一、物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式的基本概念

物聯(lián)網(wǎng)

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和 5G 網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)使用，越來越多的“物”以各種各樣的方式接入到網(wǎng)絡(luò)中，它們相互交流，從而實現(xiàn)信息的交換、傳輸及利用。這些接入網(wǎng)絡(luò)的“物”的數(shù)量巨大、類型繁多。各種各樣的“物”大量接入網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)越來越巨大，也越來越復(fù)雜，問題也越來越多，這樣就需要得到新的理論與技術(shù)架構(gòu)支持，因此“物聯(lián)網(wǎng)”( Internet of Things) 這個概念就開始浮出水面。

定義

學(xué)術(shù)界上曾有學(xué)者表示物聯(lián)網(wǎng)就是“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)”。其有兩層意思:

• 第一，物聯(lián)網(wǎng)的核心和基礎(chǔ)仍然是互聯(lián)網(wǎng)，是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴展的網(wǎng)絡(luò);

• 第二，其用戶端延伸和擴展到了任何物體與物體之間，進行信息交換和通信。

或者認(rèn)為: 物聯(lián)網(wǎng)就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò); 物聯(lián)網(wǎng)是 RFID 網(wǎng)絡(luò)等。

以上定義從互聯(lián)網(wǎng)的角度上來分析定義物聯(lián)網(wǎng)，從而可以得到: 互聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的子集; 物聯(lián)網(wǎng)的支撐技術(shù)之一是網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)。

目前對物聯(lián)網(wǎng)的一些定義:

定義 1：

國際上通用的物聯(lián)網(wǎng)的定義是: 通過射頻識別( RFID) 、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物體與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進行信息交換和通信，以實現(xiàn)對物體的智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

定義 2：

物聯(lián)網(wǎng)是集成在未來網(wǎng)絡(luò)中的整合部分，是一個基于標(biāo)準(zhǔn)的、可交互的通信協(xié)議，具有自我配置能力的動態(tài)全球網(wǎng)絡(luò)，在這個網(wǎng)絡(luò)中，物理和虛擬的物具有標(biāo)識、物理屬性和虛擬人格，并使用智能接口無縫地接入信息網(wǎng)絡(luò)。

定義 3：

中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會對于物聯(lián)網(wǎng)的定義是: 通過部署具有一定感知、計算、執(zhí)行和通信等能力的各種設(shè)備，獲得物理世界的信息，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息的傳輸、協(xié)同和處理，從而實現(xiàn)廣域的人與物、物與物之間信息交換的互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。

定義 4：

“物聯(lián)網(wǎng)”是利用無所不在的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)( 有線的、無線的) 建立起來的，其中非常重要的技術(shù)是 RFID 電子標(biāo)簽技術(shù)。它是以簡單 RFID 系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合已有的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、中間件技術(shù)等，構(gòu)筑的一個由大量聯(lián)網(wǎng)的閱讀器和無數(shù)移動的標(biāo)簽組成的，比 Internet 更為龐大的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)成為RFID 技術(shù)發(fā)展的趨勢。在這個網(wǎng)絡(luò)中，系統(tǒng)可以自動地、實時地對物體進行識別、定位、追蹤、監(jiān)控并觸發(fā)相應(yīng)事件。

上述物聯(lián)網(wǎng)定義 1 ～ 3 主要是認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的擴展，聯(lián)網(wǎng)的對象不再局限于數(shù)字設(shè)備，可以是具體的物，如建筑物、動植物、杯子、椅子等，其次描述了物聯(lián)網(wǎng)具有的能力，如: 感知、計算、執(zhí)行和通信等;定義 4 說明了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不是一個全新的技術(shù)的產(chǎn)物，它集成了許多當(dāng)前的科學(xué)技術(shù)。

綜上所述，從技術(shù)的角度分析，物聯(lián)網(wǎng)不是一種單一的新奇技術(shù)的產(chǎn)物，而要實現(xiàn)其功能必須得到一些已有技術(shù)的支撐: 如射頻識別技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)、智能信息處理技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)等。這些技術(shù)能使物體設(shè)備具有感知、計算、執(zhí)行、協(xié)同工作和通信能力，因此，物聯(lián)網(wǎng)是一種由各種技術(shù)融合的綜合性技術(shù)。

