从嵌入式系统视角看物联网

摘要: 物联网是微处理器基础上，通用计算机与嵌入式系统发展到高级阶段相融合的产物。物联网有3个源头，即智慧源头、网络源头、物联源头。物联网的物联源头是嵌入式应用系统的4个通道接口。物联网中有众多的物联系统，物联网事件是物联系统中的行为过程。从众多的物联网事件中，可以归纳出物联网的6个行为元素，即物储、物感、物控、物信、物管、物互。物联网与云计算的关系是基础与上层建筑的关系：物联网是智慧地球，云计算是智慧服务。

关键词: 物联网；物联系统；物联网事件；物联网行为元素

中图分类号: TP39文献标识码: A

Embedded System for Internet of Things
He Limin
(Beihang University, Beijing 100191, China)
Abstract： The Internet of Things is the fusion product of generalpurpose computer and embedded system in advanced stage based on microcontroller. The Internet of Things stems from three sources: intelligence, network, and connection of things which is the interface of four channels of embedded application system. There are many systems of things in the Internet of Things. An event is a behavioral process in the system of things. Six behavioral elements are generalized from numerous events, i.e., storage, sensor, controller, information, management and interaction. The relationship between the Internet of Things and cloud computing is that the Internet of Things implies Smart Earth and cloud computing implies smart service.

Key words: Internet of Things; system of things; event; behavioral elements

    物联网与云计算不是概念炒作，是互联网与嵌入式系统发展到高级阶段的融合。物联网涵盖了众多的学科领域，需要从众多学科视角来科学地诠释物联网。作为物联网重要技术组成的嵌入式系统，具有20多年的物联史，嵌入式系统视角有助于深刻地、全面地理解物联网的本质。

1从嵌入式系统看物联网

   
    图1物联网的源头

    物联网是在微处理器基础上，通用计算机与嵌入式系统发展到高级阶段相互融合的产物。物联网囊括了多个学科、具有无限多的应用领域。物联网有3个源头：智慧源头、网络源头、物联源头。智慧源头是微处理器，网络源头是互联网，物联源头是嵌入式系统。科学地定义物联时，必须充分了解这3个源头。图1表示了物联网3个源头的发展史，以及它们之间的相互关系。

    无论是通用计算机还是嵌入式系统，都可以溯源到半导体集成电路。微处理器的诞生，为人类工具提供了一个归一化的智力内核。在微处理器基础上的通用微处理器与嵌入式处理器，形成了现代计算机知识革命的两大分支，即通用计算机与嵌入式系统的独立发展时代。通用计算机经历了从智慧平台到互联网的独立发展道路；嵌入式系统则经历了智慧物联到局域智慧物联的独立发展道路。物联网是通用计算机的互联网与嵌入式系统单机或局域物联在高级阶段融合后的产物。物联网中，微处理器的无限弥散，以“智慧细胞”形式，赋予物联网“智慧地球”的智力特征。因此，必须从3个源头和多学科视角，来科学地定义与诠释物联网。

    与嵌入式系统一样，与物联网相关的学科有微电子学科、计算机学科、电子技术学科，以及无限多的对象应用学科。任何一个学科在诠释物联网时都会出现片面性。在诠释物联网时要有“瞎子摸象”的精神，综合不同的视角，才能逼近事物的真相。

    目前，在寻找物联网的定义时，又会想起那个说不清“嵌入式”含义，基于描述式的嵌入式系统定义。如今物联网定义又面临无法说清“物联”本质的尴尬境地。其根本原因是现代计算机知识革命进入通用计算机与嵌入式系统的独立发展时代后，嵌入式系统没有独立的形态，人们看到的只是通用计算机，看不到嵌入式系统，也不了解嵌入式系统的物联史。

2物联网的物联源头

    物联网的物联源头是嵌入式系统。嵌入式系统诞生于嵌入式处理器，距今已有30多年历史。早期经历过电子技术领域独立发展的单片机时代，进入21世纪，才进入多学科支持下的嵌入式系统时代。从诞生之日起，嵌入式系统就以“物联”为己任，具体表现为：嵌入到物理对象中，实现物理对象的智能化。20年前，笔者在《MCS51系列单片机应用系统设计》［1］一书中提出过单片机应用系统的4个通道接口的概念，它适用于一切嵌入式应用系统，是物联网的物联基础。图2描述了嵌入式系统的物联源头。

    
    图2嵌入式应用系统的物联基础

    在嵌入式处理器或微控制器基础上的嵌入式应用系统，嵌入到物理对象中，给物理对象完整的物联界面。与物理参数相联的是前向通道的传感器接口；与物理对象相联的是后向通道的控制接口；实现人-物交互的是人机交互接口；实现物-物交互的是通信接口。

