語(yǔ)文嵌入式教學(xué)_從嵌入式系統(tǒng)視角看物聯(lián)網(wǎng)

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語(yǔ)文嵌入式教學(xué)_從嵌入式系統(tǒng)視角看物聯(lián)網(wǎng),   

物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算不是概念炒作，是互聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)發(fā)展到高級(jí)階段的融合。物聯(lián)網(wǎng)涵蓋了眾多的學(xué)科領(lǐng)域，需要從眾多學(xué)科視角來科學(xué)地詮釋物聯(lián)網(wǎng)。作為物聯(lián)網(wǎng)重要技術(shù)組成的嵌入式系統(tǒng)，具有20多年的物聯(lián)史，嵌入式系統(tǒng)視角有助于深刻地、全面地理解物聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)。

1從嵌入式系統(tǒng)看物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是在微處理器基礎(chǔ)上，通用計(jì)算機(jī)與嵌入式系統(tǒng)發(fā)展到高級(jí)階段相互融合的產(chǎn)物。物聯(lián)網(wǎng)囊括了多個(gè)學(xué)科、具有無(wú)限多的應(yīng)用領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)有3個(gè)源頭：智慧源頭、網(wǎng)絡(luò)源頭、物聯(lián)源頭。智慧源頭是微處理器，網(wǎng)絡(luò)源頭是互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)源頭是嵌入式系統(tǒng)�？茖W(xué)地定義物聯(lián)時(shí)，必須充分了解這3個(gè)源頭。圖1表示了物聯(lián)網(wǎng)3個(gè)源頭的發(fā)展史，以及它們之間的相互關(guān)系。

無(wú)論是通用計(jì)算機(jī)還是嵌入式系統(tǒng)，都可以溯源到半導(dǎo)體集成電路。微處理器的誕生，為人類工具提供了一個(gè)歸一化的智力內(nèi)核。在微處理器基礎(chǔ)上的通用微處理器與嵌入式處理器，形成了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)知識(shí)革命的兩大分支，即通用計(jì)算機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)展時(shí)代。通用計(jì)算機(jī)經(jīng)歷了從智慧平臺(tái)到互聯(lián)網(wǎng)的獨(dú)立發(fā)展道路;嵌入式系統(tǒng)則經(jīng)歷了智慧物聯(lián)到局域智慧物聯(lián)的獨(dú)立發(fā)展道路。物聯(lián)網(wǎng)是通用計(jì)算機(jī)的互聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)單機(jī)或局域物聯(lián)在高級(jí)階段融合后的產(chǎn)物。物聯(lián)網(wǎng)中，微處理器的無(wú)限彌散，以“智慧細(xì)胞”形式，賦予物聯(lián)網(wǎng)“智慧地球”的智力特征。因此，必須從3個(gè)源頭和多學(xué)科視角，來科學(xué)地定義與詮釋物聯(lián)網(wǎng)。

與嵌入式系統(tǒng)一樣，與物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的學(xué)科有微電子學(xué)科、計(jì)算機(jī)學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科，以及無(wú)限多的對(duì)象應(yīng)用學(xué)科。任何一個(gè)學(xué)科在詮釋物聯(lián)網(wǎng)時(shí)都會(huì)出現(xiàn)片面性。在詮釋物聯(lián)網(wǎng)時(shí)要有“瞎子摸象”的精神，綜合不同的視角，才能逼近事物的真相。

目前，在尋找物聯(lián)網(wǎng)的定義時(shí)，又會(huì)想起那個(gè)說不清“嵌入式”含義，基于描述式的嵌入式系統(tǒng)定義。如今物聯(lián)網(wǎng)定義又面臨無(wú)法說清“物聯(lián)”本質(zhì)的尷尬境地。其根本原因是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)知識(shí)革命進(jìn)入通用計(jì)算機(jī)與嵌入式系統(tǒng)的獨(dú)立發(fā)展時(shí)代后，嵌入式系統(tǒng)沒有獨(dú)立的形態(tài)，人們看到的只是通用計(jì)算機(jī)，看不到嵌入式系統(tǒng)，也不了解嵌入式系統(tǒng)的物聯(lián)史。

