《嵌入式系統(tǒng)原理及應(yīng)用》課件第1章

第1章嵌入式系統(tǒng)概論1.1嵌入式系統(tǒng)的概念1.2嵌入式系統(tǒng)的組成1.3嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用1.4嵌入式系統(tǒng)的職業(yè)需求1.5嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)方法習(xí)題

1.1嵌入式系統(tǒng)的概念

嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的出現(xiàn)，是現(xiàn)代計算機(jī)發(fā)展史上的里程碑事件。嵌入式系統(tǒng)誕生于微型計算機(jī)時代，與通用計算機(jī)的發(fā)展道路完全不同，其形成了獨(dú)立的單芯片的技術(shù)發(fā)展道路。由于嵌入式系統(tǒng)的誕生，現(xiàn)代計算機(jī)領(lǐng)域中出現(xiàn)了通用計算機(jī)與嵌入式計算機(jī)兩大分支。不可兼顧的技術(shù)要求，形成了兩大分支的獨(dú)立發(fā)展道路：通用計算機(jī)按照高速、海量的技術(shù)要求發(fā)展；嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)則按滿足對象系統(tǒng)嵌入式智能化控制的要求發(fā)展。

1.嵌入式系統(tǒng)的定義

嵌入式系統(tǒng)是嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)的簡稱，它有以下幾種定義。

1)IEEE(國際電氣和電子工程師協(xié)會)的定義嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助設(shè)備、機(jī)器和車間運(yùn)行的裝置”，它通常執(zhí)行特定的功能，以微處理器與周邊構(gòu)成核心，具有嚴(yán)格的時序與穩(wěn)定度要求，全自動操作循環(huán)

2)國內(nèi)普遍采用的定義

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適用于應(yīng)用系統(tǒng)的對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)。

3)根據(jù)嵌入式系統(tǒng)特點給出的定義北京航空航天大學(xué)何立民教授對嵌入式系統(tǒng)給出的定義是：嵌入到對象體系中的專用計算機(jī)系統(tǒng)。按照這一定義，嵌入式系統(tǒng)有三個基本特點，即“嵌入性”、“專用性”與“計算機(jī)”。

嵌入性”由早期微型機(jī)時代的嵌入式計算機(jī)應(yīng)用而來，專指計算機(jī)嵌入到對象體系中，實現(xiàn)對象體系的智能控制。

“專用性”是指在滿足對象控制要求及環(huán)境要求下的軟硬件裁剪性。

“計算機(jī)”是對象系統(tǒng)智能化控制的根本保證。

2.物聯(lián)網(wǎng)視角下的嵌入式系統(tǒng)

如果把物聯(lián)網(wǎng)比作人體，傳感器就相當(dāng)于人的眼睛、鼻子、皮膚等感官，網(wǎng)絡(luò)就好比是用來傳遞信息的神經(jīng)系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)則是人的大腦，用于分類處理信息并控制系統(tǒng)的運(yùn)作。這個比喻形象地描述了嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用中的位置與作用。

所謂的智能型嵌入式系統(tǒng)應(yīng)具備四個關(guān)鍵元素，具體如下：

(1)高效率、高效能的運(yùn)算。

(2)各種智能設(shè)備的連接。

(3)傳感器的數(shù)據(jù)輸入。

(4)智能型嵌入式系統(tǒng)的軟件須涵蓋安全防護(hù)、管理、隨插即執(zhí)行的互通性、自動供應(yīng)設(shè)備/應(yīng)用/服務(wù)等資源。

智能型嵌入式系統(tǒng)發(fā)展的日益蓬勃，也吸引了智能型系統(tǒng)各部件從業(yè)者積極搶進(jìn)市場，并全力迎接智能型嵌入式系統(tǒng)帶來的新挑戰(zhàn)。未來幾年，在智能型嵌入式產(chǎn)品市場中，包括銷售端點系統(tǒng)、交互式信息站、數(shù)字電子廣告牌、醫(yī)療照顧、游戲等將有可觀的發(fā)展。另外，物聯(lián)網(wǎng)將智能型嵌入式系統(tǒng)連接到云端，亦將促進(jìn)嵌入式系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。

1.2嵌入式系統(tǒng)的組成

一個嵌入式系統(tǒng)裝置一般都由嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)和執(zhí)行裝置組成，如圖1-1所示。嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、軟件層和功能層組成。執(zhí)行裝置也稱為被控對象，它可以接受嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。圖1-1嵌入式系統(tǒng)的組成

1.2.1硬件層

硬件層中包含嵌入式處理器、存儲器、通用設(shè)備接口和I/O接口等。在一片嵌入式處理器基礎(chǔ)上添加電源電路、時鐘電路和存儲器電路，就構(gòu)成了一個嵌入式核心控制模塊，其中操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以固化在ROM中。

1.嵌入式處理器

嵌入式系統(tǒng)硬件層的核心是嵌入式處理器，嵌入式處理器與通用CPU最大的不同在于嵌入式處理器大多工作在為特定用戶群所專門設(shè)計的系統(tǒng)中，它將通用CPU許多由板卡完成的任務(wù)集成在芯片內(nèi)部，從而有利于嵌入式系統(tǒng)在設(shè)計時趨于小型化，同時還具有很高的效率和可靠性。

嵌入式處理器有各種不同的體系，即使在同一體系中也可能具有不同的時鐘頻率和數(shù)據(jù)總線寬度，或集成了不同的外設(shè)和接口。嵌入式處理器按照實現(xiàn)功能，可分為以下五類。

1)嵌入式微控制器

嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、定時/計數(shù)器、WatchDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、E2PROM等各種必要功能和外設(shè)。

圖1-2所示為Arduino單片機(jī)開發(fā)套件。Arduino的硬件平臺包括基于AVR單片機(jī)的主控制電路板，以及大量的各式輸入/輸出電子模塊。輸入/輸出電子模塊包括：開關(guān)輸入模塊、溫度壓力傳感器輸入模塊、超聲測距傳感器輸入模塊、各類顯示輸出模塊、電機(jī)控制模塊等，甚至還有以太網(wǎng)接入模塊。由于Arduino具有豐富易用的模塊，目前已經(jīng)在各類機(jī)電創(chuàng)新設(shè)計比賽中廣泛應(yīng)用。圖1-2Arduino單片機(jī)開發(fā)套件

2)嵌入式微處理器

嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，去除其他冗余功能部分，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本是一樣的，但在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強(qiáng)。

圖1-3所示為三星公司工業(yè)級微處理器S3C2440的最小系統(tǒng)，其主頻400MHz，標(biāo)準(zhǔn)存儲器配置采用64M×8bitNANDFlash(K9F1208)。

圖1-4所示為三星公司出產(chǎn)的基于Cortex-A8的S5PV210處理器圖1-3三星公司S3C2440的最小系統(tǒng)圖1-4三星公司S5PV210處理器

3)嵌入式數(shù)字信號處理器

DSP對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面，DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通指令實現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP。

嵌入式DSP比較有代表性的產(chǎn)品是TI公司的TMS320系列和Motorla的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的c2000系列、移動通信的C5000系列以及性能更高的c6000和Ｃ8000系列。圖1-5所示為一DSP5509開發(fā)板，是市面上性價比較高的TMS320VC5509Ａ開發(fā)板，適用于數(shù)字圖像、語音、網(wǎng)絡(luò)、測控等領(lǐng)域。圖1-5DSP5509開發(fā)板

4)嵌入式片上系統(tǒng)

SoC設(shè)計技術(shù)始于20世紀(jì)90年代中期，Dataquest定義SoC為包含處理器(DSP數(shù)字信號處理器)、存儲器(DRAM動態(tài)隨機(jī)存儲器)和片上邏輯(Logic邏輯、MPEG視頻圖像編碼標(biāo)準(zhǔn))的集成電路。隨著RF電路模塊和數(shù)?；旌闲盘柲K集成在單一芯片中，SoC的定義在不斷地完善，現(xiàn)在的SoC中包含一個或多個處理器、存儲器、模擬電路模塊、數(shù)?；旌闲盘柲K以及片上可編程邏輯。從應(yīng)用開發(fā)的角度來看，SoC主要是指在單芯片上集成了微電子應(yīng)用產(chǎn)品所需的所有功能的系統(tǒng)，如圖1-6所示。圖1-6SoC示意圖

5)多核處理器

多核處理器將兩個或多個CPU核封裝在一個芯片內(nèi)部，可節(jié)省大量的晶體管和封裝成本，同時還能顯著提高處理器的性能。移動處理器從單核到雙核再從四核到八核，再到今天的十核，僅僅花了不過五六年的時間。

由于手機(jī)結(jié)構(gòu)空間的局限性，限制了散熱技術(shù)的應(yīng)用，導(dǎo)致手機(jī)沒有辦法像PC一樣盡可能地提高處理器單核的主頻和性能，因為PC上基本上不存在結(jié)構(gòu)空間限制，散熱問題也有多種處理辦法和方式。正是這種差異化導(dǎo)致手機(jī)廠商和芯片廠商在設(shè)計手機(jī)處理器芯片的時候必須要嘗試各種架構(gòu)、技術(shù)與工藝，以達(dá)到最好的平衡效果，因此，手機(jī)和芯片廠商開始考慮往多核心方向發(fā)展。

2.存儲器

嵌入式系統(tǒng)需要存儲器來存放和執(zhí)行代碼。內(nèi)置存儲器分為片內(nèi)存儲器(在處理器芯片內(nèi)部)和片外存儲器(安裝在電路板上)。擴(kuò)充存儲器通常做成可插拔的形式，需要時才插入宿主設(shè)備使用。嵌入式系統(tǒng)的存儲器包含Cache、主存和輔助存儲器。

1)存儲器主要技術(shù)指標(biāo)

