嵌入式系统与物联网技术

嵌入式系统与物联网技术索明何工作单位：淮安信息职业技术学院研究方向：嵌入式系统、物联网技术摘要：本文通过参考嵌入式系统理论奠基人何立民教授，中嵌协会、中国物联网产业协会秘书长柏斯维等专家关于“嵌入式系统与物联网技术”的观点，进行了总结、摘取了相关的理论，旨在从嵌入式系统的角度理解物联网的概念，在嵌入式系统技术的基础上学习物联网技术，推动物联网技术的应用与发展。一、物联网的源头物联网与云计算不是概念炒作，是互联网与嵌入式系统发展到高级阶段的融合，如图1所示。物联网有3个源头：智慧源头、物联源头、网络源头。智慧源头是微处理器，物联源头是嵌入式系统，网络源头是嵌入式系统局域网和互联网。图1物联网的源头1.物联网的物联源头图2嵌入式应用系统的物联基础如图2，嵌入式系统的四个通道接口（物联界面）：（1）感知接口物理信息感知：电子标签（RFID、二维码——后IP时代）感受对象的物理信息。物理参数感知：传感器感受对象的静态参数、动态参数信息。时空信息感知：GPS给予物理对象进行时空标定。（2）控制接口所有对物理对象的控制，都要经过这一端口完成数字化控制信息到对象系统控制信号的转化。（3）人机接口人机接口，是嵌入式系统的输入、输出端口，是一个归一化的人机交互界面。多元化的人-机交互方式，如各种类型的键盘、显示器、音视频设备的人机交互等，都要归一化成输入、输出端口的标准化结构与通信协议。人机通道的基础是嵌入式系统的串行接口，以及由此衍生的各种串行总线，如I2C总线、单总线、SPI串行接口等多元化的串行输入/输出通道。（4）互联接口为嵌入式应用系统之间、嵌入式应用系统与互联网之间通信提供标准的通信手段。通信方式可以有多种有线与无线方式。通常，将满足信息传输要求的硬件电路与通信协议栈内嵌到嵌入式系统中，或制成可在嵌入式系统外部扩展的专用通信芯片。嵌入式设备通过有线（485、CAN、工业以太网等）或无线（如Zigbee）局域网互联形成嵌入式系统局域网。嵌入式系统、嵌入式系统局域网与互联网相连，形成了物联网。2．物联网的网络源头物联网有无限大的应用领域，物联网应用系统则是一个与互联网相连的局域物联系统。物联网的网络源头有互联网的广域网与嵌入式系统的局域（物联）网。（1）互联网的广域网互联网是全球性无限时空、无限通达的广域网。互联网通信没有时空限制，也不受局部通信链路故障的影响。互联网的全球性特征还表现在它遵从全球化公共利益的技术特征，按“包交换”方式连接的分布式网络不存在中央控制，也无法把互联网封闭在一个国家之内。互联网的根本作用是为人们的交流服务，而不单纯是用来计算。构成互联网的途径有多种多样，计算机网、公共电信网、有线电视网，甚至智能电网，它们都是信息网、人文网，与物理对象没有直接联系。（2）嵌入式系统的局域物联网嵌入式系统的局域物联网，是以嵌入式系统为核心，与物理对象相连，局部地区应用环境下，满足TCP/IP的传输协议要求，具有网络拓扑结构，动态路由的数据传输系统。嵌入式设备通过现场总线（485、CAN等）互联形成嵌入式系统的局域分布式物联系统，如CAN总线的汽车电子、机器人、工业控制、智能家居等局域物联系统。无线数据传输网络（如ZigBee）推出后，嵌入式系统才有了真正的局域物联网，它既满足了局域网的协议要求以及网络拓扑结构、动态路由的数据传输要求，又有全面的物联界面。（3）局域物联网与广域网互联嵌入式系统的局域物联系统或局域物联网受地域环境限制，与无限时空、无限通达的互联网连接后，便形成了无限通达、无限时空应用的物联网。