1、Nankai University吴功宜吴功宜 吴英吴英 编著编著 物联网工程导论物联网工程导论1物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第1页Nankai University第第4章章 物联网智能设备物联网智能设备与嵌入式技术与嵌入式技术2物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第2页Nankai University第第4章章知知识识点点结结构构3物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第3页Nankai University4.1智能智能设备研究与研究与发展展嵌入式系统（嵌入式系统（EmbeddedSystem）也称作）也称作“嵌入式计嵌入式计算机系统（算机系统（EmbeddedComputerSyst
2、em）”它是针对特定应用，剪裁它是针对特定应用，剪裁计算机计算机软件和硬件，以适应软件和硬件，以适应应用系统对功效、应用系统对功效、可靠性可靠性、成本、体积、功耗有严格、成本、体积、功耗有严格要求要求专用计算机专用计算机系统系统嵌入式系统已经用于工业、农业、军事、家电等各个嵌入式系统已经用于工业、农业、军事、家电等各个领域领域物联网环境中各种智能设备都需要采取嵌入式技术来物联网环境中各种智能设备都需要采取嵌入式技术来进行设计与制造进行设计与制造嵌入式系统设计理论、方法与工具是物联网研究理论嵌入式系统设计理论、方法与工具是物联网研究理论基础，含有主要借鉴与指导作用。基础，含有主要借鉴与指导作用。
3、4物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第4页Nankai University4.1智能智能设备研究与研究与发展展4.1.1个人个人计算机算机PCIBMPC、图形工作站、台式机、笔记本计算机、一体、图形工作站、台式机、笔记本计算机、一体机与机与iPad5物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第5页Nankai University4.1.2个人数字助理个人数字助理PDA各种形式各种形式PDA6物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第6页Nankai University4.1.3GPS接收机接收机车载车载GPS导航仪、导航仪、GPS手机与手机与GPS手表手表7物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第7页Na
4、nkai University4.1.4智能手机智能手机智能手机将是物联网中一个主要智能终端设备，智能手机将是物联网中一个主要智能终端设备，很多物联网应用系统用户终端设备是基于智能很多物联网应用系统用户终端设备是基于智能手机操作系统平台上开发手机操作系统平台上开发智能手机与个人计算机一样，含有自己独立嵌智能手机与个人计算机一样，含有自己独立嵌入式操作系统，能够由用户自行安装软件、游入式操作系统，能够由用户自行安装软件、游戏等第三方服务提供商程序戏等第三方服务提供商程序很各种智能手机已经嵌入了很各种智能手机已经嵌入了RFID标签芯片与标签芯片与传感器芯片，成为物联网中主要移动通信、移传感器芯片，
5、成为物联网中主要移动通信、移动计算与位置服务设备动计算与位置服务设备8物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第8页Nankai University4.1.5智能家智能家电未来智能家电向智能化、自适应和网络化方向未来智能家电向智能化、自适应和网络化方向发展发展，智能家电将成为物联网中智慧家居应用智能家电将成为物联网中智慧家居应用中主要组成单元中主要组成单元能够接入互联网或移动通信网智能家电称为能够接入互联网或移动通信网智能家电称为“网络家电网络家电”智能家电能够实现互联组成一个家庭内部网络，智能家电能够实现互联组成一个家庭内部网络，能够与互联网连接能够与互联网连接智能家电研究对象主要是电视、智能家
6、电研究对象主要是电视、冰箱冰箱、空调空调、洗衣机与洗衣机与照明设备等照明设备等实现网络家电连接技术主要是蓝牙、实现网络家电连接技术主要是蓝牙、红外、电红外、电力线力线、双绞线双绞线等等9物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第9页Nankai University4.1.6数字数字标牌牌数字标牌（数字标牌（DigitalSignage）是一个新专业多媒体视听）是一个新专业多媒体视听系统，表达出一个全新媒体概念，同时也是物联网应用系统，表达出一个全新媒体概念，同时也是物联网应用系统与人经过视觉交互工具系统与人经过视觉交互工具数字标牌在智慧城市与智能交通中应用数字标牌在智慧城市与智能交通中应用示例示例