(1)容量：存儲1位二進(jìn)制數(shù)的最小單位為位，存儲器的容量通常用字節(jié)表示。更大的容量單位有1B、1KB、1MB、1GB、1TB、1PB、1EB、1ZB、1YB等。對于內(nèi)存來說，相鄰兩級容量單位之間的進(jìn)率為210＝1024；對于外存(磁盤、U盤、Flash存儲卡)來說，這些相鄰兩級容量單位之間的進(jìn)率為1000。

存儲容量可用如下公式表示：內(nèi)存容量＝單元總數(shù)×數(shù)據(jù)位數(shù)/單元。

(2)存取時間：指的是從啟動一次存儲器操作到完成該操作所用時間。現(xiàn)在存儲器芯片的工作速度很快，一般以ns為單位。

(3)內(nèi)存寬度：亦稱存儲總線寬度，即CPU或I/O一次訪存可存取的數(shù)據(jù)位數(shù)或字節(jié)數(shù)。存取寬度由編址方式?jīng)Q定。內(nèi)存帶寬的確定方式為：B表示帶寬、F表于存儲器時鐘頻率、D表示存儲器數(shù)據(jù)總線位數(shù)，則帶寬B＝Ｆ×D/8。

2)存儲器層次結(jié)構(gòu)如圖1-7所示，存儲器層次結(jié)構(gòu)中心思想是位于上層的更快更小的存儲設(shè)備作為位于下層更大更慢的存儲設(shè)備的緩存。從上至下，設(shè)備讀取速度變得更慢，容量更大，價格更低。寄存器在這個層次模型的最頂端，其運(yùn)行速率和CPU是一個數(shù)量級的。圖1-7存儲器層次結(jié)構(gòu)

(1)Cache。

Cache是一種容量小、速度快的存儲器陣列，它位于主存和嵌入式微處理器內(nèi)核之間，存放的是最近一段時間微處理器使用最多的程序代碼和數(shù)據(jù)。在需要進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取操作時，微處理器盡可能地從Cache中讀取數(shù)據(jù)，這樣大大改善了系統(tǒng)的性能，提高了微處理器和主存之間的數(shù)據(jù)傳輸速率。Cache的主要目標(biāo)就是減小存儲器(如主存和輔助存儲器)給微處理器內(nèi)核造成的存儲器訪問瓶頸，使處理速度更快，實時性更強(qiáng)。

(2)主存。

主存是嵌入式微處理器能直接訪問的寄存器，用來存放系統(tǒng)和用戶的程序及數(shù)據(jù)。它可以位于微處理器的內(nèi)部或外部，其容量根據(jù)具體的應(yīng)用而定，一般片內(nèi)存儲器容量小，速度快，片外存儲器容量大。

常用作主存的存儲器有以下兩類：

?ROM類：NORFlash(閃存)、E2PROM(電可擦除可編程只讀存儲器)等。

?RAM類：SRAM(靜態(tài)隨機(jī)存儲器，速度高，體積大，成本高，無需刷新，片上用)、DRAM(動態(tài)隨機(jī)存儲器，速度低，體積小，成本低，需刷新，片外用)和SDRAM(同步動態(tài)隨機(jī)存儲器)等。

NOR型與NAND型閃存的區(qū)別很大，NOR型閃存更像內(nèi)存，有獨(dú)立的地址線和數(shù)據(jù)線，但價格比較貴，容量比較小，常見的NORFlashROM為128KB～16MB，適合頻繁隨機(jī)讀寫的場合，通常用于存儲程序代碼并直接在芯片內(nèi)運(yùn)行，程序代碼不需要復(fù)制到RAM中再執(zhí)行的場合，用作嵌入式系統(tǒng)的啟動代碼芯片，如手機(jī)、掌上電腦中。而NAND型更像硬盤，地址線和數(shù)據(jù)線是共用的I/O線，類似硬盤的所有信息都通過一條硬盤線傳送，與NOR型閃存相比成本要低一些，而容量在8MB～4GB或更高。因此，NAND型閃存主要用來存儲資料，常用的閃存產(chǎn)品如Ｕ盤、閃存盤、數(shù)碼存儲卡都是用NAND型閃存。

圖1-8所示為三星K9K2G08U0M

YCＢ0，256MB×8位/128MB×16位＝2GB容量的NANDFlash。圖1-8Flash存儲器

(3)輔助存儲器。輔助存儲器用來存放大數(shù)據(jù)量的程序代碼或信息，它的容量大，但讀取速度與主存相比就慢的很多，用來長期保存用戶的信息。嵌入式系統(tǒng)中常用的外存有：硬盤、NANDFlash、CF卡、MMC卡和SD卡等。

①CF卡。

CF卡于1994年首次由SanDisｋ(閃迪)公司生產(chǎn)并制定了相關(guān)規(guī)范。雖然最初CF卡是采用FlashMemory的存儲卡，但隨著CF卡的發(fā)展，各種采用CF卡規(guī)格的非FlashMemory卡也開始出現(xiàn)，應(yīng)用于多種I/O以及接口設(shè)備。CF卡同時支持3.3v和5v的電壓，任何一張CF卡都可以在這兩種電壓下工作，這使得它具有廣闊的使用范圍。

CF存儲卡把FlashMemory存儲模塊與控制器結(jié)合在一起，這樣使用CF卡的外部設(shè)備就可以做得比較簡單，而且不同的CF卡都可以用單一的機(jī)構(gòu)來讀寫，不用擔(dān)心兼容性問題，特別是CF卡升級換代時也可以保證舊設(shè)備的兼容性。CF卡聯(lián)盟總部在加拿大，其成員有權(quán)免費(fèi)得到CF卡、CF商標(biāo)和CF技術(shù)詳情。CF卡聯(lián)盟成員包括3Com、佳能、柯達(dá)、惠普、日立、IBM、松下、摩托羅拉、NEC、SanDisｋ、愛普生等120多家公司。而且其中的主要數(shù)碼相機(jī)生產(chǎn)研發(fā)廠商已經(jīng)成立了一個專門組織，從事于CF產(chǎn)品的開發(fā)。

②MMC卡。

MMC卡稱為“多媒體卡”，是一種快閃存儲器卡標(biāo)準(zhǔn)。MMC卡于1997年由西門子及SanDisｋ共同開發(fā)，早期為基于IntelNOR快閃記憶技術(shù)的記憶卡。MMC卡大小與一張郵票差不多，約為24mm×32mm×1.5mm。1998年1月，十四家公司聯(lián)合成立了MMC協(xié)會，現(xiàn)在已經(jīng)有超過84個成員。目前MMC卡的容量高達(dá)2GB，發(fā)展目標(biāo)主要是針對數(shù)碼影像、音樂、手機(jī)、PDA、電子書、玩具等產(chǎn)品，MMC也是把存儲單元和控制器一同做到了卡上，智能的控制器使得MMC能保證兼容性和靈活性。

如圖1-9所示，在Protues軟件中可進(jìn)行MMC卡的數(shù)據(jù)讀寫操作。MMC被設(shè)計作為一種低成本的數(shù)據(jù)平臺和通信介質(zhì)，接口成本低于0.5美元，它的接口設(shè)計非常簡單，只有7針，其中電源供應(yīng)是3針，數(shù)據(jù)操作只用3針的串行總線即可(SPI模式再加上1針用于選擇芯片)。圖1-9MMC卡電路連接方式

③SD卡。

SD卡稱為安全數(shù)碼卡，是在MMC卡的基礎(chǔ)上開發(fā)研制的一款具有大容量、高性能、安全性好等特點的多功能存儲卡。其具有比較高的數(shù)據(jù)傳送速度。SD卡由松下電器、東芝和SanDisk

聯(lián)合推出，于1999年8月首次發(fā)布。2000年2月成立了SD協(xié)會，成員公司超過90個。

如圖1-10、表1-1所示，SD接口采用9芯的接口(CLK為時鐘線，CMD為命令/響應(yīng)線，DAT0～DAT3為雙向數(shù)據(jù)傳輸線，VDD、Vssl和Vss2為電源和地線)，除了保留MMC的7針外，還在兩邊多加了2針作為數(shù)據(jù)線；采用了NAND型FlashMemory，平均數(shù)據(jù)傳輸率能達(dá)到2MB/S。SD卡系統(tǒng)支持SD和SPI方式兩種通信協(xié)議。圖1-10SD卡結(jié)構(gòu)

④SIM卡。

在手機(jī)中使用的SIM卡(用戶身份識別模塊)是一個裝有微處理器的芯片卡，它的內(nèi)部有5個模塊，并且每個模塊都對應(yīng)一個功能：微處理器CPU(8位)、程序存儲器ROM(3～8KB)、工作存儲器RAM(6～16KB)、數(shù)據(jù)存儲器E2PROM(128～256KB)和串行通信單元。SIM卡的供電分為5V(1998年前發(fā)行)、5V與3V兼容、3V、1.8V等，當(dāng)然這些卡必須與相應(yīng)的手機(jī)配合使用，即手機(jī)產(chǎn)生的SIM卡供電電壓與該SIM卡所需的電壓相匹配。SIM卡插入手機(jī)后，電源端口提供電源給SIM卡內(nèi)各模塊。

如圖1-11所示，SIM卡在與手機(jī)連接時，最少需要5個連接線：電源(Vcc)、時鐘(CLK)、數(shù)據(jù)I/O接口(I/O)、復(fù)位(RESET)、接地端(GND)。圖-11SIM卡類型及引腳

3.I/O接口

嵌入式系統(tǒng)和外界交互需要一定形式的通用設(shè)備接口，這些接口用于連接按鍵、鍵盤、觸摸屏、液晶顯示器、打印機(jī)、各種類型的傳感器(壓力傳感器、溫濕度傳感器、重量傳感器、運(yùn)動傳感器、距離傳感器、光電傳感器、紅外傳感器、電壓電流傳感器和生物傳感器)和各種伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)(繼電器、微電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī))等，外設(shè)通過和片外其他設(shè)備或傳感器的連接來實現(xiàn)微處理器的輸入/輸出功能。

