語文嵌入式教學(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，通用計算機與嵌入式系統(tǒng)發(fā)展到高級階段相互融合的產(chǎn)物。物聯(lián)網(wǎng)囊括了多個學(xué)科、具有無限多的應(yīng)用領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)有3個源頭：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)。科學(xué)地定義物聯(lián)時，必須充分了解這3個源頭。圖1表示了物聯(lián)網(wǎng)3個源頭的發(fā)展史，以及它們之間的相互關(guān)系。

無論是通用計算機還是嵌入式系統(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)代計算機知識革命的兩大分支，即通用計算機與嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展時代。通用計算機經(jīng)歷了從智慧平臺到互聯(lián)網(wǎng)的獨立發(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)的獨立發(fā)展道路。物聯(lián)網(wǎng)是通用計算機的互聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)單機或局域物聯(lián)在高級階段融合后的產(chǎn)物。物聯(lián)網(wǎng)中，微處理器的無限彌散，以“智慧細胞”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、計算機學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科，以及無限多的對象應(yīng)用學(xué)科。任何一個學(xué)科在詮釋物聯(lián)網(wǎng)時都會出現(xiàn)片面性。在詮釋物聯(lián)網(wǎng)時要有“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，又會想起那個說不清“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)定義又面臨無法說清“物聯(lián)”本質(zhì)的尷尬境地。其根本原因是現(xiàn)代計算機知識革命進入通用計算機與嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展時代后，嵌入式系統(tǒng)沒有獨立的形態(tài)，人們看到的只是通用計算機，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)域獨立發(fā)展的單片機時代，進入21世紀(jì)，才進入多學(xué)科支持下的嵌入式系統(tǒng)時代。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：嵌入到物理對象中，實現(xiàn)物理對象的智能化。20年前，筆者在《MCS51系列單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計》[1]一書中提出過單片機應(yīng)用系統(tǒng)的4個通道接口的概念，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)，嵌入到物理對象中，給物理對象完整的物聯(lián)界面。與物理參數(shù)相聯(lián)的是前向通道的傳感器接口;與物理對象相聯(lián)的是后向通道的控制接口;實現(xiàn)人-物交互的是人機交互接口;實現(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)場總線網(wǎng)，以及無線傳感器網(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)則實現(xiàn)了物理對象的時空定位，保證了物聯(lián)網(wǎng)中物理對象有完整的物理信息。在實現(xiàn)物聯(lián)時，不僅可以提供物理對象的物理參數(shù)、物理狀態(tài)信息，還可提供物理對象的時空定位信息。

3物聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)事件

物質(zhì)世界的無限性，決定了物聯(lián)網(wǎng)有無限多的應(yīng)用領(lǐng)域。然而，每一個具體的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，都存在于一個具體的物聯(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)、遠程醫(yī)療救助物聯(lián)系統(tǒng)、超市自助收費物聯(lián)系統(tǒng)等。而物聯(lián)系統(tǒng)中每一個獨立、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終端與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)，同時將視頻監(jiān)控系統(tǒng)接入互聯(lián)網(wǎng)，便可形成一個交通違章管理的物聯(lián)系統(tǒng)。在這個物聯(lián)系統(tǒng)中，當(dāng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)違章事件，會立即上傳到互聯(lián)網(wǎng)，并以手機通信方式實時告知駕駛?cè)藛T，在駕駛?cè)藛T確認違章行為后，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個典型的行為過程，即事件激勵、信息處理、結(jié)果輸出，簡稱激勵、處理與輸出。一個完整的物聯(lián)網(wǎng)事件，應(yīng)該具備有這樣3個行為過程。

3.1物聯(lián)網(wǎng)事件的事件激勵

物聯(lián)網(wǎng)事件的事件激勵，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)了激勵事件時，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”行為。

