物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論第4章課件

1吳功宜吳英編著《物聯(lián)網(wǎng)工程導(dǎo)論》第4章

物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備

與嵌入式技術(shù)2第

4章知識(shí)點(diǎn)結(jié)構(gòu)34.1智能設(shè)備的研究與發(fā)展嵌入式系統(tǒng)（EmbeddedSystem）也稱作“嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（EmbeddedComputerSystem）”它是針對(duì)特定的應(yīng)用，剪裁計(jì)算機(jī)的軟件和硬件，以適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、家電等各個(gè)領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的各種智能設(shè)備都需要采用嵌入式技術(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)與制造嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論、方法與工具是物聯(lián)網(wǎng)研究的理論基礎(chǔ)，具有重要的借鑒與指導(dǎo)作用。44.1智能設(shè)備的研究與發(fā)展

4.1.1個(gè)人計(jì)算機(jī)PCIBMPC、圖形工作站、臺(tái)式機(jī)、筆記本計(jì)算機(jī)、一體機(jī)與iPad54.1.3GPS接收機(jī)車載GPS導(dǎo)航儀、GPS手機(jī)與GPS手表74.1.4智能手機(jī)智能手機(jī)將是物聯(lián)網(wǎng)中一種重要的智能終端設(shè)備，很多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的用戶終端設(shè)備是基于智能手機(jī)操作系統(tǒng)平臺(tái)上開發(fā)的智能手機(jī)與個(gè)人計(jì)算機(jī)一樣，具有自己獨(dú)立的嵌入式操作系統(tǒng)，可以由用戶自行安裝軟件、游戲等第三方服務(wù)提供商的程序很多種智能手機(jī)已經(jīng)嵌入了RFID標(biāo)簽芯片與傳感器芯片，成為物聯(lián)網(wǎng)中重要的移動(dòng)通信、移動(dòng)計(jì)算與位置服務(wù)的設(shè)備84.1.6數(shù)字標(biāo)牌數(shù)字標(biāo)牌（DigitalSignage）是一種新的專業(yè)多媒體視聽系統(tǒng)，體現(xiàn)出一種全新的媒體概念，同時(shí)也是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)與人通過(guò)視覺交互的工具數(shù)字標(biāo)牌在智慧城市與智能交通中的應(yīng)用示例104.2嵌入式技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)—集成電路

4.2.1微電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要性電子工業(yè)產(chǎn)值的增長(zhǎng)速率是國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值增長(zhǎng)速率的3倍，微電子產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)速率又是電子工業(yè)增長(zhǎng)速率的2倍國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值每增加100~300元，就必須有10元電子工業(yè)和1元集成電路產(chǎn)值的支持集成電路對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的貢獻(xiàn)率遠(yuǎn)高于其他門類的產(chǎn)品，以單位質(zhì)量鋼筋對(duì)GDP的貢獻(xiàn)為1計(jì)算，小汽車為5，彩電為30，計(jì)算機(jī)為1000，而集成電路的貢獻(xiàn)率則高達(dá)2000114.2.2微電子技術(shù)的發(fā)展從電子管到晶體管的發(fā)展過(guò)程12摩爾定律的基本內(nèi)容：集成電路的集成度每18個(gè)月就翻一番特征尺寸每3年縮小1/2計(jì)算機(jī)界對(duì)于摩爾定律的兩點(diǎn)推論：微處理器的性能每隔18個(gè)月提高一倍，而價(jià)格下降一倍用一個(gè)美元所能買到的計(jì)算機(jī)性能，每隔18個(gè)月翻兩番144.2.4SoC研究與應(yīng)用SoC芯片與集成電路的關(guān)系示意圖154.3.2嵌入式系統(tǒng)的基本概念微型機(jī)應(yīng)用和微處理器芯片技術(shù)的發(fā)展為嵌入式系統(tǒng)研究奠定了基礎(chǔ)嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展適應(yīng)了智能控制的需求嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展促進(jìn)了芯片、操作系統(tǒng)、軟件編程語(yǔ)言與體系結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展嵌入式系統(tǒng)的研究體現(xiàn)出多學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)174.3.3嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的過(guò)程第一階段：以可編程序控制器系統(tǒng)為核心的研究階段第二階段：以嵌入式中央處理器CPU為基礎(chǔ)、簡(jiǎn)單操作系統(tǒng)為核心的階段第三階段：以嵌入式操作系統(tǒng)為標(biāo)志的階段第四階段：基于網(wǎng)絡(luò)操作的嵌入式系統(tǒng)發(fā)展階段184.4RFID讀寫器與中間件軟件設(shè)計(jì)*

4.4.1RFID應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理RFID應(yīng)用系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)示意圖194.4.2RFID讀寫器結(jié)構(gòu)

