物联网-物联网智能设备与嵌入式技术

智能设备的研究与发展

• 嵌入式系统（Embedded System）也称作“嵌入式计算机系统（Embedded Computer System）”
• 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。

个人计算机PC

• IBM PC、图形工作站、台式机、笔记本计算机、一体机与iPad

个人数字助理PDA

GPS接收机

• 车载GPS导航仪、GPS手机与GPS手表

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

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

数字标牌

• 数字标牌（Digital Signage）是一种新的专业多媒体视听系统，体现出一种全新的媒体概念，同时也是物联网应用系统与人通过视觉交互的工具
• 数字标牌在智慧城市与智能交通中的应用示例

嵌入式技术发展的基础—集成电路

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

微电子技术的发展

从电子管到晶体管的发展过程

集成电路的研究与发展

从使用分立元器件的电路单元到集成电路芯片

摩尔定律的基本内容：

• 集成电路的集成度每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的两点推论：

• 微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一倍
• 用一个美元所能买到的计算机性能，每隔18个月翻两番

SoC研究与应用

SoC芯片与集成电路的关系示意图

嵌入式技术的研究与发展

环境智能化与嵌入式系统

• 未来98%的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的概念联系在一起，并嵌入到物理系统之中，实现“环境智能化”的目的
• 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

嵌入式系统的基本概念

• 微型机应用和微处理器芯片技术的发展为嵌入式系统研究奠定了基础
• 嵌入式系统的发展适应了智能控制的需求
• 嵌入式系统的发展促进了芯片、操作系统、软件编程语言与体系结构研究的发展
• 嵌入式系统的研究体现出多学科交叉融合的特点

嵌入式系统发展的过程

• 第一阶段：以可编程序控制器系统为核心的研究阶段
• 第二阶段：以嵌入式中央处理器CPU为基础、简单操作系统为核心的阶段(eg.PLC)
• 第三阶段：以嵌入式操作系统为标志的阶段
• 第四阶段：基于网络操作的嵌入式系统发展阶段

RFID读写器与中间件软件设计

RFID应用系统结构与工作原理

RFID应用系统原理结构示意图

RFID读写器结构与设计方法

典型手持式RFID读写器结构

RFID中间件的概念与结构

RFID中间件结构示意图

无线传感器网络节点设计

无线传感器节点的结构

无线传感器节点结构

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

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

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

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

• 面向应用
• 适应性
• 能量优化
• 模块化
• 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

可穿戴计算研究及其在物联网中的应用

可穿戴计算机在物联网中的应用

• 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
• 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

可穿戴计算概念产生的背景

• 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
• 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
• 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

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：

• 持久性
• 增强性
• 介入性

可穿戴计算机的六个属性：

• 非限制性
• 非独占性
• 可觉察性
• 可控性
• 环境感知性
• 交流性

可穿戴计算机的三大能力：

• 移动计算能力
• 智能助手能力
• 多种控制能力

可穿戴计算机在提高人的感知能力方面研究的发展

智能机器人研究及其在物联网中的应用

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
• 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
• 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

智能机器人在物联网中的应用前景

• 通过网络控制的智能机器人正在向我们展示出对世界超强的感知能力与智能处理能力
• 智能机器人可以在物联网的环境保护、防灾救灾、安全保卫、航空航天、军事，以及工业、农业、医疗卫生等领域的应用中发挥重要的作用，必将成为物联网的重要成员
• 物联网催生很多具有计算、通信、控制、协同和自治性能的智能设备，实现实时感知、动态控制和信息服务，智能机器人与物联网研究有很多共通之处
• 智能机器人的研究成果与研究方法对于物联网理论研究具有极为重要的指导与借鉴意义

智能机器人在物联网中的应用

工业机器人

农业机器人

服务机器人

医用机器人

微机器人与微操作机器人

仿人机器人

特种机器人：

• 救援机器人
• 危险环境工作的机器人
• 探险机器人

军用机器人

利用无人机对建筑物结构安全性数据的移动采集

利用海底爬行机器人实现海底环境数据的移动采集