2物聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)源頭

物聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)源頭是嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)誕生于嵌入式處理器，距今已有30多年歷史。早期經(jīng)歷過電子技術(shù)領(lǐng)域獨(dú)立發(fā)展的單片機(jī)時(shí)代，進(jìn)入21世紀(jì)，才進(jìn)入多學(xué)科支持下的嵌入式系統(tǒng)時(shí)代。從誕生之日起，嵌入式系統(tǒng)就以“物聯(lián)”為己任，具體表現(xiàn)為：嵌入到物理對(duì)象中，實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象的智能化。20年前，筆者在《MCS51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)》[1]一書中提出過單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的4個(gè)通道接口的概念，它適用于一切嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)基礎(chǔ)。圖2描述了嵌入式系統(tǒng)的物聯(lián)源頭。

在嵌入式處理器或微控制器基礎(chǔ)上的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，嵌入到物理對(duì)象中，給物理對(duì)象完整的物聯(lián)界面。與物理參數(shù)相聯(lián)的是前向通道的傳感器接口;與物理對(duì)象相聯(lián)的是后向通道的控制接口;實(shí)現(xiàn)人-物交互的是人機(jī)交互接口;實(shí)現(xiàn)物-物交互的是通信接口。

從圖2可以看出，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)可以提供多種物聯(lián)方式。以傳感器網(wǎng)為例，傳感器不具有網(wǎng)絡(luò)接入功能，只有通過嵌入式處理器，或嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的傳感器轉(zhuǎn)化成智能傳感器，才有可能通過相互通道的通信接口互聯(lián)，或接入互聯(lián)網(wǎng)，形成局域傳感器網(wǎng)或廣域傳感器網(wǎng)。

嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)歷經(jīng)20多年的發(fā)展，目前大多具備了局域互聯(lián)或與互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)功能。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的局域網(wǎng)有RS485總線網(wǎng)、CAN總線網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)，以及無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)、嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)局域網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)接，將互聯(lián)網(wǎng)變革到物聯(lián)網(wǎng)。

GPS誕生后，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)則實(shí)現(xiàn)了物理對(duì)象的時(shí)空定位，保證了物聯(lián)網(wǎng)中物理對(duì)象有完整的物理信息。在實(shí)現(xiàn)物聯(lián)時(shí)，不僅可以提供物理對(duì)象的物理參數(shù)、物理狀態(tài)信息，還可提供物理對(duì)象的時(shí)空定位信息。

3物聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)事件

物質(zhì)世界的無(wú)限性，決定了物聯(lián)網(wǎng)有無(wú)限多的應(yīng)用領(lǐng)域。然而，每一個(gè)具體的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，都存在于一個(gè)具體的物聯(lián)系統(tǒng)之中。如交通違章管理物聯(lián)系統(tǒng)、智能家居物聯(lián)系統(tǒng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療救助物聯(lián)系統(tǒng)、超市自助收費(fèi)物聯(lián)系統(tǒng)等。而物聯(lián)系統(tǒng)中每一個(gè)獨(dú)立、自主的任務(wù)過程，都可稱為物聯(lián)網(wǎng)事件。

原有的交通違章管理系統(tǒng)中，通過交通違章的視頻監(jiān)控系統(tǒng)將違章事件在網(wǎng)上公示，駕駛員通過網(wǎng)上查詢得知違章信息后，到銀行繳納罰金。如果能通過汽車電子網(wǎng)絡(luò)，將駕駛員的物理信息通過手機(jī)終端與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)，同時(shí)將視頻監(jiān)控系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)，便可形成一個(gè)交通違章管理的物聯(lián)系統(tǒng)。在這個(gè)物聯(lián)系統(tǒng)中，當(dāng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)違章事件，會(huì)立即上傳到互聯(lián)網(wǎng)，并以手機(jī)通信方式實(shí)時(shí)告知駕駛?cè)藛T，在駕駛?cè)藛T確認(rèn)違章行為后，可立即完成網(wǎng)上罰金支付。這就是交通違章管理物聯(lián)系統(tǒng)中的一個(gè)具體的物聯(lián)網(wǎng)事件。

