第4章物联网智能设备与嵌入式技术

第4章物联网智能设备与嵌入式技术1第4章知识点结构2智能信息设备的研究与发展嵌入式技术发展基础—集成电路嵌入式技术的研究与发展环境智能化与嵌入式技术嵌入式系统的基本概念嵌入式系统的发展物联网典型嵌入式系统设计方法RFID标签读写器结构与应用软件设计*无线传感器节点结构与应用软件设计*可穿戴计算的研究及其在物联网中的应用智能机器人的研究及其在物联网中的应用4.1智能设备的研究与发展•嵌入式系统（EmbeddedSystem）也称作“嵌入式计算机系统（EmbeddedComputerSystem）”•它是针对特定的应用，剪裁计算机的软件和硬件，以适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统•嵌入式系统已经用于工业、农业、军事、家电等各个领域•物联网环境中的各种智能设备都需要采用嵌入式技术来进行设计与制造•嵌入式系统的设计理论、方法与工具是物联网研究的理论基础，具有重要的借鉴与指导作用。34.1智能设备的研究与发展4.1.1个人计算机PC•IBMPC、图形工作站、台式机、笔记本计算机、一体机与iPad44.1.2个人数字助理PDA•各种形式的PDA54.1.3GPS接收机•车载GPS导航仪、GPS手机与GPS手表64.1.4智能手机•智能手机将是物联网中一种重要的智能终端设备，很多物联网应用系统的用户终端设备是基于智能手机操作系统平台上开发的•智能手机与个人计算机一样，具有自己独立的嵌入式操作系统，可以由用户自行安装软件、游戏等第三方服务提供商的程序•很多种智能手机已经嵌入了RFID标签芯片与传感器芯片，成为物联网中重要的移动通信、移动计算与位置服务的设备7Today84.1.5智能家电•未来的智能家电向智能化、自适应和网络化方向发展，智能家电将成为物联网中智慧家居应用中主要的组成单元•可以接入互联网或移动通信网的智能家电称为“网络家电”•智能家电可以实现互联组成一个家庭内部网络，可以与互联网连接•智能家电研究的对象主要是电视、冰箱、空调、洗衣机与照明设备等•实现网络家电连接的技术主要是蓝牙、红外、电力线、双绞线等910114.1.6数字标牌•数字标牌（DigitalSignage）是一种新的专业多媒体视听系统，体现出一种全新的媒体概念，同时也是物联网应用系统与人通过视觉交互的工具•数字标牌在智慧城市与智能交通中的应用示例124.2嵌入式技术发展的基础—集成电路4.2.1微电子技术和产业发展的重要性•电子工业产值的增长速率是国民经济总产值增长速率的3倍，微电子产业的增长速率又是电子工业增长速率的2倍•国民经济总产值每增加100~300元，就必须有10元电子工业和1元集成电路产值的支持•集成电路对国民经济的贡献率远高于其他门类的产品，以单位质量钢筋对GDP的贡献为1计算，小汽车为5，彩电为30，计算机为1000，而集成电路的贡献率则高达2000134.2.2微电子技术的发展•从电子管到晶体管的发展过程144.2.3集成电路的研究与发展•从使用分立元器件的电路单元到集成电路芯片15由分立器件与元件组成的电路板具有相同功能的集成电路芯片摩尔定律的基本内容：•集成电路的集成度每18个月就翻一番•特征尺寸每3年缩小1/2计算机界对于摩尔定律的两点推论：•微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一倍•用一个美元所能买到的计算机性能，每隔18个月翻两番164.2.4SoC研究与应用•SoC芯片与集成电路的关系示意图17补充：微电子学发展历史184.3嵌入式技术的研究与发展4.3.1环境智能化与嵌入式系统•未来98%的计算设备将工作在嵌入式系统中•嵌入式系统是将计算与控制的概念联系在一起，并嵌入到物理系统之中，实现“环境智能化”的目的•无线传感器网络、RFID应用系统是嵌入式技术在实现“环境智能化”方向迈出了一大步194.3.2嵌入式系统的基本概念•微型机应用和微处理器芯片