如圖1-12所示，目前嵌入式系統(tǒng)中常用的I/O接口有以下幾種。

(1)通用串行總線式接口：USB2.0、USB3.0、IEEE1394、以太網(wǎng)接口、SPI(串行外圍設(shè)備接口)等。

(2)異步串行接口：RS232C、RS485接口。

(3)視頻信號接口：VGA視頻輸出接口、HDMI高清晰度多媒體接口等。

(4)工業(yè)總線接口：CAN(局域網(wǎng)控制器)總線接口、1553Ｂ總線接口(廣泛應(yīng)用于當(dāng)代的運(yùn)輸機(jī)和相當(dāng)數(shù)量的民航客機(jī)以及軍用飛機(jī)、航空上)等。

(5)無線接口：紅外線接口、超帶寬接口、藍(lán)牙接口、ZigBee接口、Wi-Fi接口等。圖1-12Ｍａｌｉ400+Cortex-A8開發(fā)板

4.數(shù)據(jù)總線

數(shù)據(jù)總線簡稱總線，它是嵌入式系統(tǒng)各組件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€傳輸通路，它由傳輸線和控制電路組成。數(shù)據(jù)總線是CPU、內(nèi)存、輸入、輸出設(shè)備傳遞信息的公用通道，主機(jī)的各個部件通過總線相連接，外部設(shè)備通過相應(yīng)的接口電路再與總線相連接，從而形成了嵌入式硬件系統(tǒng)。

嵌入式系統(tǒng)常用的總線有內(nèi)部總線和外部總線兩種。

(1)內(nèi)部總線：如AMBA總線、I2C總線、SPI總線、UART總線、PC104工業(yè)控制總線。

(2)外部總線：USB、CAN、LIN總線(低成本的串行通信網(wǎng)絡(luò)，用于實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制)、FlexRay總線(可作為汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)絡(luò))、GPIB總線(通用接口，將示波器等儀器采集到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦中)等。

1.2.2中間層

一些低端嵌入式系統(tǒng)的軟件很簡單，它們不需要操作系統(tǒng)，只需要配置一個監(jiān)控系統(tǒng)、若干設(shè)備驅(qū)動程序和事件處理程序即可。系統(tǒng)工作時，它不斷地重復(fù)運(yùn)行監(jiān)控程序，若發(fā)現(xiàn)有外部事件發(fā)生，就通過中斷服務(wù)程序去執(zhí)行相應(yīng)的事件處理程序。高端嵌入式系統(tǒng)的軟件配置則比較復(fù)雜，包含板級支持包、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件等。

在硬件層與軟件層之間為中間層，也稱為硬件抽象層或板級支持包，它將系統(tǒng)上層軟件與底層硬件分離開來，使系統(tǒng)的底層驅(qū)動程序與硬件無關(guān)，上層軟件開發(fā)人員無需關(guān)心底層硬件的具體情況，根據(jù)BSP層提供的接口即可進(jìn)行開發(fā)。該層一般包含相關(guān)底層硬件的初始化、數(shù)據(jù)的輸入/輸出操作和硬件設(shè)備的配置功能。

BSP最早由風(fēng)河公司提出，在VxWorks操作系統(tǒng)中，所有與特定電路板上硬件相關(guān)的功能都集成在一個所謂板級支持包的庫里。BSP庫為所有的硬件功能板提供相同的軟件界面，包括硬件初始化、中斷的產(chǎn)生與處理、硬件時鐘和定時器管理、本地存儲空間和總線存儲空間映射、存儲容量管理等。BSP實際上是一些匯編程序和C語言代碼相結(jié)合的操作系統(tǒng)底層軟件，操作系統(tǒng)的上層代碼通過BSP訪問硬件，BSP的功能和特點與PC主板上的BIOS差不多，都位于底層。

一個完整的BSP需要完成兩部分工作：嵌入式系統(tǒng)的硬件初始化以及硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序的初始化。

1.嵌入式系統(tǒng)硬件初始化

嵌入式硬件系統(tǒng)初始化過程可以分為3個主要環(huán)節(jié)，按照自底向上、從硬件到軟件的次序依次為：片級初始化、板級初始化和系統(tǒng)級初始化。

(1)片級初始化完成嵌入式微處理器的初始化，包括設(shè)置嵌入式微處理器的核心寄存器和控制寄存器、嵌入式微處理器核心工作模式和嵌入式微處理器的局部總線模式等。片級初始化把嵌入式微處理器從上電時的默認(rèn)狀態(tài)逐步設(shè)置成系統(tǒng)所要求的工作狀態(tài)。這是一個純硬件的初始化過程。

(2)板級初始化完成嵌入式微處理器以外的其他硬件設(shè)備的初始化。另外，還需設(shè)置某些軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，為隨后的系統(tǒng)級初始化和應(yīng)用程序的運(yùn)行建立硬件和軟件環(huán)境。這是一個同時包含軟硬件兩部分在內(nèi)的初始化過程。

(3)系統(tǒng)級初始化以軟件初始化為主，主要進(jìn)行操作系統(tǒng)的初始化。

2.硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序的初始化

硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序的初始化通常是一個從高到低的過程。盡管BSP中包含硬件相關(guān)的設(shè)備驅(qū)動程序，但是這些設(shè)備驅(qū)動程序通常不直接由BSP使用，而是在系統(tǒng)初始化過程中由BSP將它們與操作系統(tǒng)中通用的設(shè)備驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)起來，并在隨后的應(yīng)用中由通用的設(shè)備驅(qū)動程序調(diào)用，實現(xiàn)對硬件設(shè)備的操作。

1.2.3軟件層

軟件層由實時多任務(wù)操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、圖形用戶接口、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及通用組件模塊組成。RTOS是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺。

1.嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)是指用于嵌入式系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。嵌入式操作系統(tǒng)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，通常包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標(biāo)準(zhǔn)化瀏覽器等。嵌入式操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)的全部軟、硬件資源的分配、任務(wù)調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動。它必須體現(xiàn)其所在系統(tǒng)的特征，能夠通過裝卸某些模塊來達(dá)到系統(tǒng)所要求的功能。

嵌入式操作系統(tǒng)除了具備任務(wù)管理(任務(wù)優(yōu)先級、任務(wù)同步與互斥、多任務(wù)調(diào)度等)、存儲器管理(分配存儲空間、內(nèi)存保護(hù)、地址映射、虛擬存儲等)、設(shè)備管理(緩沖管理、設(shè)備分配、設(shè)備驅(qū)動、虛擬設(shè)備等)、文件處理(文件的存儲、檢索、分類等)、用戶接口(程序接口、命令行接口、圖形接口)等功能外，還具有如下特點：

(1)強(qiáng)實時性。

(2)支持開放性和可伸縮性的體系結(jié)構(gòu)，具有可裁剪性。

(3)緊湊性。

(4)提供統(tǒng)一的設(shè)備驅(qū)動接口。

(5)提供操作方便、簡單、友好的圖形用戶接口和界面。

(6)支持TCP/IP協(xié)議及其他協(xié)議，提供TCP、UDP、IP、PPP協(xié)議支持及統(tǒng)一的MAC訪問層接口，提供強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能。

(7)強(qiáng)穩(wěn)定性和弱交互性。

(8)嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件被固化在嵌入式系統(tǒng)計算機(jī)的ROM中。

(9)具有良好的硬件適應(yīng)性，即良好的可移植性。

(2)μC/OSⅢ。相比μC/OSⅡ，μC/OSⅢ做了很多完善，比如改進(jìn)了任務(wù)調(diào)度方法、改進(jìn)了時鐘節(jié)拍管理機(jī)制、增加了中斷處理任務(wù)、允許向任務(wù)直接發(fā)信號或消息、增加了時間戳功能、支持內(nèi)核覺察式調(diào)試等。

2)嵌入式Linux

Linux是一套免費(fèi)使用和自由傳播的類UNIX操作系統(tǒng)，于1991年10月第一次正式向外公布，它是基于POSIＸ和UNIX的多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU的操作系統(tǒng)。它能運(yùn)行主要的UNIX工具軟件、應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，支持32位和64位硬件。Linux繼承了UNIX以網(wǎng)絡(luò)為核心的設(shè)計思想，是一個性能穩(wěn)定的多用戶網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。

Linux以高效性和靈活性著稱，模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu)，使得它既能在價格昂貴的工作站上運(yùn)行，也能夠在廉價的PC機(jī)上實現(xiàn)全部的UNIX特性，具有多任務(wù)、多用戶的能力。Linux是在GNU公共許可權(quán)限下免費(fèi)獲得的，Linux操作系統(tǒng)軟件包不僅包括完整的Linux操作系統(tǒng)，而且還包括了文本編輯器、高級語言編譯器等應(yīng)用軟件，另外還帶有多個窗口管理器的XWindows圖形用戶界面，可使用窗口、圖標(biāo)和菜單對系統(tǒng)進(jìn)行操作。

圖1-13所示為Linux操作界面，Linux以字符操作界面為主，區(qū)別于圖形化的Windows，兩者的操作方式不同，但在組織結(jié)構(gòu)上有一定的相通之處，如文件都是以目錄的形式組織的，所不同的是Windows中有多個目錄樹，而Linux中只有一個目錄樹。在Windows操作系統(tǒng)下安裝Linux操作系統(tǒng)，需要先安裝虛擬機(jī)，這對系統(tǒng)的硬件要求比較高，并且很耗時，不太適合在教室多媒體機(jī)器上安裝。圖1-13Linux操作界面

(1)μCLinux。μCLinux是從Linux2.0/2.4內(nèi)核派生而來，其內(nèi)核二進(jìn)制映像文件小于512KB，是適合于沒有MMU(內(nèi)存管理單元)的微處理器芯片的操作系統(tǒng)，如ARMCPU系列中的ARM7TDMI、ARM940Ｔ等產(chǎn)品使用Linux操作系統(tǒng)時，只能用μCLinux，當(dāng)然μCLinux也支持MotorlaDragonball、Coldfire等其他中低端嵌入式處理器。