嵌入式

嵌入式系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)不再是一個陌生的概念，它以微處理器芯片為中心，是隨著微處理器的出現(xiàn)而誕生的。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)從非常簡單的系統(tǒng)走向了復(fù)雜的系統(tǒng)。從 Intel 4004 微處理器芯片出現(xiàn)開始，人們將其用于控制設(shè)備的輸入輸出中，這也是一個典型的嵌入式設(shè)備，主要應(yīng)用于航空航天器上。在 20 世紀(jì) 80 年代早期，出現(xiàn)了 16 位 6800芯片，嵌入式系統(tǒng)可以處理復(fù)雜的應(yīng)用，不再單純是控制輸入輸出了。隨著芯片技術(shù)和接口技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的嵌入式系統(tǒng)，為了滿足用戶日益增多的需求，系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜、功能也越來越多。

定義

IEEE 的定義

嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機器和設(shè)備運行的設(shè)備”。

從中可以看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機械等附屬裝置。目前國內(nèi)一個普遍被認(rèn)同的定義是: 以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)。

同樣從技術(shù)的角度看，嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)與各行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。根據(jù)不同的應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)也會用到許多其他的技術(shù)，比如說: 通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)等。

嵌入式與物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別和聯(lián)系

從兩者的定義來看：

物聯(lián)網(wǎng)強調(diào)的是物聯(lián)網(wǎng)中設(shè)備具有感知、計算、執(zhí)行、協(xié)同工作和通信能力及能提供的服務(wù);

嵌入式系統(tǒng)強調(diào)的是嵌入到宿主對象的專用計算系統(tǒng)，其功能或能提供的服務(wù)也比較單一。

嵌入式系統(tǒng)具有的功能是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的功能的一個子集，但是它們之間的差異將越來越小。簡單的嵌入式系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)定義中的設(shè)備或者物有較大的區(qū)別，具有的功能不如物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備或者物，

從技術(shù)的角度來看，首先物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式系統(tǒng)都是各種技術(shù)融合的綜合性技術(shù)，融合的技術(shù)大致相同，其次物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中又包含有嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。如下表所示：

二、從構(gòu)成模型看物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式

關(guān)于“物”，根據(jù)亞里士多德和菲洛波努斯對物的哲學(xué)思考，即 物的“分類法”和“物有靈魂的本質(zhì)”，可以從哲學(xué)的角度來定義“物”，即物不局限于物理世界真實的物品，也包括虛擬的物品以及與物聯(lián)系在一起的事件。

那么物聯(lián)網(wǎng)之物可以被定義為在時空中可以被識別的、真實存在或數(shù)字虛擬的實體。

當(dāng)前許多日常物品已經(jīng)嵌入微處理器，并不斷地推陳出新，在原來的基礎(chǔ)上增加新功能和通信接口等。比如: PDA 從原來不帶無線通信接口的 PDA，發(fā)展到現(xiàn)在帶有 WiFi、Bluetooth 的PDA。隨著先進的半導(dǎo)體技術(shù)和軟件技術(shù)的發(fā)展，包含有微計算器、存儲器、軟件、具有傳感器與執(zhí)行體接口的微處理器已經(jīng)能比較容易地植入日常物品。

因此只要增加物品的網(wǎng)絡(luò)接口，人和機器能夠通過因特網(wǎng)遠程監(jiān)視和控制物品。還有，將傳感器整合到物體中，那么它們自身就能相互交換信息，服務(wù)器或人也能遠程監(jiān)視它們。此外，改進軟件系統(tǒng)使其變得更智能，無論是在有人還是無人干預(yù)的情況下，寄生在服務(wù)器和連接在網(wǎng)絡(luò)上的物品中的智能計算軟件系統(tǒng)根據(jù)服務(wù)器或物品的狀態(tài)都能產(chǎn)生事件序列。

總之，互聯(lián)網(wǎng)從連接計算機的網(wǎng)絡(luò)走向了連接對象的網(wǎng)絡(luò)（即物聯(lián)網(wǎng)） 要歸功于與嵌入式微處理器、傳感器、執(zhí)行體、網(wǎng)絡(luò)接口結(jié)合的對象能無縫地接入。而物聯(lián)網(wǎng)中的物必須具有相應(yīng)的屬性和能力。