7、10物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第10页Nankai University4.2嵌入式技嵌入式技术发展基展基础集成集成电路路4.2.1微微电子技子技术和和产业发展主要性展主要性电子工业产值增加速率是国民经济总产值增加电子工业产值增加速率是国民经济总产值增加速率速率3倍，微电子产业增加速率又是电子工业倍，微电子产业增加速率又是电子工业增加速率增加速率2倍倍国民经济总产值每增加国民经济总产值每增加100300元，就必须有元，就必须有10元电子工业和元电子工业和1元集成电路产值支持元集成电路产值支持集成电路对国民经济贡献率远高于其它门类产集成电路对国民经济贡献率远高于其它门类产品，以单位质量钢
8、筋对品，以单位质量钢筋对GDP贡献为贡献为1计算，小计算，小汽车为汽车为5，彩电为，彩电为30，计算机为，计算机为1000，而集成，而集成电路贡献率则高达电路贡献率则高达11物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第11页Nankai University4.2.2微微电子技子技术发展展从电子管到晶体管发展过程从电子管到晶体管发展过程12物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第12页Nankai University4.2.3集成集成电路研究与路研究与发展展从使用分立元器件电路单元到集成电路芯片从使用分立元器件电路单元到集成电路芯片13物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第13页Nankai Univer
9、sity摩尔定律基本内容摩尔定律基本内容：集成电路集成度每集成电路集成度每18个月就翻一番个月就翻一番特征尺寸每特征尺寸每3年缩小年缩小1/2计算机界对于摩尔定律两点推论计算机界对于摩尔定律两点推论：微处理器性能每隔微处理器性能每隔18个月提升一倍，而个月提升一倍，而价格下降一倍价格下降一倍用一个美元所能买到计算机性能，每隔用一个美元所能买到计算机性能，每隔18个月翻两番个月翻两番14物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第14页Nankai University4.2.4SoC研究与研究与应用用SoC芯片与集成电路关系示意图芯片与集成电路关系示意图15物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第15页N
10、ankai University4.3嵌入式技嵌入式技术研究与研究与发展展4.3.1环境智能化与嵌入式系境智能化与嵌入式系统未来未来98%计算设备将工作在嵌入式系统计算设备将工作在嵌入式系统中中嵌入式系统是将计算与控制概念联络在嵌入式系统是将计算与控制概念联络在一起，并嵌入到物理系统之中，实现一起，并嵌入到物理系统之中，实现“环境智能化环境智能化”目标目标无线传感器网络、无线传感器网络、RFID应用系统是嵌入应用系统是嵌入式技术在实现式技术在实现“环境智能化环境智能化”方向迈出方向迈出了一大步了一大步16物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第16页Nankai University4.3.2嵌入
11、式系嵌入式系统基本概念基本概念微型机应用和微处理器芯片技术发展为嵌微型机应用和微处理器芯片技术发展为嵌入式系统研究奠定了基础入式系统研究奠定了基础嵌入式系统发展适应了智能控制需求嵌入式系统发展适应了智能控制需求嵌入式系统发展促进了芯片、操作系统、嵌入式系统发展促进了芯片、操作系统、软件编程语言与体系结构研究发展软件编程语言与体系结构研究发展嵌入式系统研究表达出多学科交叉融合特嵌入式系统研究表达出多学科交叉融合特点点17物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第17页Nankai University4.3.3嵌入式系嵌入式系统发展展过程程第一阶段：以可编程序控制器系统为关第一阶段：以可编程序控制器系
12、统为关键研究阶段键研究阶段第二阶段：以嵌入式中央处理器第二阶段：以嵌入式中央处理器CPU为为基础、简单操作系统为关键阶段基础、简单操作系统为关键阶段第三阶段：以嵌入式操作系统为标志阶第三阶段：以嵌入式操作系统为标志阶段段第四阶段：基于网络操作嵌入式系统发第四阶段：基于网络操作嵌入式系统发展阶段展阶段18物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第18页Nankai University4.4RFID读写器与中写器与中间件件软件件设计*4.4.1RFID应用系用系统结构与工作原理构与工作原理RFID应用系统原理结构示意图应用系统原理结构示意图19物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第19页Nankai U
