第4章-物联网智能设备设计

12021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著物联网技术（第2版）第4章物联网智能设备设计教学课件22021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著物联网实现了信息空间和物理空间的融合，营造了以人为本的信息服务环境。这种信息服务引发了智能设备的飞速发展，多种多样的智能设备应运而生。智能设备是由嵌入式处理器完成数据处理与分析等多项复杂功能，实现人机智能交互的。其中，智能手机的运用就体现了信息传输（如短信）、信息采集（如通话）、信息控制（如计算、定位）、信息融合和人机交互等功能。本章首先介绍几种常见的智能设备，然后讨论物件智能化设计方法、嵌入式系统和中间件技术。作为物件智能化设计的一个示例，最后讨论传感网节点的硬件、软件设计。第4章物联网智能设备设计32021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著4.1智能设备概述4.2物件智能化设计4.3嵌入式系统开发技术4.4物联网中间件设计4.5传感网节点设计第4章物联网智能设备设计42021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著4.1智能设备概述物联网智能设备具有信息采集、信息传输、信息控制、信息融合、人机交互等作用，是组建物联网的重要终端设备。不断膨胀的数字世界充满了各种各样的智能设备，作为感知识别层最“智能”的信息获取智能设备集中体现了多样化的特征，例如，穿戴式智能设备、智能车载设备、智能数字标牌、智能医疗设备、智能家电、智能手机等。在此仅以平板电脑、智能手机、智能家电等为例作简单介绍。52021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著1．平板电脑简介平板电脑（简称TabletPC、FlatPc、Tablet、Slates）是PC家族新增加的一名成员，其外观与便携式计算机相似，但不是单纯的笔记本电脑，可称为笔记本电脑的浓缩版，是下一代移动商务PC的代表。其外形介于笔记本和PDA之间，但其处理能力大于PDA。它除拥有PDA的所有功能之外，还支持手写输入或者语音输入，移动性和便携性也更胜一筹。4.1.1平板电脑对智能设备并不陌生，计算机就是传统的智能设备。计算机是一种能够按照指令对各种数据和信息进行自动加工和处理的电子设备，也是诞生最早的智能设备。除计算机之外，平板电脑、个人数字助理（PDA）等是近年兴起的一些新型智能设备。62021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著2．平板电脑的主要特点独特的外观设计。特有的TabletPCWindowsXP操作系统。增加了手写输入，使用专用的“笔”。便携移动。数字化笔记。个性化使用。部署和管理方便。全球化的业务解决方案，支持多国家语言。4.1.1平板电脑72021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著1.智能手机简介智能手机像个人计算机一样，具有独立的操作系统，可以由用户自行安装软件、游戏等第三方服务商提供的程序，通过此类程序可不断对手机的功能进行扩充，并可以通过移动通信网络实现无线网络接入。2.智能手机的主要特点3.智能手机操作系统与应用软件开发4.1.2智能手机智能手机（SmartPhone)已经广泛应用于人们的日常生活。智能手机之所以得到青睐是因为它比传统的手机具有更多的综合性信息处理能力。82021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著4.1.3智能家电传统家电有电视机、录像机、DVD、空调、电冰箱、吸尘器、洗衣机以及电磁炉、消毒柜等。虽然家用电器制造技术不断进步，但它们仍然处于机械式或单机电子控制水平。随着电子、控制、计算机与网络技术的发展应用，将自动控制技术引入传统家用电器设备，使之成为具有智能性的设备已是提高人们生活水平的发展趋势。将来，智能家电将向智能化、自适应和网络化发展，成为物联网智能家居应用中的重要组成部分。1.智能家电的基本概念智能家电就是将微处理器、传感器技术、网络通信技术引入家电设备后形成的家电产品，是具有自动监测自身故障、自动测量、自动控制、自动调节与远程控制中心通信功能的家电设备。92021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著2.智能家电的特点网络化功能。智能化。开放性、兼容性。节能化。易用性。4.1.3智能家电3.智能家电的功能通信功能。消费电子产品的智能控制。交互式智能控制。安防控制功能。健康与医疗功能。102021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著4.1.4其他智能设备1.智能电表智能电表是智能电网的智能终端设备。2.智能插座与开关智能插座（SmartPlug）是物联网概念下伴随智能家居而诞生的新兴电子产品。3.智能血压计智能血压计主要是利用多种通信手段，将传统血压计的测量数据上传到云端，让血压计的使用者及其亲朋好友能够在任何时间、任何地点看到使用者的测量数据。4.穿戴智能设备穿戴智能设备是指应用穿戴式技术设计、开发的可以穿戴的智能化设备。112021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著4.2物件智能化设计物件智能化是物联网的核心问题。智能物件是根据其物理外观（硬件）和行为（软件）来定义的。常见的一些智能设备实际上就是具有物件智能化特征的具体产品、器件或设施。在此主要讨论智能物件硬件和软件的基本设计方法。122021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著4.2.1智能物件的硬件设计智能物件硬件一般是一组电路的集合，包括通信模块、微控制器、传感器或制动器、电源4个部分。如图4-1所示是比较典型的无线和有线的智能物件硬件架构。