物联网智能设备与嵌入式技术教材
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《嵌入式系统物联网专业》课程教学大纲
嵌入式系统教学大纲一、说明（一）课程性质“嵌入式系统”是物联网工程专业的专业必修课程，是一门实践与理论结合性很强的课程，以电子线路、微机原理与接口技术、操作系统、计算机网络等课程为基础。
随着后PC时代的到来，以高速度、高可靠、低功耗为特征的嵌入式系统的应用日益广泛和深入，嵌入式系统设计在计算机科学与技术专业课程体系中的地位愈发重要。
（二）教学目的通过本课程的学习，要求学生掌握嵌入式系统的基础概念和基本原理；熟悉ARM体系结构的特点；熟练掌握嵌入式LINUX系统开发的基本知识；了解嵌入式应用系统的基本开发流程。
为将来成为一个合格的高新技术工程研发人员打下坚实的基础。
（三）教学内容本课程以ARM11为具体的硬件教学平台，以嵌入式LINUX为应用开发平台。
主要教学内容包括以下三个部分：第一部分为嵌入式系统概述，主要包括嵌入式系统的基本概念，嵌入式系统中的处理器，嵌入式系统中的软件系统，嵌入式产品的开发流程等。
第二部分为ARM硬件基础介绍，主要包括ARM的内部资源，ARM指令系统，ARM典型接口，ADS集成开发环境等。
第三部分为嵌入式LINUX系统开发，主要包括嵌入式系统开发环境的建立，嵌入式LINUX C语言基础，嵌入式LINUX设备驱动开发基础，嵌入式LINUX网络编程，嵌入式LINUX数据库应用编程，Qt编程等。
（四）教学时数本课程课堂教学72学时（含8学时课程设计），实验教学36学时，总教学时数108学时。
课程编号：71032407，开设学期：第六学期。
（五）教学方式“嵌入式系统”是一门实践性很强的课程，因此采用课堂教学与实践教学相结合的教学方式。
在教学过程中注重学生的动手能力，任课教师可根据实际情况调整课堂教学与实验教学的教学时数。
课程考核方式通过学生分组，开卷完成课程设计题目，提交课程设计报告的方式来完成。
二、本文理论部分第一篇嵌入式系统概述第1章嵌入式系统简述教学要点：本章要点为嵌入式系统的基本概念。
物联网智能设备与嵌入式技术培训课件
• 它是针对特、可靠性、成本、体积、功耗有 严格要求的专用计算机系统
• 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。
• 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
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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”
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
4.1.2 个人数字助理PDA
• 各种形式的PDA
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
4.1.3 GPS接收机
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
4.4.3 RFID中间件的概念与结构
• RFID中间件结构示意图
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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
• 第四阶段：基于网络操作的嵌入式系统 发展阶段
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
• 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。
• 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
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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”
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
4.1.2 个人数字助理PDA
• 各种形式的PDA
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
4.1.3 GPS接收机
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
4.4.3 RFID中间件的概念与结构
• RFID中间件结构示意图
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
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
• 第四阶段：基于网络操作的嵌入式系统 发展阶段
路漫漫其修远兮, 吾将上下而求索
《嵌入式技术及应用》课程标准
《嵌入式技术及应用》课程标准一、课程概述嵌入式技术是当前工业自动化、智能设备、物联网等领域中广泛应用的一种技术。