(2)商用嵌入式Linux。商用嵌入式Linux版本是針對嵌入式處理器的，如ARM所優(yōu)化設(shè)計的、支持各種半導(dǎo)體廠家的評估板和主要的設(shè)備驅(qū)動。商用嵌入式Linux包含了文件系統(tǒng)、應(yīng)用、實時性擴(kuò)展和技術(shù)支持培訓(xùn)服務(wù)。

(3)國產(chǎn)Linux操作系統(tǒng)。國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)或是基于國外操作系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)完成的，如紅旗Linux(公司破產(chǎn)被收并)、Startos(Linux桌面操作系統(tǒng))、μTenux(大連悠龍軟件科技有限公司的團(tuán)隊進(jìn)行維護(hù)開發(fā)的開源免費(fèi)的嵌入式實時操作系統(tǒng))、RT?thread

(由中國開源社區(qū)主導(dǎo)開發(fā)的開源實時操作系統(tǒng))等；或是自主開發(fā)的，如HopenOS(北京凱思昊鵬軟件公司自主研發(fā)的國產(chǎn)嵌入式操作系統(tǒng)——女媧)、Delta

OＳ(成都電子科技大學(xué)嵌入式實時教研室和北京科銀京成技術(shù)有限公司聯(lián)合研制開發(fā)的全中文的嵌入式操作系統(tǒng)——道系統(tǒng))等

3)QNX

QNX是業(yè)界公認(rèn)的x86平臺上最好的嵌入式實時操作系統(tǒng)之一。它具有獨(dú)一無二的微內(nèi)核實時平臺，建立在微內(nèi)核和完全地址空間保護(hù)基礎(chǔ)之上，實時、穩(wěn)定、可靠，已經(jīng)完成PowerPC、MIPS、ARM等內(nèi)核的移植，成為在國內(nèi)廣泛應(yīng)用的嵌入式實時操作系統(tǒng)。雖然QNX本身并不屬于UNIX，但由于其提供了POSIX的支持，使得多數(shù)傳統(tǒng)UNIX程序在微量修改(甚至不需修改)后即可在QNX上面編譯與運(yùn)行。

QNX的優(yōu)點有：

(1)運(yùn)行速度快，超過其他常見的操作系統(tǒng)。

(2)系統(tǒng)非常安全。QNX上沒有計算機(jī)病毒，這是和Linux一樣的，所以QNXrtp不存在被病毒破壞資料的危險。

(3)QNX的用戶管理相當(dāng)出色，不輸入正確的密碼完全無法進(jìn)入計算機(jī)系統(tǒng)中。

(4)QNX的網(wǎng)頁瀏覽器“Voyager”瀏覽網(wǎng)頁的速度極快。

(5)QNX是免費(fèi)的操作系統(tǒng)，可以在網(wǎng)上下載安裝使用，其使用和操作也十分容易。

2013年美國消費(fèi)電子展上，展出了一臺使用QNX操作系統(tǒng)的賓利概念車，如圖1-14所示。QNX賓利配備了一臺與Tesla車上相仿的超大彩色觸摸屏幕，以及全LCD顯示儀表盤。中控觸摸屏全部在駕駛者的可觸范圍之內(nèi)，駕駛者可通過觸碰不同圖標(biāo)實現(xiàn)所需功能。其中還包含各種語音、視頻、文字互動功能，比如類似FaceTime的視頻通話功能(停車時使用)，而導(dǎo)航系統(tǒng)也會在儀表盤中作出顯示。圖1-14QNX賓利概念車

4)WindowsEmbeddedCompac

WindowsEmbeddedCompact(即WindowsCE)，是微軟公司的一個開放的、可升級的32位大型嵌入式操作系統(tǒng)，是基于掌上型電腦類的電子設(shè)備操作系統(tǒng)，其圖形用戶界面相當(dāng)出色。

在開發(fā)環(huán)境上，如圖1-15所示，微軟也提供兼容于.NETFramework

的開發(fā)元件———.NETCom?pactFramework，讓正在學(xué)習(xí).NET或已擁有.NET程序開發(fā)技術(shù)的開發(fā)人員能迅速而順利地在搭載WindowsCE.NET系統(tǒng)的設(shè)備上開發(fā)應(yīng)用程序。圖1-15基于WindowsＣＥ.NET的測量儀器

5)VxWorks

VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver(風(fēng)河)公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)，Tirnado

是風(fēng)河公司推出的一套實時操作系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，類似Microsoft

VisualC，但是提供了更豐富的調(diào)試、仿真環(huán)境和工具。憑借良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，VxWorks在嵌入式實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域占據(jù)一席之地。它以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通信、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。

6)嵌入式操作系統(tǒng)選擇的原則事實上，每個嵌入式操作系統(tǒng)都有其相對比較適用的領(lǐng)域，在開發(fā)時可參考以下原則：

(1)操作系統(tǒng)本身所提供的開發(fā)工具。

(2)操作系統(tǒng)向硬件接口移植的難度。

(3)操作系統(tǒng)的內(nèi)存要求。

(4)開發(fā)人員是否熟悉此操作系統(tǒng)及其提供的系統(tǒng)API。

(5)操作系統(tǒng)是否提供硬件的驅(qū)動程序，如網(wǎng)卡驅(qū)動程序等。

(6)操作系統(tǒng)是否具有可裁剪性。

(7)操作系統(tǒng)的實時性能。

表1-2對μCLinux、WindowsEmbedded

Compact、VxWorks、μC/OSⅡ這4種常用的嵌入式操作系統(tǒng)進(jìn)行了比較。

2.嵌入式文件系統(tǒng)

嵌入式文件系統(tǒng)與通用操作系統(tǒng)的文件系統(tǒng)不完全相同，主要提供文件存儲、檢索和更新等功能，一般不提供保護(hù)和加密等安全機(jī)制。嵌入式文件系統(tǒng)通常支持FAT32、JFFS2、YAFFS等幾種標(biāo)準(zhǔn)的文件系統(tǒng)，一些嵌入式文件系統(tǒng)還支持自定義的實時文件系統(tǒng)，可以根據(jù)系統(tǒng)的要求選擇所需的文件系統(tǒng)，選擇所需的存儲介質(zhì)，配置可同時打開的最大文件數(shù)等。

3.圖形用戶接口

圖形用戶接口(GUI)使用戶可以通過窗口、菜單、按鍵等方式來方便地操作計算機(jī)或者嵌入式系統(tǒng)。嵌入式GUI與PC上的GUI有著明顯的不同，嵌入式系統(tǒng)的GUI要求具有輕型、占用資源少、高性能、高可靠性、便于移植、可配置等特點。

實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)中的圖形界面一般采用下面的幾種方法：

(1)針對特定的圖形設(shè)備輸出接口，自行開發(fā)相應(yīng)的功能函數(shù)。

(2)購買針對特定嵌入式系統(tǒng)的圖形中間軟件包。

(3)采用源碼開放的嵌入式GUI系統(tǒng)或產(chǎn)品。

開源軟件技術(shù)是國際軟件行業(yè)的主旋律，目前任何一款商業(yè)軟件都能找到其對應(yīng)的開源替代軟件，并且開源軟件的市場份額也是日益增長。下面以占核心地位的基礎(chǔ)軟件為例來說明開源軟件的市場份額。

?操作系統(tǒng)：Linux占有35%的市場份額，其中紅帽Linux在其中占有率超過85%。

?數(shù)據(jù)庫：以MySQL為代表的開源數(shù)據(jù)庫占有超過10%的市場份額。

?中間件：紅帽JBoss應(yīng)用服務(wù)器超過30%的市場份額。

?Web服務(wù)器：Apache占有80%以上市場份額，微軟公司僅占有20%的市場份額。

1.2.4功能層

功能層即應(yīng)用軟件層，由基于實時系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用程序組成，用來實現(xiàn)對被控對象的控制功能。功能層是要面對被控對象和用戶，為方便用戶操作，往往需要提供一個友好的人機(jī)界面。應(yīng)用層設(shè)計通常需求人才量大，入門相對容易，注重客戶需求和業(yè)務(wù)邏輯；對算法的要求相對來說不高，主要編程語言為Java、Qt、數(shù)據(jù)庫、VC等。

對于一些復(fù)雜的系統(tǒng)，在系統(tǒng)設(shè)計的初期階段就要對系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，確定系統(tǒng)的功能，然后將系統(tǒng)的功能映射到整個系統(tǒng)的硬件、軟件和執(zhí)行裝置的設(shè)計過程中，稱為系統(tǒng)的功能實現(xiàn)。

1.3嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用

嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，各種各樣的嵌入式產(chǎn)品和系統(tǒng)在應(yīng)用數(shù)量上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出通用計算機(jī)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能手機(jī)、無人機(jī)、無人駕駛、可穿戴設(shè)備、智能家居、智慧城市等相關(guān)產(chǎn)業(yè)、技術(shù)產(chǎn)品的創(chuàng)新應(yīng)用及需求不斷涌現(xiàn)，嵌入式系統(tǒng)、基礎(chǔ)芯片、各類傳感器及軟件的應(yīng)用越來越深入和廣泛。表1-3所示是部分嵌入式產(chǎn)品的軟硬件組成。