例如，由CAN总线构成的汽车电子系统是局限在一辆汽车中的局域物联系统，当延伸到互联网后，便可将单辆汽车纳入城市交管的物联网系统中。物联网交管系统可随时随地实时地了解车辆状况、行驶状态、违章事件等。又如，当一个智能家居延伸到互联网后，成为无限时空、无限通达的物联网家居后，家居主人可以在任何时间、任何地点与家居中的物联对象实时交互。通常，局域物联网与广域网互连是局域网的一种上联行为，即局域物联网向互联网延伸。通过局域物联网中主控节点内含的互联网接口，或在外部扩展一个互联网接口芯片，与互联网相联。3．物联网事件的行为元素物联网中有众多的物联系统，物联系统中有众多的物联网事件。不同的物联网事件中，有许多不同的行为过程。物联网中所有不同的事件过程，都有相同的行为元素。这些行为元素是物储、物感、物控、物信、物管、物互。（1）物联网的存储（物储）物联网的物储元素，是物联系统中物联网事件的知识与信息的存储行为。为了满足物联系统构建，满足物联网事件过程要求，物联系统中要有足够的存储空间，以实现物联系统中的电子化信息存储、真实世界的虚拟存储、虚实交互存储与数字文件存储等。电子化信息存储，是网络实名制的个人及其财、物等的信息存储；真实世界的虚拟存储，是数字化系统的虚拟存储，如网上银行、购物系统、交管系统、认证系统等的虚拟系统存储；虚实交互存储，是物理认证环境基础上的数字化虚拟存储，如FPGA的物理认证基础上，集成电路、IP核、系统电路的数字化文件虚拟存储；数字文件存储，则是图片、音视频资料存储。物联网中所有的存储内容，都是“0、1”数字符号归一化的量子化存储，与具体物质无关。因此，物联网中存储的数据可以在不同的介质中转换或传输。（2）物联网的传感（物感）物联网的物感元素，是物联系统中，物联网事件对物理对象的感知行为。这种感知行为的源头，是嵌入式应用系统中传感器的数字釆集。通常，物联网事件中的感知有物理对象的物理状态感知、物理参数感知，以及感知对象的时间、空间定位信息。物理状态信息与物理参数信息感知，通常是依靠各种类型的传感器将物理状态与物理参数变换成模拟电压信号，然后通过模/数转换技术转换成数字信号，输入到嵌入式应用系统的前向通道中；物理对象的时间、空间定位信息则依靠嵌入式应用系统与GPS系统的交互感知。（3）物联网的控制（物控）物联网的物控元素，是物联系统中，物联网事件对物理对象的控制行为。这种行为的源头，是嵌入式应用系统控制接口对物理对象的伺控制能力。通常，嵌入式应用系统控制接口输出的是归一化的“0、1”数字化信号，必须通过相应的数/模转换技术转换成物理对象能够接受的模拟控制信号。（4）物联网的信息（物信）物联网的物信元素，是物联系统中，物联网事件的信息流管理行为。物联网事件的信息流管理行为，主要表现在“0、1”归一化数字化信息的变换与传输。它包括“0、1”数字化信息在不同介体中的变换、在不同运行环节间的编码与译码，以及各种形式的信号传输，如有线传输与无线传输、电缆与光缆传输、电力网载波传输与通信网的GPRS传输等。（5）物联网管理（物管）物联网的物管元素，是物联系统中，物联网事件行为的管理与调度。这些管理与调度有数据流管理、数据库互联、数据信息釆集、认证、信息流通中的许可证制度、安全性管理与经营性管理等。（6）物联网交互（物互）物联网的物互元素，是物联系统中，物联网事件相关者的交互行为。嵌入式应用系统中的4个物联界面，即传感界面、控制界面、人机界面、通信界面。