13、niversity4.4.2RFID读写器写器结构构与与设计方法方法典典型型手手持持式式RFID读读写写器器结结构构20物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第20页Nankai University4.4.3RFID中中间件概念与件概念与结构构RFID中间件结构示意图中间件结构示意图21物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第21页Nankai University4.5无无线传感器网感器网络节点点设计*4.5.1无无线传感器感器节点点结构构无线传感器节点结构无线传感器节点结构22物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第22页Nankai University4.5.2无无线传感器网感器网络节点点设计标
14、准准微型化与低成本微型化与低成本低功耗低功耗灵活性与可扩展性灵活性与可扩展性鲁棒性鲁棒性传感器节点各部分能量消耗情况传感器节点各部分能量消耗情况23物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第23页Nankai University4.5.3无无线传感器网感器网络节点硬件点硬件设计传感器节点硬件部件之间关系示意图传感器节点硬件部件之间关系示意图24物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第24页Nankai University4.5.4无无线传感器网感器网络嵌入式操作系嵌入式操作系统研究研究因为无线传感器节点含有数量大、拓扑因为无线传感器节点含有数量大、拓扑动态改变、携带非常有限硬件资源等特动态改变、携带
15、非常有限硬件资源等特点，同时计算、存放和通信等操作需要点，同时计算、存放和通信等操作需要并发地调用系统资源，所以需要研究适并发地调用系统资源，所以需要研究适合传感器网络新型操作系统合传感器网络新型操作系统当前，最有代表性是当前，最有代表性是UCBerkeleyTinyOS，它是一个面向无线传感器网络新型嵌，它是一个面向无线传感器网络新型嵌入式操作系统入式操作系统25物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第25页Nankai University4.5.5无无线传感器网感器网络系系统应用用软件件设计无线传感器网络系统应用软件设计要求无线传感器网络系统应用软件设计要求面向应用面向应用适应性适应性能量优
16、化能量优化模块化模块化可管理可管理26物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第26页Nankai University无线传感器节点软件结构无线传感器节点软件结构27物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第27页Nankai University无线传感器网络软件结构无线传感器网络软件结构28物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第28页Nankai University4.6可穿戴可穿戴计算研究及其在物算研究及其在物联网中网中应用用4.6.1可穿戴计算机在物联网中应用可穿戴计算机在物联网中应用可穿戴计算机能够应用于物联网远程支可穿戴计算机能够应用于物联网远程支援、抢险救灾、医疗救护、社会治安、援、抢险救
17、灾、医疗救护、社会治安、新闻采访、社会娱乐与军事方面新闻采访、社会娱乐与军事方面为了适应不一样用户需求，不一样可穿为了适应不一样用户需求，不一样可穿戴计算机依据其功效、与人交互方式不戴计算机依据其功效、与人交互方式不一样，而被设计成不一样内部结构和不一样，而被设计成不一样内部结构和不一样外形一样外形29物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第29页Nankai University4.6.2可穿戴可穿戴计算概念算概念产生背景生背景可穿戴计算技术表达出可穿戴计算技术表达出“以人为本，人机合一以人为本，人机合一”和和“无处不在计算无处不在计算”理念，有力地支持着理念，有力地支持着“从人围着计算从人围着
18、计算机转，转向计算机围着人转机转，转向计算机围着人转”这一计算机演变主要趋这一计算机演变主要趋势势可穿戴计算系统与人类紧密结合成一个整体，能够拓可穿戴计算系统与人类紧密结合成一个整体，能够拓展人视觉、听觉，增强人大脑记忆和应对外界环境改展人视觉、听觉，增强人大脑记忆和应对外界环境改变能力，延伸了人大脑与四肢，代表着计算机一个主变能力，延伸了人大脑与四肢，代表着计算机一个主要发展趋势要发展趋势可穿戴计算技术研究包括计算机科学、智能科学、光可穿戴计算技术研究包括计算机科学、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
19、物医学、工业设计技术等多科学、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个交叉学科和技术领域30物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第30页Nankai University4.6.3可穿戴可穿戴计算定算定义和主要特征和主要特征可穿戴计算机与新可穿戴计算机与新人机交互模式人机交互模式：持久性持久性增强性增强性介入性介入性可穿戴计算机六可穿戴计算机六个属性个属性：非限制性非限制性非独占性非独占性可觉察性可觉察性可控性可控性环境感知性环境感知性交流性交流性31物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第31页Nankai University可穿戴计算机三大能力可穿戴计算机三大能力：移动计
