物联网智能设备与嵌入式技术教材

补充：微电子学发展历史
4.3 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
• 目前，最有代表性的是UC Berkeley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
4.5.5 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
• 无线传感器节点软件结构
• 无线传感器网络软件结构
• 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
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4.1.5 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”
• 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。
4.1 智能设备的研究与发展 4.1.1 个人计算机PC
• IBM PC、图形工作站、台式机、笔记本计算机、一体 机与iPad
4.3.2 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
4.3.3 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
• 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
4.1.6 数字标牌
• 数字标牌（Digital Signage）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
4.4.2 RFID读写器结构 与设计方法
典 型 手 持 式
RFID 读 写 器 结 构
4.4.3 RFID中间件的概念与结构
• RFID中间件结构示意图
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
4.5.2 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
• 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2000
4.2.2 微电子技术的发展 • 从电子管到晶体管的发展过程
4.2.3 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
• 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
4.4 RFID读写器与中间件软件设计* 4.4.1 RFID应用系统结构与工作原理
• RFID应用系统原理结构示意图
• 数字标牌在智慧城市与智能交通中的应用示例
4.2 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
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
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
4.2.4 SoC研究与应用
• SoC芯片与集成电路的关系示意图
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
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
4.1.2 个人数字助理PDA
• 各种形式的PDA
4.1.3 GPS接收机
• 车载GPS导航仪、GPS手机与GPS手表
4.1.4 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
物联网智能设备与嵌入 式技术教材
2020年4月28日星期二
第
4 章 知 识 点 结 构
4.1 智能设备的研究与发展
• 嵌入式系统（Embedded System）也称作“嵌入式计算机系 统（Embedded Computer System）”
• 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
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