可以將不同物聯(lián)系統(tǒng)中眾多的物聯(lián)網(wǎng)事件，抽象出3個(gè)典型的行為過程，即事件激勵(lì)、信息處理、結(jié)果輸出，簡(jiǎn)稱激勵(lì)、處理與輸出。一個(gè)完整的物聯(lián)網(wǎng)事件，應(yīng)該具備有這樣3個(gè)行為過程。

3.1物聯(lián)網(wǎng)事件的事件激勵(lì)

物聯(lián)網(wǎng)事件的事件激勵(lì)，是物聯(lián)網(wǎng)事件的激發(fā)因素。只有當(dāng)物聯(lián)系統(tǒng)中出現(xiàn)了激勵(lì)事件時(shí)，才能引發(fā)物聯(lián)網(wǎng)事件。例如，在交通違章管理的物聯(lián)系統(tǒng)中，“違章事件”便是物聯(lián)網(wǎng)事件的“激勵(lì)”行為。

物聯(lián)網(wǎng)事件的“激勵(lì)”，有主動(dòng)激勵(lì)與被動(dòng)激勵(lì)。主動(dòng)激勵(lì)常常是可預(yù)見性的激勵(lì)，被動(dòng)激勵(lì)常常是不可預(yù)見性的。在智能家居物聯(lián)系統(tǒng)中，主人對(duì)家居電氣設(shè)備產(chǎn)生遠(yuǎn)程監(jiān)控的激勵(lì)是主動(dòng)激勵(lì);智能家居中出現(xiàn)火情的事件激勵(lì)，是被動(dòng)激勵(lì)。

在物聯(lián)網(wǎng)事件的“激勵(lì)”中，通常都包含有對(duì)其后信息處理、控制輸出要求的原始信息。如智能家居物聯(lián)系統(tǒng)中，主人產(chǎn)生對(duì)電冰箱的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，是要了解冰箱中的食品狀況;對(duì)空調(diào)的遠(yuǎn)程控制，是要開啟或關(guān)閉空調(diào)。

3.2物聯(lián)網(wǎng)事件的信息處理

物聯(lián)網(wǎng)事件的信息處理，是物聯(lián)系統(tǒng)在收到激勵(lì)事件后，對(duì)激勵(lì)事件的原始信息解讀，以及在物聯(lián)網(wǎng)事件路徑上，與信息相關(guān)的采集、分析、處理與傳輸。例如，智能家居物聯(lián)系統(tǒng)中，出現(xiàn)了手機(jī)方式的空調(diào)遠(yuǎn)程控制“激勵(lì)”，便會(huì)啟動(dòng)對(duì)手機(jī)事件激勵(lì)中的信息解讀，核實(shí)主人身份，了解控制對(duì)象及對(duì)象的狀態(tài)要求控制;隨后采集室內(nèi)溫度、濕度狀況，作出空調(diào)機(jī)的運(yùn)行策略。

在物聯(lián)網(wǎng)事件路徑上，有眾多微處理器，它們以通用計(jì)算機(jī)或嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)方式彌散在物聯(lián)系統(tǒng)中。每個(gè)微處理器都承擔(dān)著相應(yīng)的信息處理任務(wù)。

3.3物聯(lián)網(wǎng)事件的結(jié)果輸出

物聯(lián)網(wǎng)事件的結(jié)果輸出，是物聯(lián)系統(tǒng)對(duì)事件激勵(lì)的響應(yīng)。在物聯(lián)網(wǎng)事件的“激勵(lì)”中包含了結(jié)果輸出的目的性要求。在物聯(lián)系統(tǒng)正常狀態(tài)下，結(jié)果輸出會(huì)充分滿足這些要求。例如，智能家居物聯(lián)系統(tǒng)中，遠(yuǎn)程空調(diào)控制必須滿足主人對(duì)空調(diào)設(shè)定的控制要求;遠(yuǎn)程冰箱監(jiān)視必須提供滿足主人要求了解的真實(shí)儲(chǔ)物信息。