1.3.1農(nóng)業(yè)水文環(huán)境監(jiān)測

農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測是指間斷或連續(xù)地測定農(nóng)業(yè)環(huán)境中污染物質(zhì)的濃度，觀察、分析其變化對農(nóng)業(yè)環(huán)境的影響的一項工作。通過對土壤、農(nóng)用水、農(nóng)田大氣及農(nóng)作物的例行監(jiān)測，掌握農(nóng)業(yè)環(huán)境質(zhì)量狀況及變化趨勢；通過農(nóng)業(yè)環(huán)境污染的事故性監(jiān)測，為污染事故的調(diào)查處理提供科學(xué)依據(jù)；通過對農(nóng)業(yè)環(huán)境污染源的監(jiān)視性監(jiān)測，防止造成農(nóng)業(yè)環(huán)境污染，督促對污染源進(jìn)行治理。

一般來說，具體的檢測項目應(yīng)根據(jù)所在地區(qū)已知的或預(yù)計可能出現(xiàn)的污染物質(zhì)和環(huán)境的特定情況來決定，為了評定測定結(jié)果和估計污染擴(kuò)散情況，還必須測定一些氣象或水文參數(shù)。農(nóng)田大氣監(jiān)測的項目一般包括灰塵(即降塵和飄塵)、二氧化硫、氮氧化物、氟化物、臭氧、酸性降雨等；水質(zhì)監(jiān)測的項目一般包括溫度、pH

值、渾濁度、導(dǎo)電率、懸浮物、溶解氧、生化耗氧量、化學(xué)耗氧量、總氮、總磷、某些有機(jī)毒物、重金屬毒物和衛(wèi)生指標(biāo)等；土壤和植物的監(jiān)測內(nèi)容包括有毒的金屬化合物、非金屬無機(jī)物和有機(jī)物等；農(nóng)畜水產(chǎn)品的監(jiān)測內(nèi)容包括重金屬、農(nóng)藥、亞硝酸鹽、黃曲霉素、有機(jī)化合物等。

圖1-16所示為洪澇災(zāi)害控制系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中，將ZigBee技術(shù)與GPRS/CDMA結(jié)合起來，根據(jù)監(jiān)測區(qū)域監(jiān)測設(shè)備的不同分布，來靈活地構(gòu)建監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸無線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)主要由分布在監(jiān)測區(qū)域的各種水位計、雨量計和閘位計組成，各測量單位都配備有低成本的ZigBee遠(yuǎn)端節(jié)點用于無線上傳數(shù)據(jù)；監(jiān)測區(qū)域內(nèi)也按照距離的需要分布有數(shù)個ZigBee路由節(jié)點，組成了無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)，所有的水文數(shù)據(jù)都可以通過這一網(wǎng)絡(luò)上傳到ZigBee中心節(jié)點，其覆蓋范圍可以無限地擴(kuò)展。終端采集的數(shù)據(jù)通過GPRS/CDMA無線網(wǎng)絡(luò)或ADSL技術(shù)送到水文水利監(jiān)測管理中心。這種系統(tǒng)沒有距離限制，且無需網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，幾乎不需要維護(hù)。ｐａｃｔ圖1-16洪澇災(zāi)害控制系統(tǒng)

目前，我國黃海海域青島市沿海的海水水華監(jiān)測、無錫太湖水華災(zāi)害監(jiān)測、洞庭湖湖區(qū)保護(hù)體系、錢塘江浪潮監(jiān)測預(yù)警機(jī)制紛紛建立起來。隨著國人環(huán)保意識的加強(qiáng)，與大氣、水質(zhì)監(jiān)測相關(guān)的設(shè)備與技術(shù)必將取得進(jìn)一步的改進(jìn)與開發(fā)。

1.3.2智慧農(nóng)業(yè)物流

農(nóng)業(yè)耕作是一項特殊、復(fù)雜、獨(dú)立的工作，同時也是人類社會最重要的工作，它關(guān)系到全人類的健康和整個生態(tài)系統(tǒng)的循環(huán)。隨著人們對食品安全意識的提高，越來越多不同層次的消費(fèi)者對農(nóng)產(chǎn)品的安全、健康、質(zhì)量保障等方面的需求也在不斷增加?；趪覚z測標(biāo)準(zhǔn)的食品安全已經(jīng)不能滿足人們的需求；第三方認(rèn)證也僅僅是流程的認(rèn)證，無法時刻監(jiān)督生產(chǎn)現(xiàn)場；消費(fèi)者更為企業(yè)綁架市場行為感到憤慨(例如三鹿奶粉)；在信用缺失的大環(huán)境下，人們對社會控制失去了信心。這一切迫使人們尋求一條安全級別更高的食品安全解決方法。

1.農(nóng)產(chǎn)品追溯體系

在農(nóng)產(chǎn)品物流追溯體系建設(shè)中，追溯技術(shù)成為形成技術(shù)性貿(mào)易壁壘的關(guān)鍵要素。歐盟、美國和日本等發(fā)達(dá)國家都已建立了比較完善的農(nóng)產(chǎn)品物流追溯體系，實現(xiàn)了“從田間到餐桌”的全程質(zhì)量安全管理，歐盟、美國、日本采用國際物品編碼協(xié)會開發(fā)的全球統(tǒng)一標(biāo)識系統(tǒng)對牛肉產(chǎn)品、水果、蔬菜和水產(chǎn)品等進(jìn)行跟蹤與追溯，歐盟甚至將采用EANUCC系統(tǒng)對食品進(jìn)行跟蹤與追溯的方法稱為UN/ECE(聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會)追溯標(biāo)準(zhǔn)。

農(nóng)產(chǎn)品追溯體系可分為以下結(jié)構(gòu)：

(1)在食品加工企業(yè)把農(nóng)產(chǎn)品原材料入庫時，讀取二維碼，取得農(nóng)產(chǎn)品原產(chǎn)地、生產(chǎn)者、種苗基因、生產(chǎn)臺賬(飼料、農(nóng)藥、化肥等)以及日期和期限等信息，在生產(chǎn)中按照生產(chǎn)配方，對各個批次進(jìn)行稱重、分包，粘貼二維碼，開始指示加工，并生成生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)，使得產(chǎn)品、原材料追蹤成為可能，并提供數(shù)據(jù)庫查詢，向消費(fèi)者公布產(chǎn)品的原材料信息，隨時應(yīng)對質(zhì)疑，保證有效溯源的控制和召回。

RFID射電碼可追溯養(yǎng)殖與加工業(yè)的疫病與污染，杜絕濫用藥和超標(biāo)使用添加劑，改變以往對食品質(zhì)量安全管理只側(cè)重于生產(chǎn)后的控制，而忽視生產(chǎn)中預(yù)防控制的現(xiàn)象，完善食品加工技術(shù)規(guī)程、衛(wèi)生規(guī)范以及生產(chǎn)中認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)，農(nóng)盟保障體系特別規(guī)定了種苗耳標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，彌補(bǔ)種苗基因回溯的缺失。

(2)數(shù)據(jù)中心設(shè)立可視的關(guān)鍵監(jiān)測節(jié)點(包括種植養(yǎng)殖場節(jié)點、生產(chǎn)與加工線節(jié)點、倉儲與配送節(jié)點、消費(fèi)節(jié)點等)，并實現(xiàn)各節(jié)點的數(shù)據(jù)采集和連接，實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)過程的安全控制和流通環(huán)節(jié)追溯的對接。

(3)管理平臺由中間件支撐，連接硬件和應(yīng)用程序，實現(xiàn)不同節(jié)點上的各種RFID設(shè)備與軟件協(xié)同運(yùn)行(包括信息傳遞、解譯數(shù)據(jù)、安全性、數(shù)據(jù)廣播、錯誤恢復(fù)、定位網(wǎng)絡(luò)資源、找出符合成本的路徑、消息與要求的優(yōu)先次序等服務(wù))，以便操縱控制RFID讀寫設(shè)備按照預(yù)定的方式工作，保證不同讀寫設(shè)備之間配合協(xié)調(diào)；并按照一定規(guī)則過濾數(shù)據(jù)，篩除冗余。

2.冷鏈物流

近幾年來，隨著網(wǎng)絡(luò)和科技的發(fā)展，在農(nóng)超對接的模式外，又創(chuàng)新出富有個性和特色的“互聯(lián)網(wǎng)+菜籃子”新模式，包括國內(nèi)的天貓、京東、蘇寧易購、一號店、亞馬遜等綜合電商平臺，順豐優(yōu)選等物流電商，中糧我買網(wǎng)、光明菜管家等食品供應(yīng)商，本來生活、甫田網(wǎng)、優(yōu)菜網(wǎng)等垂直電商，沱沱工社、多利農(nóng)莊等農(nóng)場直銷，華潤萬家、永輝超市、大潤發(fā)、蘇寧超市、麥德龍等線下超市，微商等社區(qū)生鮮配送。

圖1-17所示為冷鏈物流監(jiān)控示意圖。采用RFID、GPS、GPRS、3G等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)從生產(chǎn)、物流到銷售的全過程智能化監(jiān)控，是目前冷鏈物流的發(fā)展方向。圖1-17冷鏈物流監(jiān)控示意圖

3.智慧農(nóng)業(yè)

溫室，又稱玻璃溫室或暖房，是專門用來種植植物的建筑物，因太陽發(fā)出的電磁輻射而加熱，使溫室內(nèi)的植物、泥土、空氣等變暖。傳統(tǒng)溫室與智能溫室的最大差異在于前者只以簡單設(shè)備提供遮蔽戶外環(huán)境、隔絕天然災(zāi)害、減少病蟲害入侵的功能，對于溫室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)的維護(hù)、作物的成長照料，仍舊需要派員定時定點地進(jìn)行巡視作業(yè)；采用智能應(yīng)用的溫室大棚后，可根據(jù)農(nóng)民自訂的設(shè)定值，來自動地啟停灑水器、遮陽網(wǎng)、保溫簾、循環(huán)風(fēng)扇等裝置，以確保溫室始終處于最適栽種的狀態(tài)，找出最省時省力的工作模式。

除此之外，物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)出的智能溫室，還可提供遠(yuǎn)距管理的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，將不同區(qū)域農(nóng)地資訊匯集于總管理處，農(nóng)民可遠(yuǎn)程即時監(jiān)控溫室現(xiàn)場情況。用1～18為農(nóng)業(yè)大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控示意圖.