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

在物聯(lián)網(wǎng)事件的“激勵”中，通常都包含有對其后信息處理、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)生對電冰箱的遠程監(jiān)測，是要了解冰箱中的食品狀況;對空調(diào)的遠程控制，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)在收到激勵事件后，對激勵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)了手機方式的空調(diào)遠程控制“激勵”，便會啟動對手機事件激勵中的信息解讀，核實主人身份，了解控制對象及對象的狀態(tài)要求控制;隨后采集室內(nèi)溫度、濕度狀況，作出空調(diào)機的運行策略。

在物聯(lián)網(wǎng)事件路徑上，有眾多微處理器，它們以通用計算機或嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)方式彌散在物聯(lián)系統(tǒng)中。每個微處理器都承擔(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)對事件激勵的響應(yīng)。在物聯(lián)網(wǎng)事件的“激勵”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)果輸出會充分滿足這些要求。例如，智能家居物聯(lián)系統(tǒng)中，遠程空調(diào)控制必須滿足主人對空調(diào)設(shè)定的控制要求;遠程冰箱監(jiān)視必須提供滿足主人要求了解的真實儲物信息。

物聯(lián)網(wǎng)事件的結(jié)果輸出，是物聯(lián)系統(tǒng)對事件激勵的響應(yīng)。因此，物聯(lián)網(wǎng)事件響應(yīng)的結(jié)果輸出，有不同的實時性要求。智能家居物聯(lián)系統(tǒng)中出現(xiàn)出火警、匪警，必須立即有報警響應(yīng);遠程冰箱監(jiān)視時，須及時告知冰箱儲存狀況;遠程空調(diào)控制時，可設(shè)定在某個時間點上完成某個控制行為。

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、物感、物控、物信、物管、物互。

4.1物聯(lián)網(wǎng)的存儲（物儲）

物聯(lián)網(wǎng)的物儲元素，是物聯(lián)系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)事件的知識與信息的存儲行為。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)中要有足夠的存儲空間，以實現(xiàn)物聯(lián)系統(tǒng)中的電子化信息存儲、真實世界的虛擬存儲、虛實交互存儲與數(shù)字文件存儲等。

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

物聯(lián)網(wǎng)中所有的存儲內(nèi)容，都是“0、1”數(shù)字符號歸一化的量子化存儲，與具體物質(zhì)無關(guān)。因此，物聯(lián)網(wǎng)中存儲的數(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)事件對物理對象的感知行為。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象的物理狀態(tài)感知、物理參數(shù)感知，以及感知對象的時間、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，然后通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，輸入到嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的前向通道中;物理對象的時間、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)事件對物理對象的控制行為。這種行為的源頭，是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)控制接口對物理對象的伺控制能力。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，必須通過相應(yīng)的數(shù)/模轉(zhuǎn)換技術(shù)轉(zhuǎn)換成物理對象能夠接受的模擬控制信號。

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、在不同運行環(huán)節(jié)間的編碼與譯碼，以及各種形式的信號傳輸，如有線傳輸與無線傳輸、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)庫互聯(lián)、數(shù)據(jù)信息釆集、認證、信息流通中的許可證制度、安全性管理與經(jīng)營性管理等。

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個物聯(lián)界面，即傳感界面、控制界面、人機界面、通信界面。每個界面都有相對應(yīng)的物理對象，如傳感界面的傳感器、控制界面的物理對象、人機界面的人、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

① 物聯(lián)網(wǎng)時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)展的新時代，即微處理器從一分為二到合二為一的變革時代。

② 物聯(lián)網(wǎng)是一個與物理對象緊密相連，可以實現(xiàn)人-物交互、人-物-人交互、無時空限制的智能化網(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，任何一個學(xué)科對物聯(lián)網(wǎng)的闡述都會有局限性。綜合各個學(xué)科視角，全面、科學(xué)地闡明物聯(lián)網(wǎng)，對我國物聯(lián)網(wǎng)事業(yè)的健康發(fā)展具有重要意義。

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