物聯(lián)網(wǎng)事件的結(jié)果輸出，是物聯(lián)系統(tǒng)對(duì)事件激勵(lì)的響應(yīng)。因此，物聯(lián)網(wǎng)事件響應(yīng)的結(jié)果輸出，有不同的實(shí)時(shí)性要求。智能家居物聯(lián)系統(tǒng)中出現(xiàn)出火警、匪警，必須立即有報(bào)警響應(yīng);遠(yuǎn)程冰箱監(jiān)視時(shí)，須及時(shí)告知冰箱儲(chǔ)存狀況;遠(yuǎn)程空調(diào)控制時(shí)，可設(shè)定在某個(gè)時(shí)間點(diǎn)上完成某個(gè)控制行為。

4物聯(lián)網(wǎng)事件的行為元素

物聯(lián)網(wǎng)中有眾多的物聯(lián)系統(tǒng)，物聯(lián)系統(tǒng)中有眾多的物聯(lián)網(wǎng)事件。不同的物聯(lián)網(wǎng)事件中，有許多不同的行為過程。物聯(lián)網(wǎng)中所有不同的事件過程，都有相同的行為元素。這些行為元素是物儲(chǔ)、物感、物控、物信、物管、物互。

4.1物聯(lián)網(wǎng)的存儲(chǔ)（物儲(chǔ)）

物聯(lián)網(wǎng)的物儲(chǔ)元素，是物聯(lián)系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)事件的知識(shí)與信息的存儲(chǔ)行為。為了滿足物聯(lián)系統(tǒng)構(gòu)建，滿足物聯(lián)網(wǎng)事件過程要求，物聯(lián)系統(tǒng)中要有足夠的存儲(chǔ)空間，以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)系統(tǒng)中的電子化信息存儲(chǔ)、真實(shí)世界的虛擬存儲(chǔ)、虛實(shí)交互存儲(chǔ)與數(shù)字文件存儲(chǔ)等。

電子化信息存儲(chǔ)，是網(wǎng)絡(luò)實(shí)名制的個(gè)人及其財(cái)、物等的信息存儲(chǔ);真實(shí)世界的虛擬存儲(chǔ)，是數(shù)字化系統(tǒng)的虛擬存儲(chǔ)，如網(wǎng)上銀行、購(gòu)物系統(tǒng)、交管系統(tǒng)、認(rèn)證系統(tǒng)等的虛擬系統(tǒng)存儲(chǔ);虛實(shí)交互存儲(chǔ)，是物理認(rèn)證環(huán)境基礎(chǔ)上的數(shù)字化虛擬存儲(chǔ)，如FPGA的物理認(rèn)證基礎(chǔ)上，集成電路、IP核、系統(tǒng)電路的數(shù)字化文件虛擬存儲(chǔ);數(shù)字文件存儲(chǔ)，則是圖片、音視頻資料存儲(chǔ)。

物聯(lián)網(wǎng)中所有的存儲(chǔ)內(nèi)容，都是“0、1”數(shù)字符號(hào)歸一化的量子化存儲(chǔ)，與具體物質(zhì)無(wú)關(guān)。因此，物聯(lián)網(wǎng)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可以在不同的介質(zhì)中轉(zhuǎn)換或傳輸。

4.2物聯(lián)網(wǎng)的傳感（物感）

物聯(lián)網(wǎng)的物感元素，是物聯(lián)系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)事件對(duì)物理對(duì)象的感知行為。這種感知行為的源頭，是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中傳感器的數(shù)字釆集。通常，物聯(lián)網(wǎng)事件中的感知有物理對(duì)象的物理狀態(tài)感知、物理參數(shù)感知，以及感知對(duì)象的時(shí)間、空間定位信息。物理狀態(tài)信息與物理參數(shù)信息感知，通常是依靠各種類型的傳感器將物理狀態(tài)與物理參數(shù)變換成模擬電壓信號(hào)，然后通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，輸入到嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的前向通道中;物理對(duì)象的時(shí)間、空間定位信息則依靠嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)的交互感知。