圖1-18農(nóng)業(yè)大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控示意圖

圖1-19所示為無線傳感網(wǎng)在自動化農(nóng)業(yè)大棚中的應(yīng)用，它具有以下特點：圖1-19自動化農(nóng)業(yè)大棚

(1)在線實時24小時連續(xù)地采集和記錄監(jiān)測點位的溫度、濕度、風(fēng)速、二氧化碳、光照、空氣潔凈度、供電電壓電流等各項參數(shù)情況，以數(shù)字、圖形和圖像等多種方式進(jìn)行實時顯示和記錄存儲監(jiān)測信息，監(jiān)測點位可擴(kuò)充多達(dá)上千個點。

(2)可設(shè)定各監(jiān)控點位的溫濕度報警限值，當(dāng)出現(xiàn)被監(jiān)控點位數(shù)據(jù)異常時可自動發(fā)出報警信號，報警方式包括：現(xiàn)場多媒體聲光報警、網(wǎng)絡(luò)客戶端報警、電話語音報警、手機(jī)短信息報警等。

(3)ZigBee+GPRS的傳輸方式，即節(jié)省成本，又增加了傳輸距離。

(4)溫濕度監(jiān)控軟件采用標(biāo)準(zhǔn)Windows全中文圖形界面，實時顯示、記錄各監(jiān)測點的溫濕度值和曲線變化，統(tǒng)計溫濕度數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)、最大值、最小值及平均值，累積數(shù)據(jù)，報警畫面。

(5)高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠使管理者在任何地方，都可以通過電腦上網(wǎng)或手機(jī)登錄查看大棚景象。

(6)可根據(jù)采集信息智能無線控制設(shè)備的啟停。包括根據(jù)空氣濕度控制微噴水泵的啟動；根據(jù)土壤水分控制滴灌水泵的開啟；根據(jù)光照強(qiáng)度控制遮陽網(wǎng)或卷簾機(jī)的開啟；根據(jù)空氣溫度控制風(fēng)機(jī)、水幕水泵、加熱管等設(shè)備的啟停；根據(jù)氣體濃度控制CO2發(fā)生器、O3

發(fā)生器的啟停等。

(7)系統(tǒng)設(shè)計時預(yù)留有接口，可隨時增減硬軟件設(shè)備，系統(tǒng)只要做少量的改動即可，可以在很短的時間內(nèi)完成，可根據(jù)政策和法規(guī)的改變隨時增加新的內(nèi)容。

(8)設(shè)備改進(jìn)、檢修過程中及檢修完成后，均不需要停止或重新啟動機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)。

1.3.3移動支付

在網(wǎng)絡(luò)支付、移動支付等新興支付技術(shù)的推動下，全球范圍內(nèi)掀起了無紙化交易的熱潮，高速增長的非現(xiàn)金支付正對現(xiàn)金支付形成加速替代之勢，一場從“現(xiàn)金到零現(xiàn)金”轉(zhuǎn)變的革命正在全球范圍內(nèi)擴(kuò)展開來。移動支付的技術(shù)創(chuàng)新在支付行業(yè)內(nèi)成為亮點，二維碼支付、聲波支付、生物識別技術(shù)、ApplePay等都在加速發(fā)展。

圖1-20所示，常見于車站、商場、學(xué)校、醫(yī)院、餐飲場所的食品、藥品銷售除可選用紙幣、銀行卡外，還可選用支付寶等支付手段。支付寶醫(yī)療支付已在我國某些醫(yī)院采用，還有網(wǎng)絡(luò)或手機(jī)預(yù)約、掛號、支付、取檢驗單等服務(wù)。圖1-20支付寶支付的使用

1.3.4智慧旅游導(dǎo)航

普適計算技術(shù)是與嵌入式系統(tǒng)密切關(guān)聯(lián)的一門計算學(xué)科。它強(qiáng)調(diào)計算設(shè)備的小型化、低成本、網(wǎng)絡(luò)化，人機(jī)交互著重依賴“自然”的交互方式，而不僅僅依賴命令行、圖形界面交互。普適計算的目的是建立一個充滿計算和通信能力的環(huán)境，同時使這個環(huán)境與人們逐漸地融合在一起。在這個融合空間中人們可以隨時隨地、透明地獲得數(shù)字化服務(wù)。

經(jīng)過十多年的發(fā)展，普適計算技術(shù)在中國逐步實用化和產(chǎn)業(yè)化。我國在十八大之后也開始發(fā)展智能物聯(lián)網(wǎng)，普適計算在我國應(yīng)用將越來越廣泛。目前國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了多種普適計算應(yīng)用系統(tǒng)的前期研究成果。例如，“基于普適計算的智能家居系統(tǒng)”、“旅游景點個性化導(dǎo)航及服務(wù)”等。圖1-21所示為江蘇天目湖山水園導(dǎo)航與服務(wù)系統(tǒng)，不僅方便游客，也能大幅度地提高園區(qū)旅游層次，進(jìn)行科學(xué)的人流監(jiān)測與分流，促進(jìn)商業(yè)增收。圖1-21江蘇天目湖山水園導(dǎo)航與服務(wù)系統(tǒng)

1.3.5人機(jī)交互與多點觸控

觸控技術(shù)，用手指代替了鍵盤、鼠標(biāo)，是目前最普遍的人機(jī)交互方式，既顯示出了最大的人性化，又在特定的場合減少了鼠標(biāo)、鍵盤所占的空間。目前，銀行取款機(jī)、醫(yī)院、圖書館、展覽館等服務(wù)行業(yè)的大廳都采用觸摸屏，還有支持觸摸屏的手機(jī)、MP4、數(shù)碼相機(jī)。但是這些已經(jīng)存在的觸控屏幕都是單點觸控，也可以說是電阻式觸控，主要是只能識別和支持每次一個手指的觸控、點擊。

如圖1-22所示，多點觸控的任務(wù)可以分解為兩個方面的工作，一是同時采集多點信號，二是對每路信號的意義進(jìn)行判斷，也就是所謂的手勢識別。用過iPhone的用戶，都會知道多點觸摸是一個既有用又好玩的東西：瀏覽網(wǎng)頁時經(jīng)常要放大某部分區(qū)域才能看清楚，看圖片時同樣非常有用。很多人以為多點觸摸僅限于放大縮小功能。其實，放大縮小只是多點觸摸的實際應(yīng)用樣例之一。有了多點觸摸技術(shù)，如何應(yīng)用就可以通過無限想象來無限擴(kuò)展。程序員可以把多點觸摸應(yīng)用到很多方面，從一定程度上改變或者創(chuàng)新出更多的操作方式來。圖1-22多點觸摸技術(shù)

多點觸控技術(shù)分很多為種，但以下列4種較成熟。

(1)LLP技術(shù)，主要運(yùn)用紅外激光設(shè)備把紅外線投影到屏幕上。

(2)FTIR技術(shù)，會在屏幕的夾層中加入LED光線，當(dāng)用戶按下屏幕時，便會使夾層的光線造成不同的反射效果，感應(yīng)器接收光線變化而捕捉用戶的施力點，從而作出反應(yīng)。

(3)ToughtLight技術(shù)，運(yùn)用投影的方法，把紅外線投影到屏幕上。

(4)OpticalTouch技術(shù)，它在屏幕頂部的兩端，分別設(shè)有一個鏡頭，來接收用戶的手勢改變和觸點的位置。經(jīng)計算后轉(zhuǎn)為坐標(biāo)，再作出反應(yīng)。

1.3.6物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。它有兩層意思：其一，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)上延伸和擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)；其二，其用戶端延伸和擴(kuò)展到了任何物品與物品之間，物品與物品之間進(jìn)行信息交換和通信，也就是物物相息。物聯(lián)網(wǎng)通過智能感知、識別技術(shù)與普適計算等通信感知技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中，也因此被稱為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用拓展，與其說物聯(lián)網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)，不如說物聯(lián)網(wǎng)是業(yè)務(wù)和應(yīng)用。因此，應(yīng)用創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心，以用戶體驗為核心的創(chuàng)新是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的靈魂。

如圖1-23所示為物聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。從現(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)的主要應(yīng)用方向來看，智能家居、智能交通、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能校園等都有安防產(chǎn)品應(yīng)用的情況，甚至許多應(yīng)用就是通過傳統(tǒng)的安防產(chǎn)品實現(xiàn)。圖1-23物聯(lián)網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.3.7信息安全

隨著互聯(lián)網(wǎng)滲透進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)，互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備“接入點”范圍的不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)的邊界防護(hù)概念已經(jīng)被改變；而且隨著移動互聯(lián)的推動，智能終端正在改變著人們生活的一切，所有的企業(yè)都面臨著向互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的轉(zhuǎn)型和升級，用戶隱私安全更加受到威脅，信息安全已經(jīng)成為所有人最關(guān)心的問題。

信息安全主要包括以下五方面的內(nèi)容，即需保證信息的保密性、真實性、完整性、未授權(quán)拷貝和所寄生系統(tǒng)的安全性。信息安全本身包括的范圍很大，其中包括如何防范商業(yè)企業(yè)機(jī)密泄露、青少年對不良信息的瀏覽、個人信息的泄露等。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的信息安全體系是保證信息安全的關(guān)鍵，包括計算機(jī)安全操作系統(tǒng)、各種安全協(xié)議、安全機(jī)制(數(shù)字簽名、消息認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密等)，直至安全系統(tǒng)，如UniNAC、DLP等，只要存在安全漏洞便可以威脅全局安全。

信息安全是指信息系統(tǒng)(包括硬件、軟件、數(shù)據(jù)、人、物理環(huán)境及其基礎(chǔ)設(shè)施)受到保護(hù)，不受偶然的或者惡意的破壞、更改、泄露，系統(tǒng)連續(xù)可靠正常地運(yùn)行，信息服務(wù)不中斷，最終實現(xiàn)業(yè)務(wù)連續(xù)性。