本课程旨在让学生了解嵌入式技术的概念、特点、应用场景和发展趋势，掌握嵌入式系统的基本原理和实现方法，提高学生的实际操作能力和解决问题的能力。
二、课程目标1.掌握嵌入式系统的基本原理和实现方法，包括处理器、内存、外设、操作系统等方面的知识。
2.熟悉嵌入式系统的开发流程和方法，包括需求分析、系统设计、代码编写、测试、调试等环节。
3.能够根据实际需求，选择合适的嵌入式系统平台和应用软件，实现嵌入式系统的应用。
4.能够解决嵌入式系统开发中遇到的问题和故障，提高实际操作能力和解决问题的能力。
三、教学内容与要求1.嵌入式系统概述：介绍嵌入式系统的概念、特点、应用场景和发展趋势，让学生了解嵌入式系统的基本概念和背景知识。
2.处理器和内存：介绍嵌入式系统常用的处理器类型（如ARM、MIPS、X86等），以及内存的种类和特点，让学生了解嵌入式系统中的硬件基础。
3.外设接口：介绍嵌入式系统常用的外设接口（如USB、SPI、I2C、UART等），以及它们在嵌入式系统中的应用，让学生了解嵌入式系统中的外设接口技术。
4.操作系统：介绍嵌入式系统常用的操作系统（如Linux、QNX、uClinux等），以及它们的特点和应用场景，让学生了解嵌入式系统中的操作系统技术。
5.开发环境：介绍嵌入式系统的开发环境（如IDE、编译器、调试器等），以及如何使用它们进行开发，让学生掌握嵌入式系统的开发工具和环境。
6.应用开发：通过实例项目，让学生掌握如何根据实际需求选择合适的嵌入式系统平台和应用软件，实现嵌入式系统的应用，并掌握如何进行测试和调试。
7.问题解决：通过案例分析，让学生了解在嵌入式系统开发中遇到的问题和故障，并掌握如何分析和解决这些问题，提高学生的实际操作能力和解决问题的能力。
四、教学方法与手段1.理论教学与实践教学相结合：通过课堂讲解、案例分析、实践操作等方式，让学生全面了解嵌入式技术的原理和应用。
《物联网课件-传感器与嵌入式系统的设计与应用》
3 数据价值
物联网的数据将成为数字时代的主要资产，对于商业与社会发展具有巨大的意义。
传感器的基本原理和分类
压电传感器
将压力、应力和加速度等机械信 号转化为电信号。
温度传感器
测量物体的热量，广泛应用于生 活和工业领域。
红外传感器
利用物体吸收、反射和发射红外 线的特性进行探测和测量。
气体传感器
可以监测气体浓度，从而判断空 气质量并采取相应措施。
商业应用
• 智慧城市和智慧家居 • 智能制造和物流管理 • 智能安防和监控
优化策略
对程序进行优化和压缩，减少代码大小和运行 时间，提高性能。
传感器的数据采集和数据处理
数据采集方法
• 模拟信号采集 • 数字信号采集 • 信号滤波和放大
数据处理方式
• 数据存储和传输 • 数据预处理和分析 • 深度学习和机器学习
物联网的应用特点和要求
低功耗
要求物联网设备有长时间工作 的能力，同时也需要降低能耗 以保证生态环境的可持续发展。
Raspberry Pi
功能强大的小型电脑，是学习编 程和制作嵌入式系统的好选择。
Keil
提供用于ARM等嵌入式系统开发 的综合软件开发环境。
嵌入式系统与互联网之间的通信方式
物联网通信协议
• HTTP协议 • MQTT协议 • CoAP协议
通信接口
• WiFi • 蓝牙 • 4G/LTE
物联网应用案例介绍
嵌入式系统的实时性和并发性
实时性
嵌入式系统需要及时、准确地响应来自传感器和外部设备的数据和信息，对实时性具有很高要求。
并发性
嵌入式系统需要支持多个任务的同时执行，同时应最大化利用处理器和存储器，提高系统的效率和吞吐量。
物联网与嵌入式系统(PPT57页)
另一方面，发展物联网将带动传感器、芯片、 设备制造、软件、系统集成、网络运营以及内 容提供和服务等诸多产业发展。
20
第二十页，共56页。
特点之三： 渗透范围广 物联网将物理基础设施和IT基础设
施整合为一体，将使全球信息化进程发展重要转 折，即从“数字化”阶段向“智能化”阶段迈进 (màijìn)。
本质是实体经济滞后于虚拟经济发展。
为摆脱金融危机，实现经济持续发展，主
要国家均将培育新的经济增长点作为“治 病良方”。
10
第十页，共56页。
代表性的物联网(lián wǎnɡ)事件
• 麻省理工学院1999: Auto-ID Center提出物联网 (IoT）。 • 2005年国际电信联盟（ITU）：“物联网”通信时代即将来临。 • 2008年11月IBM公司发表《智慧地球：下一代领导人议程》、
• 研究前沿 • 开放式中间件平台，满足低成本、可互动、模块抽象化
28
第二十八页，共56页。
6）硬件(yìnɡ jiàn)
• 物联网硬件的关键指标：尺寸、价格、功耗、数据预处理能力、
传输速率，需要如下研究配合：
• 射频应用环境分析：天线的类型（定向、非定向）、尺寸、发
射频率（ HF/UHF/SHF/EHF）、功耗、敏感度、覆盖面等；
须互相理解；
• 智能化的语义理解技术，使“物”之间可通过不同的通
信协议或自然语言可以进行沟通。
• 智能语义理解是物联网SOA架构的支柱 • 丰富(fēngfù)的理解与表达力，实现“物-物”联通下
分布式资源的使用；
• 模块化：可理解、构造复杂语句； • 可扩展、兼容，被不同“物”使用； • 学习能力：“物”与其他“物”交互，从而获得对自身、
20
第二十页，共56页。
特点之三： 渗透范围广 物联网将物理基础设施和IT基础设