與設(shè)計(jì)方法典型手持式RFID讀寫器結(jié)構(gòu)204.4.3RFID中間件的概念與結(jié)構(gòu)RFID中間件結(jié)構(gòu)示意圖214.5無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)*

4.5.1無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)224.5.3無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件部件之間關(guān)系示意圖244.5.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入式操作系統(tǒng)的研究由于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)具有數(shù)量大、拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化、攜帶非常有限的硬件資源等特點(diǎn)，同時(shí)計(jì)算、存儲(chǔ)和通信等操作需要并發(fā)地調(diào)用系統(tǒng)資源，因此需要研究適合傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型操作系統(tǒng)目前，最有代表性的是UCBerkeley的TinyOS，它是一種面向無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型嵌入式操作系統(tǒng)25無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)軟件結(jié)構(gòu)27無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件結(jié)構(gòu)284.6可穿戴計(jì)算研究及其在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

4.6.1可穿戴計(jì)算機(jī)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用可穿戴計(jì)算機(jī)可以應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程支援、搶險(xiǎn)救災(zāi)、醫(yī)療救護(hù)、社會(huì)治安、新聞采訪、社會(huì)娛樂與軍事方面為了適應(yīng)不同的用戶需求，不同的可穿戴計(jì)算機(jī)根據(jù)其功能、與人交互方式的不同，而被設(shè)計(jì)成不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和不同的外形294.6.2可穿戴計(jì)算概念產(chǎn)生的背景可穿戴計(jì)算技術(shù)體現(xiàn)出“以人為本，人機(jī)合一”和“無(wú)處不在的計(jì)算”的理念，有力地支持著“從人圍著計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)圍著人轉(zhuǎn)”這一計(jì)算機(jī)演變的重要趨勢(shì)可穿戴計(jì)算系統(tǒng)與人類緊密結(jié)合成一個(gè)整體，能夠拓展人的視覺、聽覺，增強(qiáng)人的大腦記憶和應(yīng)對(duì)外界環(huán)境變化的能力，延伸了人的大腦與四肢，代表著計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)可穿戴計(jì)算技術(shù)研究涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、智能科學(xué)、光學(xué)工程、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、機(jī)械制造、通信科學(xué)、生物學(xué)、數(shù)學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)等多個(gè)交叉學(xué)科和技術(shù)領(lǐng)域304.6.3可穿戴計(jì)算的定義和主要特征可穿戴計(jì)算機(jī)與新的人機(jī)交互模式：持久性增強(qiáng)性介入性可穿戴計(jì)算機(jī)的六個(gè)屬性：非限制性非獨(dú)占性可覺察性可控性環(huán)境感知性交流性31可穿戴計(jì)算機(jī)的三大能力：移動(dòng)計(jì)算能力智能助手能力多種控制能力324.5.4可穿戴計(jì)算機(jī)在提高人的感知能力方面研究的發(fā)展334.7智能機(jī)器人研究及其在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

4.7.1機(jī)器人的基本概念機(jī)器人學(xué)(robotics)是一個(gè)涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能方法、智能控制、精密機(jī)械、信息傳感技術(shù)、生物工程的交叉學(xué)科按照應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分類，機(jī)器人可以分為民用和軍用兩大類民用機(jī)器人又可以進(jìn)一步分為工業(yè)機(jī)器人、農(nóng)業(yè)機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器人、仿人機(jī)器人、特種機(jī)器人、微機(jī)器人與微操作機(jī)器人，以及空間機(jī)器人等軍事機(jī)器人按照應(yīng)用的目的分類，可以分為偵察機(jī)器人、監(jiān)視機(jī)器人、排爆機(jī)器人、攻擊機(jī)器人與救援機(jī)器人。按照工作環(huán)境分類，可以分為地面軍用機(jī)器人、水下軍用機(jī)器人、空中軍用機(jī)器人34智能機(jī)器人在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用前景通過(guò)網(wǎng)絡(luò)控制的智能機(jī)器人正在向我們展示出對(duì)世界超強(qiáng)的感知能力與智能處理能力智能機(jī)器人可以在物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境保護(hù)、防災(zāi)救災(zāi)、安全保衛(wèi)、航空航天、軍事，以及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域的應(yīng)用中發(fā)揮重要的作用，必將成為物聯(lián)網(wǎng)的重要成員物聯(lián)網(wǎng)催生很多具有計(jì)算、通信、控制、協(xié)同和自治性能的智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)，智能機(jī)器人與物聯(lián)網(wǎng)研究有很多共通之處智能機(jī)器人的研究成果與研究方法對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)理論研究具有極為重要的指導(dǎo)與借鑒意義354.7.2智能機(jī)器人在物