图4-1智能物件的硬件架构132021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著4.2.1智能物件的硬件设计1.通信模块通信模块使智能物件具有通信能力。通常是一个带有天线的无线通信收发器或有线通信接口。对于无线智能物件主要指无线通信收发器。收发器包括发送器和接收器，可以发射和接收无线信号。对于有线智能物件，通信模块连接到有线网络，例如以太网。Radiocrafts的一种单芯片智能物件无线收发器。这种芯片包括一个无线收发器和一个微处理器。其中，无线收发器是Texas的CC2430，支持IEEE802.15.4无线标准，具有发送接收数据包的能力，传输比特率为250kbit/s。142021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著4.2.1智能物件的硬件设计2.微控制器微控制器(MCU)是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。它内置有内存、定时器，并能够与外设（传感器、制动器、无线收发器）连接。MCU与传统的芯片类似，只是外加了塑料封装和金属管脚。微控制器运行智能物件的软件程序，实现物件的智能化。一种智能物件微控制器如图4-3所示。图4-3微控制器152021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著4.2.1智能物件的硬件设计3.传感器与制动器传感器和制动器用于实现智能物件与物理世界的交互。传感器用来感知外界环境的变化，制动器用来响应或改变环境。与智能物件相连的传感器和制动器的种类很多，有的简单，有的很复杂。4.电源电源与各个部件相连，为智能物件供电。智能物件需要电源供电才能工作。目前，最常用的电源就是电池，当然也有一些其他类型的电源，如压电式电源，通过将压力转换成电能供电，或者小型的太阳能电池利用光能供电。162021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著4.2.2智能物件的软件设计智能物件的功能是由微控制器上运行的软件所决定的，运行的软件与通用计算机的软件程序类似。程序由编程语言如C语言来书写，通过编译器将源代码编译成为微控制器可以运行的机器语言，然后写入到智能物件微控制器的ROM中。当智能物件启动运行时，微控制器运行软件程序。智能物件软件开发过程如图4-4所示。图4-4智能物件软件开发过程172021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著4.2.2智能物件的软件设计1.智能物件的操作系统用于传感网和智能物件的TinyOS操作系统可实现多种网络和路由机制。TinyOS上有uIP协议栈的移植，并且支持IPv6。TinyOS的程序写法类似于硬件的设计方法，程序是事件驱动型的，由响应外部和内部事件的回调函数组成。TinyOS已被移植到多种操作系统和原型样板上。一个用nesC书写的TinyOS例程如下。182021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著implementation{commandresult_tStdControl.init(){callLeds.init();returnSUCCESS;}commandresult_tStdControl.start(){returncallTimer.start(TIMER_REPEAT,1000);}commandresult_tStdControl.stop(){returncallTimer.stop();}eventresult_tTimer.fired(){callLeds.redToggle();returnSUCCESS;}}192021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著4.3嵌入式系统开发技术随着信息网络技术的高速发展，嵌入式系统已经广泛渗透到科学研究、工程设计、各类产业以及人们的日常生活。嵌入式技术是开发物联网智能设备的重要手段。无论是无线传感器还是射频识别标签节点都是微小型的嵌入式系统。202021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著嵌入式系统是一种完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统。通常将嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的构架可以分成四个部分：处理器、存储器、输入输出（I/O）和软件。因此，可以将嵌入式系统划分为硬件和软件两大部分：硬件架构上以嵌入式处理器为中心、配置存储器、I/O设备、通信模块等必要的外设；软件部分以软件开发平台为核心,向上提供应用编程接口(AIP),向下屏蔽具体硬件特性的板级支持包（BSP）。在嵌入式系统中,软件和硬件紧密配合,协调工作,共同完成系统预定的功能。4.3.1嵌入式系统的概念212021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著4.3.2嵌入式系统的开发一个嵌入式系统装置一般由嵌入式计算机系统和执行装置组成，如图4-5所示，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。图4-5嵌入式系统组成222021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著4.3.3嵌入式系统开发流程1.建立开发环境2.配置开发主机3.建立引导装载程序BOOTLOADER4.下载已经移植好的Linux操作系统5.建立根文件系统6.建立应用程序的FLASH磁盘分区7.开发应用程序8.烧写内核232021年3月6日星期六《物联网技术》（第2版）第4章物联网智能设备设计刘化君刘传清编著4.4物联网中间件设计随着物联网的应用发展，中间件的概念越来越受到重视。中间件已经成为物联网应用系统的神经中枢，并将向着面向服务架构与基础安全的方向发展。242021年3