    从图2可以看出，嵌入式应用系统可以提供多种物联方式。以传感器网为例，传感器不具有网络接入功能，只有通过嵌入式处理器，或嵌入式应用系统，将传统的传感器转化成智能传感器，才有可能通过相互通道的通信接口互联，或接入互联网，形成局域传感器网或广域传感器网。

    嵌入式应用系统历经20多年的发展，目前大多具备了局域互联或与互联网的联网功能。嵌入式应用系统的局域网有RS485总线网、CAN总线网、现场总线网，以及无线传感器网络等。嵌入式应用系统、嵌入式应用系统局域网与互联网的联接，将互联网变革到物联网。

    GPS诞生后，嵌入式应用系统则实现了物理对象的时空定位，保证了物联网中物理对象有完整的物理信息。在实现物联时，不仅可以提供物理对象的物理参数、物理状态信息，还可提供物理对象的时空定位信息。[page]

3物联网与物联网事件

    物质世界的无限性，决定了物联网有无限多的应用领域。然而，每一个具体的物联网应用，都存在于一个具体的物联系统之中。如交通违章管理物联系统、智能家居物联系统、远程医疗救助物联系统、超市自助收费物联系统等。而物联系统中每一个独立、自主的任务过程，都可称为物联网事件。

    原有的交通违章管理系统中，通过交通违章的视频监控系统将违章事件在网上公示，驾驶员通过网上查询得知违章信息后，到银行缴纳罚金。如果能通过汽车电子网络，将驾驶员的物理信息通过手机终端与互联网相联，同时将视频监控系统接入互联网，便可形成一个交通违章管理的物联系统。在这个物联系统中，当视频监控系统发现违章事件，会立即上传到互联网，并以手机通信方式实时告知驾驶人员，在驾驶人员确认违章行为后，可立即完成网上罚金支付。这就是交通违章管理物联系统中的一个具体的物联网事件。

    可以将不同物联系统中众多的物联网事件，抽象出3个典型的行为过程，即事件激励、信息处理、结果输出，简称激励、处理与输出。一个完整的物联网事件，应该具备有这样3个行为过程。

3.1物联网事件的事件激励

    物联网事件的事件激励，是物联网事件的激发因素。只有当物联系统中出现了激励事件时，才能引发物联网事件。例如，在交通违章管理的物联系统中，“违章事件”便是物联网事件的“激励”行为。

    物联网事件的“激励”，有主动激励与被动激励。主动激励常常是可预见性的激励，被动激励常常是不可预见性的。在智能家居物联系统中，主人对家居电气设备产生远程监控的激励是主动激励；智能家居中出现火情的事件激励，是被动激励。

    在物联网事件的“激励”中，通常都包含有对其后信息处理、控制输出要求的原始信息。如智能家居物联系统中，主人产生对电冰箱的远程监测，是要了解冰箱中的食品状况；对空调的远程控制，是要开启或关闭空调。

3.2物联网事件的信息处理

    物联网事件的信息处理，是物联系统在收到激励事件后，对激励事件的原始信息解读，以及在物联网事件路径上，与信息相关的采集、分析、处理与传输。例如，智能家居物联系统中，出现了手机方式的空调远程控制“激励”，便会启动对手机事件激励中的信息解读，核实主人身份，了解控制对象及对象的状态要求控制；随后采集室内温度、湿度状况，作出空调机的运行策略。

    在物联网事件路径上，有众多微处理器，它们以通用计算机或嵌入式应用系统方式弥散在物联系统中。每个微处理器都承担着相应的信息处理任务。

3.3物联网事件的结果输出

    物联网事件的结果输出，是物联系统对事件激励的响应。在物联网事件的“激励”中包含了结果输出的目的性要求。在物联系统正常状态下，结果输出会充分满足这些要求。例如，智能家居物联系统中，远程空调控制必须满足主人对空调设定的控制要求；远程冰箱监视必须提供满足主人要求了解的真实储物信息。

    物联网事件的结果输出，是物联系统对事件激励的响应。因此，物联网事件响应的结果输出，有不同的实时性要求。智能家居物联系统中出现出火警、匪警，必须立即有报警响应；远程冰箱监视时，须及时告知冰箱储存状况；远程空调控制时，可设定在某个时间点上完成某个控制行为。

4物联网事件的行为元素

    物联网中有众多的物联系统，物联系统中有众多的物联网事件。不同的物联网事件中，有许多不同的行为过程。物联网中所有不同的事件过程，都有相同的行为元素。这些行为元素是物储、物感、物控、物信、物管、物互。

