第3章物联网设备与标识

第3章物联网设备与标识嵌入式系统3.1传感器3.2RFID3.33.1嵌入式系统3.1.1嵌入式系统的概念3.1.2嵌入式系统的发展及应用3.1.3嵌入式系统的组成嵌入式系统被描述为：以应用为中心，软件硬件可裁剪的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格综合性需要的计算机系统。它由嵌入式硬件和嵌入式软件两部分组成。嵌入式操作系统位于硬件和应用软件之间，为上层应用提供基础服务，是嵌入式系统的核心和灵魂。3.1.1嵌入式系统的概念根据IEEE的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”。这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体。不过上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓，目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于PC中BIOS的工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。我们可从下列几方面来理解上述嵌入式系统的定义。（1）嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，嵌入式系统是与应用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁剪利用。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。（2）嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术、电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。（3）嵌入式系统必须根据应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求。为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中。（4）嵌入式系统本身不具备自主开发能力，设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。实际上，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统。现在人们讲嵌入式系统时，某种程度上指近些年比较热门的具有操作系统的嵌入式系统。3.1.2嵌入式系统的发展及应用嵌入式系统的出现至今已经有30多年的历史了，嵌入式技术也历经了几个发展阶段。进入20世纪90年代后，以计算机和软件为核心的数字化技术取得了迅猛发展，不仅广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，掀起了一场数字化技术革命。纵观嵌入式技术的发展，大致经历了如下4个阶段。（1）第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功能都相对单一；处理效率较低；存储容量较小；几乎没有用户接口。（2）第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：CPU种类繁多，通用性比较弱；系统开销小，效率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及监控应用程序运行。（3）第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接口（API），开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。（4）第四阶段是以基于Internet为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于Internet之外，但随着Internet的发展以及Internet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与Internet的结合代表着嵌入式技术的真正未来，也为物联网发展奠定了基础。早期的嵌入式系统只是为了实现某些特定功能，使用一个循环控制程序对外界的请求进行处理。不可否认，这对于简单的系统而言是足够的，但是当我们的系统变得日渐复杂庞大的时候，如果要增添一项功能的时候，很可能不得不重新进行系统的设计，这无疑会增加开发的成本和系统复杂度。使用这种方式开发规模较大、功能复杂的嵌入式系统是不可想象的。20世纪80年代初期嵌入式操作系统的出现使得快速便捷地开发规模较大的嵌入式系统成为现实，自这一时期开始就出现了各种各样的商用嵌入式操作系统，从而形成了目前多种形式的商用嵌入式操作系统百家争鸣的局面。基于嵌入式操作系统之上的系统才能够真正符合嵌入式系统定义中的软件可裁剪、功能的可扩展、高可靠性等特征。后PC时代是一个真实的阶段，而且是一个可以预测的时代。嵌入式系统就是与这一时代紧密相关的产物，它将拉近人与计算机的距离，形成一个人机和谐的工作与生活环境。嵌入式系统在应用数量上远远超过了各种通用计算机系统嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术和各个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。纵观嵌入式系统的发展过程，可以看出嵌入式系统由简单的无操作系统的循环控制程序向具有强大功能的基于操作系统的方向发展，从独立的系统向基于网络的系统发展。在近期物联网发展中，智能传感器芯片技术和嵌入式软件技术是两个重点发展方向，这与嵌入式系统发展更是息息相关，面向应用的SoC芯片和嵌入式软件是未来嵌入式系统发展的重点。简单讲，物联网是物与物、人与物之间的信息传递与控制，可以理解为以嵌入式系统为基础的智能终端的网络化。有人认为，物联网就是基于互联网的嵌入式系统。从另一个角度也可以说，物联网的产生是嵌入式系统高速发展的必然产物，更多的嵌入式智能终端产品有了联网的需求，催生了物联网这个概念。