技术的发展为嵌入式系统研究奠定了基础•嵌入式系统的发展适应了智能控制的需求•嵌入式系统的发展促进了芯片、操作系统、软件编程语言与体系结构研究的发展•嵌入式系统的研究体现出多学科交叉融合的特点204.3.3嵌入式系统发展的过程•第一阶段：以可编程序控制器系统为核心的研究阶段•第二阶段：以嵌入式中央处理器CPU为基础、简单操作系统为核心的阶段(eg.PLC)•第三阶段：以嵌入式操作系统为标志的阶段•第四阶段：基于网络操作的嵌入式系统发展阶段21224.4RFID读写器与中间件软件设计*4.4.1RFID应用系统结构与工作原理•RFID应用系统原理结构示意图234.4.2RFID读写器结构与设计方法典型手持式RFID读写器结构244.4.3RFID中间件的概念与结构•RFID中间件结构示意图25应用接口设备接口核心处理接口RFID硬件RFID应用RFID中间件发送指令接收信息查询与应用需求数据与状态报告4.5无线传感器网络节点设计*4.5.1无线传感器节点的结构•无线传感器节点结构26处理器存储器处理器模块网络层模块介质访问控制模块无线收发器模块无线通信模块传感器AC/DC能量供应模块传感器模块无线传感器节点感知信息发送和接收传感器数据无线传感器节点i无线传感器节点j无线传感器节点k无线传感器节点n感知信息无线传感器节点a4.5.2无线传感器网络节点设计原则•微型化与低成本•低功耗•灵活性与可扩展性•鲁棒性传感器节点各部分能量消耗情况27发送接收空闲休眠通信传感器处理器010155功耗(毫瓦)4.5.3无线传感器网络节点硬件设计•传感器节点硬件部件之间关系示意图28应用背景要求传感器技术通信技术能源技术处理器技术4.5.4无线传感器网络嵌入式操作系统的研究•由于无线传感器节点具有数量大、拓扑动态变化、携带非常有限的硬件资源等特点，同时计算、存储和通信等操作需要并发地调用系统资源，因此需要研究适合传感器网络的新型操作系统•目前，最有代表性的是UCBerkeley的TinyOS，它是一种面向无线传感器网络的新型嵌入式操作系统294.5.5无线传感器网络系统应用软件设计无线传感器网络系统应用软件设计的要求•面向应用•适应性•能量优化•模块化•可管理30•无线传感器节点软件结构31算法模块服务中间件节点中间件操作系统处理器传感驱动传感器无线通信电路节点应用软件•无线传感器网络软件结构32应用软件数据处理软件分布式中间件操作系统传感器硬件操作系统传感器硬件操作系统传感器硬件节点A节点B节点C监测区域互联网或移动通信网传感器节点汇聚节点管理节点网络接口网络接口管理节点软件汇聚节点软件4.6可穿戴计算研究及其在物联网中的应用4.6.1可穿戴计算机在物联网中的应用•可穿戴计算机可以应用于物联网远程支援、抢险救灾、医疗救护、社会治安、新闻采访、社会娱乐与军事方面•为了适应不同的用户需求，不同的可穿戴计算机根据其功能、与人交互方式的不同，而被设计成不同的内部结构和不同的外形33产品分类介绍对智能穿戴各类别中具有影响力的产品进行介绍产品类别之智能眼镜智能眼镜：它最多可以将眼镜、智能手机、摄像机等多种功能集于一身，通过电脑化的镜片将信息展现在用户眼前；另外可以帮助随时进行拍照、录像、看视频，省去了拿出相机、手机和PAD的麻烦。功能：集眼镜、智能手机、摄像机于一身价格：1500美元Google眼镜智能眼镜产品1语音：支持语音控制如“OKGlass，Takeapicture”功能：拍照和摄像价格：540元Thanko眼镜型摄像机智能眼镜产品2语音：不支持功能：运动、视频流、web和社交媒体价格：未知ReconJet智能眼镜产品3语音：不支持产品类别之智能手环智能手环：用户可以通过手环记录日常生活中的锻炼、睡眠和饮食等实数据，无屏幕显示，可将这些数据与Pad、手机等智能终端同步，起到通过数据指导健康生活的作用。目前，智能手环中还未有集成语音控制功能。