4.1物联网的存储（物储）

    物联网的物储元素，是物联系统中物联网事件的知识与信息的存储行为。为了满足物联系统构建，满足物联网事件过程要求，物联系统中要有足够的存储空间，以实现物联系统中的电子化信息存储、真实世界的虚拟存储、虚实交互存储与数字文件存储等。

    电子化信息存储，是网络实名制的个人及其财、物等的信息存储；真实世界的虚拟存储，是数字化系统的虚拟存储，如网上银行、购物系统、交管系统、认证系统等的虚拟系统存储；虚实交互存储，是物理认证环境基础上的数字化虚拟存储，如FPGA的物理认证基础上，集成电路、IP核、系统电路的数字化文件虚拟存储；数字文件存储，则是图片、音视频资料存储。

    物联网中所有的存储内容，都是“0、1”数字符号归一化的量子化存储，与具体物质无关。因此，物联网中存储的数据可以在不同的介质中转换或传输。

4.2物联网的传感（物感）

    物联网的物感元素，是物联系统中，物联网事件对物理对象的感知行为。这种感知行为的源头，是嵌入式应用系统中传感器的数字釆集。通常，物联网事件中的感知有物理对象的物理状态感知、物理参数感知，以及感知对象的时间、空间定位信息。物理状态信息与物理参数信息感知，通常是依靠各种类型的传感器将物理状态与物理参数变换成模拟电压信号，然后通过模/数转换技术转换成数字信号，输入到嵌入式应用系统的前向通道中；物理对象的时间、空间定位信息则依靠嵌入式应用系统与GPS系统的交互感知。

4.3物联网的控制（物控）

    物联网的物控元素，是物联系统中，物联网事件对物理对象的控制行为。这种行为的源头，是嵌入式应用系统控制接口对物理对象的伺控制能力。通常，嵌入式应用系统控制接口输出的是归一化的“0、1”数字化信号，必须通过相应的数/模转换技术转换成物理对象能够接受的模拟控制信号。

4.4物联网的信息（物信）

    物联网的物信元素，是物联系统中，物联网事件的信息流管理行为。物联网事件的信息流管理行为，主要表现在“0、1”归一化数字化信息的变换与传输。它包括“0、1”数字化信息在不同介体中的变换、在不同运行环节间的编码与译码，以及各种形式的信号传输，如有线传输与无线传输、电缆与光缆传输、电力网载波传输与通信网的GPRS传输等。

4.5物联网管理（物管）

    物联网的物管元素，是物联系统中，物联网事件行为的管理与调度。这些管理与调度有数据流管理、数据库互联、数据信息釆集、认证、信息流通中的许可证制度、安全性管理与经营性管理等。

4.6物联网交互（物互）

    物联网的物互元素，是物联系统中，物联网事件相关者的交互行为。嵌入式应用系统中的4个物联界面，即传感界面、控制界面、人机界面、通信界面。每个界面都有相对应的物理对象，如传感界面的传感器、控制界面的物理对象、人机界面的人、通信界面的其他嵌入式应用系统或嵌入式应用系统的局域网与广域网。多种物理对象、多种物联界面，形成了人、物、网（广域/局域）的多种交互行为。

结语

    ① 物联网时代是通用微处理器与嵌入式处理器两大分支从分离到融合发展的新时代，即微处理器从一分为二到合二为一的变革时代。

    ② 物联网是一个与物理对象紧密相连，可以实现人-物交互、人-物-人交互、无时空限制的智能化网络系统。

    ③ 物联网的智慧源头是半导体微处理器，物联源头是嵌入式应用系统，网络源头是互联网。在物联网中，它们各司其职。

    ④ 物联网是多学科的综合产物，任何一个学科对物联网的阐述都会有局限性。综合各个学科视角，全面、科学地阐明物联网，对我国物联网事业的健康发展具有重要意义。

    ⑤ 物联网与云计算密切相关：物联网与云计算是基础与上层建筑的关系；物联网是智慧地球，云计算是智慧服务；物联网是物联基础，云计算是软件服务；云计算是物联网时代全方位、无限时空的全球服务体系。

参考文献

[1] 何立民.MCS51系列单片机应用系统设计[M].北京航空航天大学出版社，1990.
[2] 何立民.嵌入式系统的定义与发展历史[J].单片机与嵌入式系统应用，2004（1）.
[3] 何立民.从嵌入式系统看现代计算机产业革命[J].单片机与嵌入式系统应用，2008（1）.
[4] 何立民.嵌入式系统支柱学科的交叉与融合[J].单片机与嵌入式系统应用，2008（5）.
[5] 何立民.微处理器智力内核使一切成为可能[J].电子产品世界，2009（1）.

（收稿日期：2010-08-11）