施整合为一体，将使全球信息化进程发展重要转 折，即从“数字化”阶段向“智能化”阶段迈进 (màijìn)。
本质是实体经济滞后于虚拟经济发展。
为摆脱金融危机，实现经济持续发展，主
要国家均将培育新的经济增长点作为“治 病良方”。
10
第十页，共56页。
代表性的物联网(lián wǎnɡ)事件
• 麻省理工学院1999: Auto-ID Center提出物联网 (IoT）。 • 2005年国际电信联盟（ITU）：“物联网”通信时代即将来临。 • 2008年11月IBM公司发表《智慧地球：下一代领导人议程》、
• 研究前沿 • 开放式中间件平台，满足低成本、可互动、模块抽象化
28
第二十八页，共56页。
6）硬件(yìnɡ jiàn)
• 物联网硬件的关键指标：尺寸、价格、功耗、数据预处理能力、
传输速率，需要如下研究配合：
• 射频应用环境分析：天线的类型（定向、非定向）、尺寸、发
射频率（ HF/UHF/SHF/EHF）、功耗、敏感度、覆盖面等；
须互相理解；
• 智能化的语义理解技术，使“物”之间可通过不同的通
信协议或自然语言可以进行沟通。
• 智能语义理解是物联网SOA架构的支柱 • 丰富(fēngfù)的理解与表达力，实现“物-物”联通下
分布式资源的使用；
• 模块化：可理解、构造复杂语句； • 可扩展、兼容，被不同“物”使用； • 学习能力：“物”与其他“物”交互，从而获得对自身、
物联网系列专业课程之单片机与嵌入式概述(ppt 41页)
2019/10/16 / 22
A/D
A/D转换是把模拟量信号转化成与其大小成比例的数字信号； A/D的主要参数（CC2530）：
可选的抽取率，这也设置了分辨率（7 到 12 位） 8个独立的输入通道，可接受单端或差分信号 参考电压可选为内部单端、外部单端、外部差分或AVDD5 产生中断请求 转换结束时的DMA触发 温度传感器输入 电池测量功能
使功耗和成本下降、可靠性提高。 微控制器的片上外设资源一般比较丰富，
适合应用于控制领域。 微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。
2019/10/16 / 10
常用MCU平台比较
类别 8051 AVR PIC MSP430 STM32
架构 C51 RISC RISC RISC ARM
总线 8位 8位
Arduino是一个开放源码电子原型平台，拥有灵活、易用的 硬件和软件。 Arduino基于单片机/ARM微控制器，可以接收来自各种传感 器的输入信号从而做到监测环境的效果，并通过控制光源，电 机以及其他驱动器来影响其周围环境 Arduino的硬件原理图、电路图、IDE
软件及核心库文件都是开源的，在开源 协议范围内里可以任意修改原始设计及 相应代码。 硬件低廉，软件免费，入门简单 全球最流行的开源硬件 2019/10/16 / 32
嵌入式硬件设计
嵌入式方案选型设计：
性价比 先进性 软硬件资料
嵌入式硬件设计流程：
设计：方案论证->原理图->Layout ->样 板生产
调试：硬件检测->软硬件调试 生产：N次小批量->批量
嵌入式硬件功能调试：
电源、时钟 复位、JTAG 内存、Flash 总线、控制器
A/D
A/D转换是把模拟量信号转化成与其大小成比例的数字信号； A/D的主要参数（CC2530）：
可选的抽取率，这也设置了分辨率（7 到 12 位） 8个独立的输入通道，可接受单端或差分信号 参考电压可选为内部单端、外部单端、外部差分或AVDD5 产生中断请求 转换结束时的DMA触发 温度传感器输入 电池测量功能
使功耗和成本下降、可靠性提高。 微控制器的片上外设资源一般比较丰富，
适合应用于控制领域。 微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。
2019/10/16 / 10
常用MCU平台比较
类别 8051 AVR PIC MSP430 STM32
架构 C51 RISC RISC RISC ARM
总线 8位 8位
Arduino是一个开放源码电子原型平台，拥有灵活、易用的 硬件和软件。 Arduino基于单片机/ARM微控制器，可以接收来自各种传感 器的输入信号从而做到监测环境的效果，并通过控制光源，电 机以及其他驱动器来影响其周围环境 Arduino的硬件原理图、电路图、IDE
软件及核心库文件都是开源的，在开源 协议范围内里可以任意修改原始设计及 相应代码。 硬件低廉，软件免费，入门简单 全球最流行的开源硬件 2019/10/16 / 32
嵌入式硬件设计
嵌入式方案选型设计：
性价比 先进性 软硬件资料
嵌入式硬件设计流程：
设计：方案论证->原理图->Layout ->样 板生产
调试：硬件检测->软硬件调试 生产：N次小批量->批量
嵌入式硬件功能调试：
电源、时钟 复位、JTAG 内存、Flash 总线、控制器
嵌入式系统开发与物联网应用设计培训ppt与实践
总结词
嵌入式系统广泛应用于工业控制、智能家居、医疗设备、汽车电子等领域。
详细描述
嵌入式系统在工业控制领域中发挥着重要作用，如自动化生产线控制、智能制造等。在智能家居领域，嵌入式系 统应用于各种智能家电和家居安全监控系统。在医疗设备领域，嵌入式系统用于医疗仪器、诊断设备和远程医疗 系统等。在汽车电子领域，嵌入式系统用于汽车控制系统、安全气囊和车载娱乐系统等。
