相關(guān)知識(shí)

1.1.1 物聯(lián)網(wǎng)嵌入式概述

1.早期嵌入式發(fā)展階段

早期嵌入式技術(shù)發(fā)展階段大致分為無(wú)操作系統(tǒng)階段、簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)階段、使用通用嵌入式操作系統(tǒng)（VxWorks、嵌入式Linux、Windows CE等）及通用嵌入式處理器（ARM、MIPS等）的實(shí)時(shí)系統(tǒng)階段和面向互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用階段。

（1）無(wú)操作系統(tǒng)階段

即沒(méi)有操作系統(tǒng)的支持，如使用8位CPU芯片來(lái)執(zhí)行一些單線程的程序，其主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)功能相對(duì)單一，處理效率較低，存儲(chǔ)容量小，用戶接口少。

（2）簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)階段

這個(gè)階段出現(xiàn)了一批處理能力較早期更強(qiáng)大的低功耗嵌入式CPU，能夠運(yùn)行一些簡(jiǎn)單的嵌入式操作系統(tǒng)。該時(shí)期的簡(jiǎn)單嵌入式操作系統(tǒng)如μC/OS-II、embOS、salvo、FreeRTOS等能夠在小容量RAM單片機(jī)上運(yùn)行。

（3）實(shí)時(shí)系統(tǒng)階段

實(shí)時(shí)系統(tǒng)階段使用通用嵌入式操作系統(tǒng)及通用嵌入式處理器，出現(xiàn)了以vxWorks為代表的成熟且功能更為強(qiáng)大的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具備文件和目錄管理、多任務(wù)、網(wǎng)絡(luò)支持、圖形窗口等功能，比簡(jiǎn)單嵌入式操作系統(tǒng)的兼容性更好，效率更高，且具備大量的應(yīng)用程序接口（API）。后期的嵌入式Linux由于在圖形用戶界面（GUI）、復(fù)雜設(shè)備兼容支持上更加友好及開(kāi)源性等特點(diǎn)，逐漸成為主流嵌入式操作系統(tǒng)。

（4）面向互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用階段

互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代的到來(lái)使得嵌入式更多面向Internet應(yīng)用，這個(gè)階段的主要特點(diǎn)是嵌入式操作系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧功能及嵌入式處理器的網(wǎng)絡(luò)接口支持能力更加強(qiáng)大，系統(tǒng)通過(guò)移植、裁剪，能夠在短時(shí)間內(nèi)支持不同特征的應(yīng)用場(chǎng)景，且效率更高。

2.當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)嵌入式應(yīng)用階段

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）的英文名稱直譯為“萬(wàn)物互連的Internet”，即互聯(lián)網(wǎng)面向除了人以外的萬(wàn)事萬(wàn)物進(jìn)行擴(kuò)展延伸。物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)想是通過(guò)信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)鏈接起來(lái)形成一個(gè)巨大網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)任何時(shí)間、任何地點(diǎn)，人、機(jī)、物的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能。

如圖1-1所示，物聯(lián)網(wǎng)典型體系架構(gòu)自下而上分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層三層，而嵌入式處理器位于最下面的感知層。

（1）感知層

物聯(lián)網(wǎng)的感知層主要是通過(guò)大量傳感器收集物理信號(hào)，從而形成海量的原始信號(hào)，一方面嵌入式處理器對(duì)這些原始信號(hào)進(jìn)行智能處理，提取關(guān)鍵有效信息，丟掉冗余部分，再重新加工封裝便于網(wǎng)絡(luò)傳輸；另一方面接收上層指令，對(duì)物理世界做出反饋。嵌入式既可以應(yīng)對(duì)應(yīng)用層大數(shù)據(jù)云計(jì)算直接處理海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和傳輸帶寬限制等技術(shù)瓶頸，解決隱私數(shù)據(jù)安全性、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可靠性等固有缺陷，也可以產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)響應(yīng)，滿足行業(yè)在實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的基本需求。因此嵌入式技術(shù)的主要載體可以承擔(dān)部分云計(jì)算的復(fù)雜計(jì)算分析功能，且更具有優(yōu)勢(shì)。