三、物聯(lián)網(wǎng)時代嵌入式系統(tǒng)的華麗轉(zhuǎn)身

微處理器誕生后立即分化出通用處理器與嵌入式處理器。通用處理器用來構(gòu)成通用計算機，嵌入式處理器用來構(gòu)成嵌入式應(yīng)用的微控制器。微控制器有單片、嵌入、物聯(lián)三個基本特點。30年來微控制器經(jīng)歷了三個不同的應(yīng)用時代，即單片機時代、嵌入式系統(tǒng)時代、物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時代。

因此說嵌入式系統(tǒng)是單片機的華麗轉(zhuǎn)身，物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的華麗轉(zhuǎn)身。每次華麗轉(zhuǎn)身都對應(yīng)有重大的變革。

從計算機的歷史說起

物聯(lián)網(wǎng)概念誕生后，出現(xiàn)了一個外人難以理解的“怪現(xiàn)象”：幾乎一夜之間，高校中便有了幾十個物聯(lián)網(wǎng)專業(yè)，原有的嵌入式系統(tǒng)實驗室、單片機實驗室改成了物聯(lián)網(wǎng)實驗室，多年不變的智能家居變成了物聯(lián)網(wǎng)家居。

PC機誕生后，微型計算機領(lǐng)域中出現(xiàn)了數(shù)值計算與嵌入式控制兩種應(yīng)用要求。計算機界為了區(qū)別兩種不同應(yīng)用要求的計算機，將用于數(shù)值計算的桌面計算機稱為通用計算機系統(tǒng)；將滿足嵌入式控制應(yīng)用要求的控制型計算機稱為嵌入式計算機系統(tǒng)，簡稱嵌入式系統(tǒng)。

后來，由于微型計算機無法滿足嵌入式控制要求，便中止了嵌入式計算機系統(tǒng)的探索。

與此同時，人們發(fā)現(xiàn)，早在PC機誕生前，在微處理器的基礎(chǔ)上就已經(jīng)誕生了專門滿足嵌入式控制應(yīng)用要求的微控制器，并開始了長達20年的單片機時代，從而造成早期嵌入式系統(tǒng)與單片機的歷史誤會。到了20世紀(jì)末，大量計算機界人士進入嵌入式控制領(lǐng)域，將實現(xiàn)嵌入式控制應(yīng)用的微控制器稱作“嵌入式系統(tǒng)”，從而形成了如今微控制器應(yīng)用中。

嵌入式應(yīng)用環(huán)境

單片微控制器的微小體積與價位，最大限度地滿足了空間環(huán)境要求與市場要求；固化的只讀程序存儲器、突出控制功能的指令系統(tǒng)與體系結(jié)構(gòu)，滿足了對象控制的可靠性要求。

因此，單片微控制器誕生后，迅速取代經(jīng)典電子系統(tǒng)，嵌入到對象體系（如家用電器、智能儀器、工控單元等）中實現(xiàn)對象體系的智能化控制。

隨著微控制器外圍電路、接口技術(shù)的不斷擴展，出現(xiàn)了一個個IT產(chǎn)品的公共平臺，衍生出眾多的IT產(chǎn)品，如手機、PDA、MP3、MP4、電子辭典、電子書、數(shù)碼伴侶等。這些產(chǎn)品沒有明確的嵌入對象，體現(xiàn)了微控制器的內(nèi)嵌式應(yīng)用，即它們內(nèi)部一定嵌有一個微控制器。這樣一來，嵌入式應(yīng)用的概念便從 原來“嵌入”擴展到“內(nèi)嵌”的全面嵌入式應(yīng)用。

物聯(lián)應(yīng)用本質(zhì)

微控制器為物聯(lián)而生，物聯(lián)是微控制器與生俱來的本質(zhì)特性。早在微處理器誕生時期，通用處理器與嵌入式處理器兩大分支的歷史性分工中，就賦予了嵌入式處理器的物聯(lián)使命。

要實現(xiàn)導(dǎo)彈的飛行控制，就必須將微控制器嵌入到導(dǎo)彈中，與導(dǎo)彈的儀表系統(tǒng)、控制機構(gòu)，甚至與控制中心計算機相連，完成飛行參數(shù)的感知，在快速運算決策后控制導(dǎo)彈的飛行姿態(tài)。

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