如圖1-24所示為汽車信息安全示意圖。20世紀(jì)80年代，電子控制單元的軟件源代碼行數(shù)不到2000行。圖1-24車聯(lián)網(wǎng)中的汽車信息安全

中國在信息安全技術(shù)方面的起點還較低，中國只有幾十所高等院校開設(shè)信息安全專業(yè)，信息安全專業(yè)以計算機(jī)學(xué)科為依托，以信息安全學(xué)為核心，以國家信息安全戰(zhàn)略為導(dǎo)向，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)、主動實踐、前沿探索和科技創(chuàng)新，堅持科學(xué)研究與人才培養(yǎng)相結(jié)合，注重實踐能力和信息安全系統(tǒng)能力相結(jié)合，致力于培養(yǎng)信息安全基礎(chǔ)深厚、在信息安全系統(tǒng)設(shè)計、研究及開發(fā)等方面具有較強(qiáng)創(chuàng)新能力并適應(yīng)信息安全發(fā)展態(tài)勢的復(fù)合型人才。

信息安全專業(yè)主要研究信息加密、信息傳輸、信息安全體系建設(shè)，開設(shè)了計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全管理、數(shù)字鑒別及認(rèn)證系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全檢測與防范技術(shù)、防火墻技術(shù)、病毒機(jī)制與防護(hù)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)安全協(xié)議與標(biāo)準(zhǔn)等課程。雖然我國紅客水平很高，但各大中企業(yè)需要更多日常維護(hù)、加密、防御網(wǎng)絡(luò)攻擊、防竊密、網(wǎng)站恢復(fù)等專業(yè)技術(shù)人才，因此，我國目前信息安全技術(shù)人才奇缺。

1.3.8無人駕駛汽車

無人駕駛汽車是利用車載傳感器來感知車輛周圍環(huán)境，并根據(jù)感知所獲得的道路、車輛位置和障礙物信息，控制車輛的轉(zhuǎn)向和速度，從而使車輛能夠安全、可靠地在道路上行駛。汽車無人駕駛集自動控制、體系結(jié)構(gòu)、人工智能、視覺計算等眾多技術(shù)于一體，是計算機(jī)科學(xué)、模式識別和智能控制技術(shù)高度發(fā)展的產(chǎn)物，也是衡量一個國家科研實力和工業(yè)水平的一個重要標(biāo)志，在國防和國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.谷歌無人駕駛汽車

從20世紀(jì)70年代開始，美國、英國、德國、法國、日本等發(fā)達(dá)國家開始進(jìn)行無人駕駛汽車的研究，在可行性和實用化方面都取得了突破性的進(jìn)展。2005年，斯坦福大學(xué)人工智能實驗室的主任塞巴斯蒂安·特龍(谷歌工程師和谷歌街景地圖服務(wù)的創(chuàng)造者之一)，領(lǐng)導(dǎo)一個由斯坦福學(xué)生和教師組成的團(tuán)隊設(shè)計出了斯坦利機(jī)器人汽車，該車在由美國國防部高級研究計劃局舉辦的第二屆挑戰(zhàn)大賽中奪冠，該車在沙漠中行駛超過212.43公里，因此贏得了由五角大樓頒發(fā)的200萬美元獎金。而且，這一支由15位工程師組成的團(tuán)隊繼續(xù)投身于此項目。

如圖1-25所示，谷歌的無人駕駛汽車還處于原型階段，不過即便如此，它依舊展示出了與眾不同的創(chuàng)新特性。和傳統(tǒng)汽車不同，谷歌制造的無人駕駛汽車，沒有方向盤，沒有加速踏板，也沒有剎車踏板，汽車上安裝了大量的傳感器，谷歌的汽車控制系統(tǒng)將會做出駕駛動作。圖1-25谷歌無人駕駛汽車

圖1-26所示為谷歌無人駕駛汽車儀表盤。谷歌汽車啟動后，只需在筆記本電腦上搜索并設(shè)置目的地，系統(tǒng)便會自動給出最佳線路。當(dāng)然，線路是可以人工調(diào)整的，以避開一些突發(fā)情況，如道路臨時施工。由于無人駕駛汽車尚處于試用階段，正、副駕駛位置都需有人。如遇系統(tǒng)判斷失誤，駕駛座上的人可強(qiáng)行接手，并停止自動駕駛。而副駕駛?cè)藛T則需用筆記本電腦監(jiān)控、記錄系統(tǒng)做出的判斷。圖1-26谷歌無人駕駛汽車儀表盤

整個系統(tǒng)的核心是車頂上的激光測距儀。該設(shè)備在高速旋轉(zhuǎn)時向周圍發(fā)射64束激光，激光碰到周圍的物體并返回，便可計算出車體與周邊物體的距離。計算機(jī)系統(tǒng)再根據(jù)這些距離數(shù)據(jù)描繪出精細(xì)的3D

地形圖(如圖1-27所示)，然后跟高分辨率地圖相結(jié)合，生成不同的數(shù)據(jù)模型供車載計算機(jī)系統(tǒng)使用。圖1-27無人駕駛系統(tǒng)描繪出的3Ｄ地形圖

2.澳大利亞無人駕駛列車

如圖1-28所示，2013年澳大利亞悉尼西北鐵路宣布將使用無人駕駛火車，同時全球第二大鐵礦石出口商力拓公司已經(jīng)在皮爾巴拉礦區(qū)擁有5輛無人駕駛的鐵礦石運(yùn)輸卡車，大部分火車將被換成無人駕駛列車，大幅度地降低運(yùn)輸成本，增大運(yùn)輸容量。圖1-28無人駕駛列車

3.國產(chǎn)無人駕駛汽車

中國交通事故率是美國的兩倍多，而且汽車總量高速增長，車禍幾率可能進(jìn)一步攀升。此外，中國人口密度高，無人汽車可以適應(yīng)更窄的街道及無紅綠燈和路燈的環(huán)境，這可以降低能源消耗，為政府節(jié)省萬億元的開支。而且，無人駕駛車也屬于中國政府重點支持的7大行業(yè)之一，中國研究人員已經(jīng)在該領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步。如果引入并完善無人駕駛車的系統(tǒng)的話，還可以將這一系統(tǒng)出口到其他國家和地區(qū)。

專家預(yù)測，無人駕駛汽車實現(xiàn)將分四個階段：

(1)車內(nèi)和車上安裝的攝像頭能幫助駕駛員看到車后情況和盲區(qū)。

(2)攝像監(jiān)控系統(tǒng)給駕駛員提供駕駛建議，如駕駛員希望改道而正好有車在其盲區(qū)，那么可以通過方向盤震動來提醒駕駛員檢查盲區(qū)情況。

(3)攝像監(jiān)控系統(tǒng)為駕駛員做出決策。改道時盲區(qū)有車的情況下，駕駛員必須大角度轉(zhuǎn)向，以避讓車輛。

(4)真正的無人駕駛，如無人機(jī)、自動導(dǎo)航泊車系統(tǒng)。

1.3.9生物識別

目前已出現(xiàn)多種識別技術(shù)與應(yīng)用，如虹膜識別、語音識別、指紋識別、人臉識別可用于重點實驗室、銀行金融機(jī)構(gòu)、文物博物館、罪犯認(rèn)證或其他涉密防盜場所、領(lǐng)域，二維碼識別用于書籍、貨物等通過射頻手段掃描、管理與監(jiān)控，微信掃描二維碼參與節(jié)目互動，車牌識別用于還原監(jiān)控現(xiàn)場，疲勞駕駛識別用于及時提醒駕駛員安全駕駛。

1.人臉識別系統(tǒng)

人臉識別系統(tǒng)現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于銀行系統(tǒng)。比如在自助終端打印個人信用報告時，就采用了“人臉識別”刷臉技術(shù)。另外，人臉識別系統(tǒng)還廣泛應(yīng)用于公安、海關(guān)、邊防等領(lǐng)域。比如，采用動態(tài)人臉識別技術(shù)開發(fā)的特殊卡口快速自動化通關(guān)系統(tǒng)、鐵路局人票證合一驗證、公安局千萬級證件照搜索、動態(tài)人臉識別考勤系統(tǒng)等。另外，博物館可以采用動態(tài)人臉識別技術(shù)，對進(jìn)入博物館的人員進(jìn)行人臉比對并統(tǒng)計出現(xiàn)頻率，以防盜賊踩點。

深圳實驗中學(xué)采用校園人臉識別門禁系統(tǒng)，進(jìn)行師生宿舍進(jìn)出管理，既方便又安全，受到師生、管理人員的好評，基于人臉識別的校園門禁系統(tǒng)工作原理如圖1-29所示。圖1-29校園人臉識別門禁系統(tǒng)

2.語音識別

語音識別技術(shù)就是讓機(jī)器通過識別和理解過程把語音信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的文本或命令的高技術(shù)，也就是讓機(jī)器聽懂人類的語音。但要真正建立辨識率高的語音辨識程序組，卻是非常困難而專業(yè)的，世界各地的學(xué)者們也還在努力研究最好的方式。專家學(xué)者們研究出許多破解這個問題的方法，如傅立葉轉(zhuǎn)換、倒頻譜參數(shù)等，使目前的語音辨識系統(tǒng)已達(dá)到一個可被大眾所接受的程度，并且辨識度愈來愈高。