功能：跟踪睡眠运动和饮食、空闲提醒、智能闹钟等功能，并且对监控数据进行分析上市时间：2012年JawboneUP智能手环产品1价格：国行版1100人民币功能：专为好动人士设计，测量你每天的运动量，只需佩戴或手持NikeFuelband智能手环产品2上市时间：2012年价格：1080人民币功能：首款基于百度云开发的便携式可穿戴设备，可实现活动监测、睡眠监测、活动提醒、智能闹钟四大功能百度咕咚手环智能手环产品3上市时间：2013.6价格：399人民币产品类别之智能手表智能手表：是将手表内置智能化系统、搭载智能手机系统而连接于网络而实现多功能，能同步手机中的电话、短信、邮件、照片、音乐等。2013年3月媒体报道，苹果、三星、谷歌等科技巨头都将在2013年晚些时候发布智能手表。美国市场研究公司CurrentAnalysis分析师AviGreengart认为2013年可能会成为智能手表元年。功能：最值得期待的智能手表！Appleiwatch智能手表产品1功能：支持阅读来电信息，短信，日历等，支持邮件/微博/人人以及更多扩展应用，支持音乐播放。这款智能手表是智能手机的扩展，设置需要通过应用与智能手机相连然后进行设置上市时间：2012年索尼SmartWatch智能手表产品2价格：149美元功能：接听电话，看短信，邮件提示，拍照等上市时间：2013年价格：2398人民币三星Gear智能手表产品3语音功能：支持三星SVoice语音操控命令，在国内与百度达成战略合作，内置百度语音助手实现相应功能调用SonySmartWatch智能手表产品4功能：定位智能手机配件（目前只支持配对安卓手机），拨打电话、看短信、看邮件、拍照、查天气等上市时间：2013年价格：1000左右人民币硅谷创业Pebble智能手表产品5功能：GPS定位、音乐播放、接打电话、收发邮件、收发短信、日历提示、接收Facebook、天气以及推文信息上市时间：2013年价格：149美元谷歌Nexus和motoI’mwatch智能手表产品6功能：未知。最值得期待的是googlenow语音功能的加入，将带来智能手表语音应用的风暴。产品类别之智能穿着智能穿着：衣服、裤子、鞋子、衣物装饰等，记录日常生活中的运动情况、睡眠和饮食等实数据，无屏幕显示，可将这些数据与Pad、手机等智能终端同步，起到通过数据指导健康生活的作用。功能：收集运动状况价格：￥169Google智能鞋智能穿着产品1语音：未知功能：收集运动状况价格：未定价小米智能鞋智能穿着产品2语音：未知功能：带领盲人到其指定的位置，同时避免可能发生的碰撞以及障碍物躲避等。价格：暂无LeChal智能盲人鞋智能穿着产品3语音：未知功能：娱乐，让音乐爱好者可随时拍打节拍价格：29美元鼓点T恤智能穿着产品3语音：无功能：佩戴于胸前的衣服之上，能够在人们从事跑步、足球以及网球等体育运动时监测记录人体的奔跑速度、反应速度、跳跃力、心率以及锻炼时间价格：$20AdidasmiCoachX_Cell智能穿着产品4上市时间：未知4.6.2可穿戴计算概念产生的背景•可穿戴计算技术体现出“以人为本，人机合一”和“无处不在的计算”的理念，有力地支持着“从人围着计算机转，转向计算机围着人转”这一计算机演变的重要趋势•可穿戴计算系统与人类紧密结合成一个整体，能够拓展人的视觉、听觉，增强人的大脑记忆和应对外界环境变化的能力，延伸了人的大脑与四肢，代表着计算机的一个重要的发展趋势•可穿戴计算技术研究涉及计算机科学、智能科学、光学工程、微电子技术、传感器技术、机械制造、通信科学、生物学、数学、生物医学、工业设计技术等多个交叉学科和技术领域564.6.3可穿戴计算的定义和主要特征可穿戴计算机与新的人机交互模式：•持久性•增强性•介入性可穿戴计算机的六个属性：非限制性非独占性可觉察性可控性环境感知性交流性57可穿戴计算机的三大能力：•移动计算能力•智能助手能力•多种控制能力584.5.4可穿戴计算机在提高人的感知能力方面研究的发展594.7智能机器人研究及其在物联网中的应用604.7.1机器人的基本概念•机器人学(robotics)是一个涉及计算机科学、人工智能方法、智能控