01
ARM处理器架构
ARM处理器以其低功耗和高性能的特点广泛应用于嵌入式系统开发。
了解ARM处理器的体系结构和指令集，掌握ARM汇编语言和C语言编
程是进行ARM嵌入式系统开发的基础。
02
ARM开发板
选择合适的ARM开发板，如STM32、Raspberry Pi等，进行实际操作
和实践。熟悉开发板的硬件接口和外设模块，掌握开发板的驱动程序开
详细描述
智能家居是物联网应用的重要领域之一，通过各种传 感器和智能设备实现家庭环境的智能化控制和管理； 智能交通则是通过各种传感器和通信设备实现交通管 理和优化；智能工业则是通过各种传感器和设备实现 生产过程的智能化和自动化。这些应用场景的实现原 理都是通过物联网技术实现数据的采集、传输和处理 ，从而实现对物理世界的智能化控制和管理。
06
CATALOGUE
物联网应用设计实践
基于LoRa的物联网应用设计实践
LoRa技术概述
LoRa是一种长距离无线通信技术，具有低功耗、长距离传输和网 络容量大的特点。
LoRa应用场景
适用于智能城市、智能农业、智能工业等领域，实现数据采集、远 程控制和自动化监测等功能。
LoRa应用设计实践
包括硬件选型、软件开发、网络部署和调试等环节，需要掌握 LoRa模块、网关和终端设备的使用方法。
嵌入式系统广泛应用于工业控制、智能家居、医疗设备、汽车电子等领域。
详细描述
嵌入式系统在工业控制领域中发挥着重要作用，如自动化生产线控制、智能制造等。在智能家居领域，嵌入式系 统应用于各种智能家电和家居安全监控系统。在医疗设备领域，嵌入式系统用于医疗仪器、诊断设备和远程医疗 系统等。在汽车电子领域，嵌入式系统用于汽车控制系统、安全气囊和车载娱乐系统等。
01
ARM处理器架构
ARM处理器以其低功耗和高性能的特点广泛应用于嵌入式系统开发。
了解ARM处理器的体系结构和指令集，掌握ARM汇编语言和C语言编
程是进行ARM嵌入式系统开发的基础。
02
ARM开发板
选择合适的ARM开发板，如STM32、Raspberry Pi等，进行实际操作
和实践。熟悉开发板的硬件接口和外设模块，掌握开发板的驱动程序开
详细描述
智能家居是物联网应用的重要领域之一，通过各种传 感器和智能设备实现家庭环境的智能化控制和管理； 智能交通则是通过各种传感器和通信设备实现交通管 理和优化；智能工业则是通过各种传感器和设备实现 生产过程的智能化和自动化。这些应用场景的实现原 理都是通过物联网技术实现数据的采集、传输和处理 ，从而实现对物理世界的智能化控制和管理。
06
CATALOGUE
物联网应用设计实践
基于LoRa的物联网应用设计实践
LoRa技术概述
LoRa是一种长距离无线通信技术，具有低功耗、长距离传输和网 络容量大的特点。
LoRa应用场景
适用于智能城市、智能农业、智能工业等领域，实现数据采集、远 程控制和自动化监测等功能。
LoRa应用设计实践
包括硬件选型、软件开发、网络部署和调试等环节，需要掌握 LoRa模块、网关和终端设备的使用方法。
物联网与智能设备培训教材
利用物联网传感器技术实现停车位实 时监测和预约停车等功能，缓解停车 难问题。
工业互联网平台搭建及实践案例
工业设备远程监控
01
利用物联网技术实现对工业设备的远程监控和预测性维护，提
高生产效率。
生产线智能化升级
02
通过物联网技术将生产线上的设备连接起来，实现生产过程的
自动化和智能化。
工业互联网安全防护
智能设备选购与使用注意事项
选购注意事项
选择知名品牌、注意设备兼容性、了 解设备功能和性能、考虑价格因素等 。
使用注意事项Leabharlann 认真阅读使用说明书、正确安装和配 置设备、注意设备保养和维护、及时 更新软件版本等。
维护保养与故障排除方法
维护保养方法
定期清洁设备、避免设备长时间运行、定期检查设备线路和接口等。
行业应用及市场分析
行业应用
物联网技术已经广泛应用于智能家居、工业制造、农业种植 、环境监测等多个行业，为传统行业转型升级提供了有力支 撑。
市场分析
随着物联网技术的不断发展和应用领域的不断拓展，物联网 市场规模将持续增长，同时竞争也将更加激烈，企业需要不 断创新以保持竞争优势。
02 智能设备基础知识介绍
安全审计与监控
对身份认证和访问控制进行实时 监控和审计，确保安全事件可追
溯。
漏洞扫描和风险评估方法
漏洞扫描方式
基于网络的漏洞扫描、基于主机的漏洞扫描等。
风险评估方法
定性评估、定量评估、综合评估等。
漏洞修复与风险管理
针对扫描出的漏洞进行及时修复，并制定风险管理计划，降低安 全风险。
05 物联网平台搭建与开发实 践指导
智慧城市交通系统
通过物联网技术构建智慧 城市交通系统，实现交通 信号的智能控制和车辆行 驶的优化调度。
工业互联网平台搭建及实践案例
工业设备远程监控
01
利用物联网技术实现对工业设备的远程监控和预测性维护，提
高生产效率。
生产线智能化升级
02
通过物联网技术将生产线上的设备连接起来，实现生产过程的
自动化和智能化。
工业互联网安全防护
智能设备选购与使用注意事项
选购注意事项
选择知名品牌、注意设备兼容性、了 解设备功能和性能、考虑价格因素等 。
使用注意事项Leabharlann 认真阅读使用说明书、正确安装和配 置设备、注意设备保养和维护、及时 更新软件版本等。
维护保养与故障排除方法
维护保养方法
