和应对外界环境改变能力，延伸了人大脑与四肢，代表着计算机一个主要发展趋势可穿戴计算技术研究包括计算机科学、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56第56页4.6.3可穿戴计算定义和主要特征可穿戴计算机与新人机交互模式：持久性增强性介入性可穿戴计算机六个属性：非限制性非独占性可觉察性可控性环境感知性交流性57第57页可穿戴计算机三大能力：移动计算能力智能助手能力各种控制能力58第58页4.5.4可穿戴计算机在提升人感知能力方面研究发展59第59页4.7智能机器人研究及其在物联网中应用60第60页4.7.1机器人基本概念机器人学(robotics)是一个包括计算机科学、人工智能方法、智能控制、精密机械、信息传感技术、生物工程交叉学科按照应用领域进行分类，机器人能够分为民用和军用两大类民用机器人又能够深入分为工业机器人、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，以及空间机器人等军事机器人按照应用目标分类，能够分为侦察机器人、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，能够分为地面军用机器人、水下军用机器人、空中军用机器人61第61页智能机器人在物联网中应用前景经过网络控制智能机器人正在向我们展示出对世界超强感知能力与智能处理能力智能机器人能够在物联网环境保护、防灾救灾、安全保卫、航空航天、军事，以及工业、农业、医疗卫生等领域应用中发挥主要作用，必将成为物联网主要组员物联网催生很多含有计算、通信、控制、协同和自治性能智能设备，实现实时感知、