如圖1-30所示，一個完整的語音識別系統(tǒng)可大致分為三部分：

(1)語音特征提取：其目的是從語音波形中提取出隨時間變化的語音特征序列。

(2)聲學(xué)模型與模式匹配(識別算法)：聲學(xué)模型是識別系統(tǒng)的底層模型，并且是語音識別系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一部分。聲學(xué)模型通常由獲取的語音特征通過訓(xùn)練產(chǎn)生，目的是為每個發(fā)音建立發(fā)音模板。在識別時將未知的語音特征同聲學(xué)模型(模式)進(jìn)行匹配與比較，計算未知語音的特征矢量序列和每個發(fā)音模板之間的距離。聲學(xué)模型的設(shè)計和語言發(fā)音特點密切相關(guān)。聲學(xué)模型單元大小(字發(fā)音模型、半音節(jié)模型或音素模型)對語音訓(xùn)練數(shù)據(jù)量大小、系統(tǒng)識別率，以及靈活性有較大影響。

(3)語義理解：計算機(jī)對識別結(jié)果進(jìn)行語法、語義分析，以便做出相應(yīng)的反應(yīng)。這通常是通過語言模型來實現(xiàn)。對于小詞表語音識別系統(tǒng)，往往不需要語言處理部分。圖1-30語音識別過程

3.指紋識別

指紋是指人的手指末端正面皮膚上凸凹不平產(chǎn)生的紋線。紋線有規(guī)律的排列形成不同的紋型。紋線的起點、終點、結(jié)合點和分叉點，稱為指紋的細(xì)節(jié)特征點。指紋識別即指通過比較不同指紋的細(xì)節(jié)特征點來進(jìn)行鑒別。由于每個人的指紋不同，就是同一人的十指之間，指紋也有明顯區(qū)別，因此指紋可用于身份鑒定。

指紋識別系統(tǒng)是一個典型的模式識別系統(tǒng)，包括指紋圖像獲取、處理、特征提取和比對等模塊。指紋識別技術(shù)是目前最成熟且價格便宜的生物特征識別技術(shù)。目前來說指紋識別的技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，我們不僅在門禁、考勤系統(tǒng)中可以看到指紋識別技術(shù)的身影，市場上還有更多指紋識別的應(yīng)用：如指紋鍵盤鎖、指紋U

盤、帶有指紋識別系統(tǒng)的電子錢包、筆記本電腦、智能手機(jī)、汽車、銀行支付等都可應(yīng)用指紋識別的技術(shù)。

1)指紋識別原理

主流的指紋識別產(chǎn)品包括光學(xué)識別和電容識別，而移動終端應(yīng)用較多的是電容識別。如圖1-31所示，新一代的指紋系統(tǒng)大都采用了電容傳感器技術(shù)，采用小信號創(chuàng)建山脈狀指紋圖像的半導(dǎo)體設(shè)備。指紋識別器的電容傳感器發(fā)出電子信號，電子信號將穿過手指的表面和死性皮膚層，而達(dá)到手指皮膚的活體層(真皮層)，直接讀取指紋圖案，從而大大提高了系統(tǒng)的安全性。圖1-31指紋識別應(yīng)用產(chǎn)品

2)指紋識別市場

主流的按壓式指紋識別技術(shù)中，傳感器的成本和研發(fā)是關(guān)鍵，其中控制傳感器芯片的IC

驅(qū)動是核心。

目前市場對于傳感器芯片的IC

設(shè)計的投入很大，有很多廠商都在該領(lǐng)域積極發(fā)力，國內(nèi)指紋識別相關(guān)公司主要集中在長三角地區(qū)，芯片設(shè)計公司如昆山銳微芯盛微電子科技有限公司、杭州晟元芯片技術(shù)有限公司、江蘇恒成高科信息科技有限公司等；芯片封測公司如晶方科技、西鈦微電子(華天科技收購)等；在制作領(lǐng)域，中芯國際具有很大的潛力。中芯國際向全球客戶提供0.35微米到45/40納米芯片代工與技術(shù)服務(wù)，在該過程中積累了大量的技術(shù)優(yōu)勢，預(yù)期在日后的指紋識別大潮中，具有強(qiáng)大的能量。

4.虹膜識別

現(xiàn)代生物識別技術(shù)還可以利用虹膜進(jìn)行身份鑒定。像英國航空公司在倫敦客流量龐大的希斯羅機(jī)場，就采用了虹膜識別技術(shù)，存儲了老顧客的虹膜資料。這些人在機(jī)場的貴賓休息室，通過虹膜掃描，被快速識別，可以享受相應(yīng)的服務(wù)。

人的虹膜到兩歲左右就發(fā)育成熟，以后都維持這種穩(wěn)定狀態(tài)，除非眼部的外科手術(shù)，以及大腦受到重創(chuàng)，大部分情況下，虹膜是終身不變的。虹膜之間相同的概率比其他生物識別相同的概率還要低，識別的準(zhǔn)確度非常高。

1.3.10智能機(jī)器人

如圖1-32所示，可以想象未來的生活場景，負(fù)責(zé)搬運(yùn)的機(jī)器人不僅能夠快速移動和自主規(guī)避障礙物，還能識別人的面孔，通過眼神、語言以及形體動作直接與醫(yī)護(hù)人員、病人進(jìn)行交流；娛樂型機(jī)器人則可以在主人的愛撫下完成從出生到幼兒、少年期的成長過程。保姆型機(jī)器人穿梭于療養(yǎng)院、醫(yī)院閡庭，成為上千名孤獨(dú)老人、自閉孩童的親密伙伴；那些殘疾人也不會因為失去行動能力而懊惱，因為機(jī)器人可以幫助他們走路、抓取食物。圖1-32上海世博會上的機(jī)器人

1.工業(yè)機(jī)器人

2015年5月，《中國制造2025》規(guī)劃正式發(fā)布，這一綱領(lǐng)性文件主動適應(yīng)制造業(yè)發(fā)展潮流，推動制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變，其核心就是“智造”。廣東省發(fā)布的《廣東省智能制造發(fā)展規(guī)劃(2015—2025)》，提出要全面提升智能制造創(chuàng)新能力，推進(jìn)制造過程智能化升級改造?！兑?guī)劃》中明確將大力發(fā)展機(jī)器人產(chǎn)業(yè)，并實施“機(jī)器人應(yīng)用”計劃。2013年起，東莞市政府決定每年拿出2億元鼓勵企業(yè)“機(jī)器換人”。

如圖1-33所示為2014中國國際機(jī)器人展覽會展出的汽車流水線上的工業(yè)機(jī)器人。國內(nèi)的機(jī)器人企業(yè)所擁有的核心技術(shù)并不多，大多引進(jìn)國外先進(jìn)零件后重新系統(tǒng)集成。圖1-33汽車流水線上的工業(yè)機(jī)器人

如圖1-34所示為北京博創(chuàng)科技公司提供的基于視覺的工業(yè)機(jī)器人實驗平臺，主要由以下四大部分組成：

(1)工業(yè)機(jī)器人平臺。培訓(xùn)實驗平臺采用日系機(jī)器人的典型代表MOTOMANMH3F

多功能通用機(jī)器人作為操作平臺，其末端負(fù)載為3kg，最大水平伸長長度為532mm，垂直伸長長度為804mm，重復(fù)定位精度為±0.03mm。

(2)傳送帶。傳送帶選用HD300W變頻調(diào)速傳送帶。皮帶寬300mm，長1500mm，高700mm。

(3)視覺識別系統(tǒng)。視覺識別系統(tǒng)選用Basler

高速彩色GIGEVision攝像頭。

(4)其他部分包括：機(jī)器人底座、載物臺、模型回收箱、傳送帶托盤、儲物柜等。

圖-34基于視覺的工業(yè)機(jī)器人實驗平臺

2.醫(yī)用機(jī)器人

機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于微創(chuàng)手術(shù)，可拓展微創(chuàng)手術(shù)醫(yī)生的操作能力，改善醫(yī)生的工作模式，規(guī)范手術(shù)操作，提高手術(shù)質(zhì)量，對微創(chuàng)手術(shù)發(fā)展具有重要意義。

如圖1-35所示為我國天津大學(xué)自主研發(fā)的“妙手S”手術(shù)機(jī)器人。機(jī)器手臂的虛擬力觸覺反饋能力能夠?qū)⑹中g(shù)過程中患者的觸覺傳遞給操作醫(yī)生，隨時調(diào)整、制定精確的手術(shù)方案。醫(yī)生只需要通過計算機(jī)遙控，就能進(jìn)行需要多人才能完成的手術(shù)。圖1-35天津大學(xué)“妙手S”手術(shù)機(jī)器人在醫(yī)院手術(shù)現(xiàn)場

與第一代開腹開胸手術(shù)和第二代腔鏡微創(chuàng)手術(shù)相比較，機(jī)器人手術(shù)擁有以下優(yōu)勢：

(1)直視三維立體高清圖像，使得手術(shù)視野更加清晰。

(2)仿真手腕器械有7個自由度，將大大提高手術(shù)操作的精細(xì)和準(zhǔn)確度。

(3)手術(shù)操作者可采用坐姿，利于完成長時間、復(fù)雜的手術(shù)。手術(shù)機(jī)器人外科手術(shù)將成為微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域新的發(fā)展方向和外科手術(shù)治療疾病的首選方法。

3.排爆機(jī)器人

2014年11月2日，北京警方在特警總隊駐地展示了即將承擔(dān)本次APEC“排爆”任務(wù)的高科技機(jī)器人。如圖1-36所示，此款型號為F6Ａ的排爆機(jī)器人是在2008年奧運(yùn)會前引進(jìn)的，可以在復(fù)雜地形環(huán)境下代替特警隊員進(jìn)行排爆工作。圖1-36APEC“排爆”機(jī)器人

4.變電站智能巡檢機(jī)器人

對變電站電氣設(shè)備進(jìn)行定期巡視，迅速獲得變電設(shè)備的狀態(tài)信息并及時發(fā)現(xiàn)變電設(shè)備的缺陷和隱患，是保障變電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。當(dāng)今智能電網(wǎng)的建設(shè)推進(jìn)了變電站無人化的發(fā)展進(jìn)程，利用變電站自動巡檢機(jī)器人取代人工對變電設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行