如果將物聯(lián)網(wǎng)比作人體，感知層就是物聯(lián)網(wǎng)的感官，相當(dāng)于人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)、觸覺(jué)等，具有實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)全面感知的能力。感知層包含的傳感器有二維碼標(biāo)簽識(shí)讀器、RFID標(biāo)簽讀寫(xiě)器、溫濕度傳感器、傳聲器、攝像頭、GPS等，除了海量的傳感器，感知層還包含傳感器網(wǎng)絡(luò)、相關(guān)協(xié)議、網(wǎng)關(guān)接口及支撐傳感器信息采集及傳輸通信的軟硬件等。如圖1-1感知層所示，嵌入式平臺(tái)一方面收集來(lái)自不同傳感器的信息并進(jìn)行必要的處理分析，另一方面作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)將信息向更上層進(jìn)行傳輸，或者接收來(lái)自上層的決策指令并進(jìn)行控制。

（2）網(wǎng)絡(luò)層

物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層類似于人體的中樞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具體指電信骨干網(wǎng)絡(luò)。典型網(wǎng)絡(luò)層包含主流運(yùn)營(yíng)商提供的互聯(lián)網(wǎng)、4G/5G等移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，此外廣電網(wǎng)、電力通信網(wǎng)、專用網(wǎng)（數(shù)字集群）等網(wǎng)絡(luò)作為補(bǔ)充。接入網(wǎng)方式包括光纖接入、無(wú)線接入、以太網(wǎng)接入、衛(wèi)星接入等。網(wǎng)絡(luò)層的作用是實(shí)現(xiàn)感知層大規(guī)模傳感處理數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

（3）應(yīng)用層

應(yīng)用層位于物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)中的最頂層，類似人體的大腦，海量的傳感數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層傳輸后在這里匯總并集中處理。應(yīng)用層依賴大數(shù)據(jù)云計(jì)算平臺(tái)的強(qiáng)大計(jì)算分析能力和人工智能技術(shù)，通過(guò)各種具體的應(yīng)用層軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、處理和知識(shí)挖掘，并將得到的決策、信息結(jié)果或?qū)W習(xí)到的知識(shí)反饋給感知層，或者作為產(chǎn)品服務(wù)提供出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)萬(wàn)物互聯(lián)的物理世界的精確管理、實(shí)時(shí)控制及科學(xué)決策。

3.嵌入式系統(tǒng)的定義與特點(diǎn)

（1）嵌入式系統(tǒng)的定義

電氣電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）的定義為：嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”。國(guó)內(nèi)采用百度百科的定義為：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠根據(jù)用戶需求（功能、可靠性、成本、體積、功耗、環(huán)境等）靈活裁剪軟硬件模塊的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序四部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。

（2）嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)

嵌入式系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)。

1）可裁剪性。因?yàn)榍度胧揭话忝嫦蚓唧w應(yīng)用，所以嵌入式系統(tǒng)一般較小，可根據(jù)具體產(chǎn)品裁剪掉不必要的驅(qū)動(dòng)組件及接口，如現(xiàn)在智能安防的嵌入式系統(tǒng)只需要配備攝像頭驅(qū)動(dòng)、視頻壓縮及網(wǎng)絡(luò)傳輸及接口功能即可。

2）實(shí)時(shí)性。嵌入式產(chǎn)品需要及時(shí)對(duì)物理世界做出反饋，一般都具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性要求，如為了保證安全性，基于嵌入式的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)對(duì)交通突發(fā)狀況的系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間就極短，在毫秒數(shù)量級(jí)。

3）低功耗、低成本和高可靠性。大量嵌入式產(chǎn)品依靠電池供電，且體積小巧、便捷可穿戴，如智能手環(huán)等必須按照低功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)、低成本價(jià)格且可靠性高才能滿足用戶需求。

4）與具體應(yīng)用同步迭代。嵌入式一般與其具體產(chǎn)品應(yīng)用有機(jī)結(jié)合，升級(jí)換代與產(chǎn)品同步，具有較長(zhǎng)生命周期。

5）完整的開(kāi)發(fā)環(huán)境及相關(guān)工具。運(yùn)行裸機(jī)程序的嵌入式處理器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一般采用集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，如單片機(jī)、STM32等采用Keil軟件，DSP采用CCS軟件，而運(yùn)行vxWorks操作系統(tǒng)的嵌入式處理器使用Tornado。ARM處理器的嵌入式Linux系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一般使用一整套面向ARM的GNU工具鏈，包括GCC、GNU Binutils、GNU make和Glibc等。

6）不可壟斷性。由于嵌入式直接面向具體應(yīng)用，種類極其繁多，這造成了嵌入式系統(tǒng)是不可壟斷的高度分散的產(chǎn)品，雖充滿競(jìng)爭(zhēng)，但每個(gè)嵌入式的學(xué)習(xí)者和愛(ài)好者都有很大的機(jī)遇與創(chuàng)新可能。