每个界面都有相对应的物理对象，如传感界面的传感器、控制界面的物理对象、人机界面的人、通信界面的其他嵌入式应用系统或嵌入式应用系统的局域网与广域网。多种物理对象、多种物联界面，形成了人、物、网（广域/局域）的多种交互行为。4．物联网与云计算密切相关物联网与云计算是基础与上层建筑的关系；物联网是智慧地球，云计算是智慧服务；物联网是物联基础，云计算是软件服务；云计算是物联网时代全方位、无限时空的全球服务体系。二、物联网的多种定义物联网是一个多学科的大概念，不同学科都有对物联网的合理解释，但都有其学科的局限性，在这种情况下，往往以一大段描述来代替其定义。过去，我们见到过对嵌入式系统的描述定义，如今，对物联网的定义也是一大段描述。这是初级阶段不可避免的现象。当前不妨以最简单的感性语言，把物联网定义成：连接到物理对象的互联网（基于互联网的嵌入式系统）。这种最简单的定义不妨碍我们对物联网的深入阐述：①物联网与物理对象的连接是通过嵌入式系统实现的。②嵌入式系统与物理对象呈紧耦合状态，形成了一个智能化的对象系统；物联网的所有节点与终端都内含有微处理器，使物联网呈现出智慧地球的基本特征。③与互联网连接的可以是单个嵌入式应用系统，也可以是多个嵌入式应用系统的局域网。④互联网是广域网，有众多的网络接入技术，如三网融合、智能电网等。无论是广域的互联网，还是嵌入式系统的局域网，都有各种形式的网络接入技术。三、物联网系统的三个层次在谈及物联网时，不少专家都给出了应用层、网络层、感知层这三个层次概念。由于物联网应用的千差万别，这种分层概念很难具体化成应用中的概念。在物联网的具体应用中，可以在众多的物联网系统中，抽象出应用层、网络层与物理层的三个层次结构。应用层确定物联网系统的功能、服务要求，是物联网系统构建时确定的任务与目标；网络层是实现物联网系统的网络基础，包括局域网、互联网的分工、布局、协调与链接设计；物理层则是与物理对象连接、交互的底层环境，实现系统中所有物理对象（包括服务对象在内）的感知、控制与信息交互。物联网中，有无限多个物联网系统。物联网系统中还有子系统，如城市交管系统中的车辆违章管理、道路交通管理、车辆交易管理子系统，它们各不相同，但都有相应的三个层次结构。四、物联网的基本特点物联网是微处理器、嵌入式系统与互联网在高级阶段交叉融合的产物，带有鲜明的微处理器、嵌入式系统、互联网特点，这些特点是智慧性、实时性、广域性与虚实交互性。（1）智慧性微处理器是一个归一化的智力内核。它以通用计算机与嵌入式系统方式赋予物联网所有节点、终端、服务器以无限的智慧能力。微处理器的无限数量与无限智慧，突出了物联网智慧地球的智慧特征。（2）实时性实时性是物联状态下物理对象的实时交互要求。物联网家居中出现火警必须立即报警；智能交管中高速公路收费必须在车辆移动瞬间完成；物联网超市中顾客确认选购货品结束时，应立即结算货款并告知顾客。（3）广域性互联网的无限时空与多种接入形式，使物联网具有广域性的应用特点。物联网可以在无限时空状态下使用，也可以与不同介质状态的网络互联，如电信网、计算机网、电视网、智能电网等。（4）虚实交互性虚实交互性是物联网二元化世界的空间交互特性。互联网构建了一个无限时空的虚拟世界，嵌入式系统则将互联网延伸到真实世界的物理对象上。物联网时代，原先虚拟世界中的许多交易行为都可以无缝地延伸到真实世界，实现虚拟世界与真实世界的交互。参考文献[1]何立民——从嵌入式系统视角看物联网技术[2]柏斯维——物联网的世界将是嵌入式系统的天下