20、算能力移动计算能力智能助手能力智能助手能力各种控制能力各种控制能力32物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第32页Nankai University4.5.4可穿戴可穿戴计算机在提升人感知能力方面研究算机在提升人感知能力方面研究发展展33物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第33页Nankai University4.7智能机器人研究及其在物智能机器人研究及其在物联网中网中应用用4.7.1机器人基本概念机器人基本概念机器人学机器人学(robotics)是一个包括计算机科学、人工智能是一个包括计算机科学、人工智能方法、智能控制、精密机械、信息传感技术、生物工方法、智能控制、精密机械、信息传感技术、生
21、物工程交叉学科程交叉学科按照应用领域进行分类，机器人能够分为民用和军用按照应用领域进行分类，机器人能够分为民用和军用两大类两大类民用机器人又能够深入分为工业机器人、农业机器人、民用机器人又能够深入分为工业机器人、农业机器人、服务机器人、仿人机器人、特种机器人、微机器人与服务机器人、仿人机器人、特种机器人、微机器人与微操作机器人，以及空间机器人等微操作机器人，以及空间机器人等军事机器人按照应用目标分类，能够分为侦察机器人、军事机器人按照应用目标分类，能够分为侦察机器人、监视机器人、排爆机器人、攻击机器人与救援机器人。监视机器人、排爆机器人、攻击机器人与救援机器人。按照工作环境分类，能够分为地面军
22、用机器人、水下按照工作环境分类，能够分为地面军用机器人、水下军用机器人、空中军用机器人军用机器人、空中军用机器人34物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第34页Nankai University智能机器人在物智能机器人在物联网中网中应用前景用前景经过网络控制智能机器人正在向我们展示出对世界超经过网络控制智能机器人正在向我们展示出对世界超强感知能力与智能处理能力强感知能力与智能处理能力智能机器人能够在物联网环境保护、防灾救灾、安全智能机器人能够在物联网环境保护、防灾救灾、安全保卫、航空航天、军事，以及工业、农业、医疗卫生保卫、航空航天、军事，以及工业、农业、医疗卫生等领域应用中发挥主要作用，必将成
23、为物联网主要组等领域应用中发挥主要作用，必将成为物联网主要组员员物联网催生很多含有计算、通信、控制、协同和自治物联网催生很多含有计算、通信、控制、协同和自治性能智能设备，实现实时感知、动态控制和信息服务，性能智能设备，实现实时感知、动态控制和信息服务，智能机器人与物联网研究有很多共通之处智能机器人与物联网研究有很多共通之处智能机器人研究结果与研究方法对于物联网理论研究智能机器人研究结果与研究方法对于物联网理论研究含有极为主要指导与借鉴意义含有极为主要指导与借鉴意义35物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第35页Nankai University4.7.2智能机器人在物智能机器人在物联网中网中应用
24、用工业机器人工业机器人农业机器人农业机器人36物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第36页Nankai University服务机器人服务机器人37物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第37页Nankai University医用机器人医用机器人38物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第38页Nankai University微机器人与微操作机器人微机器人与微操作机器人仿人机器人仿人机器人39物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第39页Nankai University特种机器人特种机器人：救援机器人、危险环境工作机器人与探险救援机器人、危险环境工作机器人与探险机器人机器人40物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第40页Nankai University军用机器人军用机器人41物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第41页Nankai University利用无人机对建筑物结构安全性数据移动采集利用无人机对建筑物结构安全性数据移动采集利用海底爬行机器人实现海底环境数据移动采集利用海底爬行机器人实现海底环境数据移动采集42物联网智能设备与嵌入式技术培训课件第42页