4.3物聯(lián)網(wǎng)的控制（物控）

物聯(lián)網(wǎng)的物控元素，是物聯(lián)系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)事件對(duì)物理對(duì)象的控制行為。這種行為的源頭，是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)控制接口對(duì)物理對(duì)象的伺控制能力。通常，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)控制接口輸出的是歸一化的“0、1”數(shù)字化信號(hào)，必須通過相應(yīng)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換技術(shù)轉(zhuǎn)換成物理對(duì)象能夠接受的模擬控制信號(hào)。

4.4物聯(lián)網(wǎng)的信息（物信）

物聯(lián)網(wǎng)的物信元素，是物聯(lián)系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)事件的信息流管理行為。物聯(lián)網(wǎng)事件的信息流管理行為，主要表現(xiàn)在“0、1”歸一化數(shù)字化信息的變換與傳輸。它包括“0、1”數(shù)字化信息在不同介體中的變換、在不同運(yùn)行環(huán)節(jié)間的編碼與譯碼，以及各種形式的信號(hào)傳輸，如有線傳輸與無(wú)線傳輸、電纜與光纜傳輸、電力網(wǎng)載波傳輸與通信網(wǎng)的GPRS傳輸?shù)取?

4.5物聯(lián)網(wǎng)管理（物管）

物聯(lián)網(wǎng)的物管元素，是物聯(lián)系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)事件行為的管理與調(diào)度。這些管理與調(diào)度有數(shù)據(jù)流管理、數(shù)據(jù)庫(kù)互聯(lián)、數(shù)據(jù)信息釆集、認(rèn)證、信息流通中的許可證制度、安全性管理與經(jīng)營(yíng)性管理等。

4.6物聯(lián)網(wǎng)交互（物互）

物聯(lián)網(wǎng)的物互元素，是物聯(lián)系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)事件相關(guān)者的交互行為。嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)中的4個(gè)物聯(lián)界面，即傳感界面、控制界面、人機(jī)界面、通信界面。每個(gè)界面都有相對(duì)應(yīng)的物理對(duì)象，如傳感界面的傳感器、控制界面的物理對(duì)象、人機(jī)界面的人、通信界面的其他嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)或嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)。多種物理對(duì)象、多種物聯(lián)界面，形成了人、物、網(wǎng)（廣域/局域）的多種交互行為。

結(jié)語(yǔ)

① 物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代是通用微處理器與嵌入式處理器兩大分支從分離到融合發(fā)展的新時(shí)代，即微處理器從一分為二到合二為一的變革時(shí)代。

② 物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)與物理對(duì)象緊密相連，可以實(shí)現(xiàn)人-物交互、人-物-人交互、無(wú)時(shí)空限制的智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

③ 物聯(lián)網(wǎng)的智慧源頭是半導(dǎo)體微處理器，物聯(lián)源頭是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)源頭是互聯(lián)網(wǎng)。在物聯(lián)網(wǎng)中，它們各司其職。

④ 物聯(lián)網(wǎng)是多學(xué)科的綜合產(chǎn)物，任何一個(gè)學(xué)科對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的闡述都會(huì)有局限性。綜合各個(gè)學(xué)科視角，全面、科學(xué)地闡明物聯(lián)網(wǎng)，對(duì)我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)的健康發(fā)展具有重要意義。

⑤ 物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算密切相關(guān)：物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算是基礎(chǔ)與上層建筑的關(guān)系;物聯(lián)網(wǎng)是智慧地球，云計(jì)算是智慧服務(wù);物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)基礎(chǔ)，云計(jì)算是軟件服務(wù);云計(jì)算是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代全方位、無(wú)限時(shí)空的全球服務(wù)體系。