目前嵌入式系统已经在物联网中开始应用，例如MSP430单片机上开发实现的无线抄表模块、基于ARM/Linux的开发平台和各种家庭传感单元实现的物联网智能家居系统。未来物联网应用的层次更加丰富和复杂，物联网将成为嵌入式系统新的应用领域，嵌入式系统将成为基础性的物联网设备。3.1.3嵌入式系统的组成嵌入式系统是计算机软件和硬件的综合体，可涵盖机械或的附属装置，所以嵌入式系统可以笼统地分为硬件和软件两部分。从系统结构上分，嵌入式系统的构架可以分成4个部分：处理器、存储器、输入输出（I/O）和软件，如图3-1所示。图3-1嵌入式系统组成嵌入式系统的硬件部分包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/O端口、图形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量的存储介质，而大多使用EPROM、EEPROM或闪存（FlashMemory）作为存储介质。嵌入式系统的软件部分包括操作系统和应用软件。应用软件决定了系统的运作和行为；而操作系统控制着应用软件与系统硬件的交互。多数嵌入式设备的应用软件和操作系统都是紧密结合的，这也是嵌入式系统和通用PC系统的主要区别之一。下面分别介绍嵌入式处理器与嵌入式操作系统。1．嵌入式处理器嵌入式系统由软件和硬件两个部分构成，从硬件角度来说，嵌入式处理器是嵌入式硬件中最核心的部分。嵌入式处理器与通用型处理器最大的不同是嵌入式处理器大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有功耗低、体积小、集成度高等特点，能够把通用处理器中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于扁平化，增强了设备的可移动性能，和网络的耦合也越来越紧密。区分嵌入式处理器的一个重要指标就是“位数”，即处理器处理二进制数据的宽度。全世界嵌入式处理器的品种总量已经超过1000种，除了按位数来划分外，目前业界有关嵌入式处理器的分类主要有：嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit，MCU）、嵌入式微处理器（MPU）、嵌入式DSP处理器、嵌入式片上系统（SoC）几类。嵌入式微控制器的典型代表是单片机，单片机将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM/EEPROM、RAM、总线、定时/计数器、WatchDog、I/O、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM等各种必要功能和外设。（1）嵌入式微控制器微控制器是目前嵌入式系统工业的主流之一。嵌入式微控制器目前的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051、P51XA、MCS-251、MCS-96/196/296、C166/167、MC68HC05/11/12/16、68300等。另外还有如支持USB接口的MCU8XC930/931、C540、C541，支持CAN-Bus等的众多专用MCU和兼容系列。嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的。它的特征是具有32位或以上的位宽，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。（2）嵌入式微处理器（MicroprocessorUnit，MPU）目前主要的嵌入式微处理器类型有如下几种。①ARM/StrongARM②MIPS③68K/ColdFire④PowerPCDSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器，对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行数字信号处理（DigitalSignalProcessing，DSP）算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面数字信号处理算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现过渡到采用嵌入式DSP处理器来实现。（3）嵌入式DSP处理器（EmbeddedDigitalSignalProcessor，EDSP）片上系统（SoC）最大优点是实现软硬件无缝结合，操作系统的代码模块可以直接嵌入到处理器芯片上。各种通用处理器内核将作为SoC设计公司的标准库，和许多其他嵌入式系统外设一样，成为VLSI设计中一种标准的器件，用标准的VHDL等语言描述，存储在器件库中。（4）嵌入式片上系统（SystemonChip，SoC）2．嵌入式操作系统嵌入式操作系统是嵌入式系统中的软件部分的核心内容。其本质上也是一个操作系统，但又与一般的操作系统有着一定的差异。嵌入式操作系统一般都是根据客户需求来设计的，以实现专业特定功能，一般来说，嵌入式操作系统的功能是控制系统的负载和监控应用程序。到目前为止，各种各样的嵌入式操作系统可能有几百种，以下就简单列举最常用的几种。（1）VxWorks嵌入式操作系统（2）CLinux（3）红旗嵌入式Linux（4）RT-Linux（5）Symbian（6）WindowsCE（7）Palm3.2传感器3.2.1传感器概述3.2.2传感器的分类3.2.3传感器在物联网中的应用3.2.1传感器概述国家标准《传感器通用术语》中定义传感器为：“能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号的输出器件或装置”。作为一种检测装置，传感器能感受到各种物理量、化学量、生物量或状态量等被测量的信息，并能将检测到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。传感器组成主要组成部分敏感元件：直接感受被测量对象（一般为非电量），并输出与被测量对象成确定关系的其他量（一般为电量）的元件转换元件：又称传感元件，一般情况下，它不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电量输出信号调节与转换电路