物联网智能设备与嵌入式技术培训课件

吴功宜吴英编著《物联网工程导论》第4章

物联网智能设备

与嵌入式技术第

4章知识点结构4.1智能设备的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。4.1智能设备的研究与发展

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iPad4.1.2个人数字助理PDA

各种形式的PDA4.1.3GPS接收机车载GPS导航仪、GPS手机与GPS手表4.1.4智能手机智能手机将是物联网中一种重要的智能终端设备，很多物联网应用系统的用户终端设备是基于智能手机操作系统平台上开发的智能手机与个人计算机一样，具有自己独立的嵌入式操作系统，可以由用户自行安装软件、游戏等第三方服务提供商的程序很多种智能手机已经嵌入了RFID标签芯片与传感器芯片，成为物联网中重要的移动通信、移动计算与位置服务的设备4.1.5智能家电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可以接入互联网或移动通信网的智能家电称为“网络家电”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4.1.6数字标牌牌数字标牌牌（DigitalSignage）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4.2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100~300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20004.2.2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4.2.3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4.2.4SoC研究与应应用SoC芯片与集集成电路路的关系系示意图图4.3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4.3.2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4.3.3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4.4RFID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4.4.2RFID读写器结结构与设计方方法典型手持式RFID读写器结构4.4.3RFID中间件的的概念与与结构RFID中间件结结构示意意图4.5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4.5.2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4.5.3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4.5.4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4.5.5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无线传感感器节点点软件结结构无线传感感器网络络软件结结构4.6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4.6.2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算技技术研究涉及及计算机科学学、智能科学学、光学工程程、微电子技技术、传感器器技术、机械械制造、通信信科学、生物物学、数学、、生物医学、、工业设计技技术等多个交交叉学科和技技术领域4.6.3可穿戴计算的的定义和主要要特征可穿戴计算机机与新的人机交互模模式：持久性增强性介入性可穿戴计算机机的六个属性：非限制性非独占性可觉察性可控性环境感知性交流性可穿戴计算机机的三大能力力：移动计算能力力智能助手能力力多种控制能力力4.5.4可穿戴计算机机在提高人的的感知能力方方面研究的发发展4.7智能机器人研研究及其在物物联网中的应应用4.7.1机器人的基本本概念机器人学(robotics)是一个涉及计计算机科学、、人工智能方方法、智能控控制、精密机机械、信息传传感技术、生生物工程的交交叉学科按照应用领域域进行分类，，机器人可以以分为民用和和军用两大类类民用机器人又又可以进一步步分为工业机机器人、农业业机器人、服服务机器人、、仿人机器人人、特种机器器人、微机器器人与微操作作机器人，以以及空间机器器人等军事机器人按按照应用的目目的分类，可可以分为侦察察机器人、监监视机器人、、排爆机器人人、攻击机器器人与救援机机器人。按照照工作环境分分类，可以分分为地面军用用机器人、水水下军用机器器人、空中军军用机器人智能机器人在在物联网中的的应用前景通过网络控制制的智能机器器人正在向我我们展示出对对世界超强的的感知能力与与智能处理能能力智能机器人可可以在物联网网的环境保护护、防灾救灾灾、安全保卫卫、航空航天天、军事，以以及工业、农农业、医疗卫卫生等领域的的应用中发挥挥重要的作用用，必将成为为物联网的重重要成员物联网催生很很多具有计算算、通信、控控制、协同和和自治性能的的智能设备，，实现实时感感知、动态控控制和信息服服务，智能机机器人与物联联网研究有很很多共通之处处智能机器人