定期清洁设备、避免设备长时间运行、定期检查设备线路和接口等。
行业应用及市场分析
行业应用
物联网技术已经广泛应用于智能家居、工业制造、农业种植 、环境监测等多个行业，为传统行业转型升级提供了有力支 撑。
市场分析
随着物联网技术的不断发展和应用领域的不断拓展，物联网 市场规模将持续增长，同时竞争也将更加激烈，企业需要不 断创新以保持竞争优势。
02 智能设备基础知识介绍
安全审计与监控
对身份认证和访问控制进行实时 监控和审计，确保安全事件可追
溯。
漏洞扫描和风险评估方法
漏洞扫描方式
基于网络的漏洞扫描、基于主机的漏洞扫描等。
风险评估方法
定性评估、定量评估、综合评估等。
漏洞修复与风险管理
针对扫描出的漏洞进行及时修复，并制定风险管理计划，降低安 全风险。
05 物联网平台搭建与开发实 践指导
智慧城市交通系统
通过物联网技术构建智慧 城市交通系统，实现交通 信号的智能控制和车辆行 驶的优化调度。
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• 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
Today
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”
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
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
• 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
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
4.6 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
• 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
• 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
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 究阶段
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
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
• 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
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
• 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
• 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
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
Today
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”
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
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
• 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
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
4.6 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
• 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
• 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
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 究阶段
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
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
• 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
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
• 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
• 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
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