透视物联网中的三种类型的物

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在物联网概念的蝶变:从M2M到智慧地球中我们探讨了物联网的几种概念,最简单的,物联网就是由物连接起来的网络,可是,什么样的物能够连接到网络呢?物联网的物有什么样的特点呢?这是本文要探讨的话题。

什么是物

根据字面意思,物联网的物就是可以连接到物联网的物体,可连接性是物联网中的物区别于普通的物体的特征。

生活中的椅子,电视,风扇,微波炉,冰箱,灯泡等这些可以称为物联网中的“物”吗?
在连接到物联网的12种通信技术中,我们列举了各种可以帮助物连接到物联网的技术,逐一检查这些物是否能包含那些连接技术。一把木制椅子,如果嵌入了电子标签,超市有可能那么做,那么他就是物联网中的物,如果在出售时电子标签被取出,那它又降级成为普通的物。一个灯泡,如果能够联网,让你在远程控制,那么它就是物联网中的物了。

物联网中的物,就是能以某种方式连接到网络的物体。

物所具备的功能

连接只是物联网的一种表现形式,并不是目的,超市里衣服加了电子标签,是为了标识,而灯加上连接(常见的有zigbee的,wifi的等)是为了控制。通常来讲,物联网种的物至少需要提供如下功能:

- 标识信息(RFID标签,MAC地址)
- 信息采集(存储传感器值,传感器网络)
- 信息处理(处理指令和数据)
- 通信(采用连接技术发送和接收消息)
- 驱动(开关控制,电机控制)

如上这些功能,加在普通的物上,就能成为物联网的物。下面我们以加法的视角,将物联网的物分成三类。

电子标签+物

如在 物联网这个名字的由来一文中提到的,物联网(Internet of thing)这个词就来自电子标签+商品这个场景。

电子标签,英文即RFID(Radio Frequency Identification),是RFID技术的载体,具体技术可以参考连接到物联网的12种通信技术中NFC技术。

最基本的电子标签系统由两部分组成:
- 标签(Tag):由耦合元件及芯片组成,每个标签具有唯一的电子编码,通常就代表物体标识
- 读写器(Reader):读取(有时还可以写入)标签内电子编码信息的设备

电子标签+物的系统结构
在现实中,由于电子标签已经非常非常普及以及廉价,开发这类型的物主要是直接采购合适的电子标签,并嵌入到物,有的甚至是附在物上就可以,开发工作都集中在读写器那一侧。
电子标签+物的系统结构的系统结构图

常见案例
在生活中常见的这类物体有:超市带标签的衣服,各类卡(会员卡,一卡通,银行卡),ETC等

嵌入式+物

比电子标签再复杂一点,就需要物具有信息处理能力和通信能力,大多数这样的物都是嵌入式终端。

嵌入式系统(Embedded System),是一种嵌入机械或电气系统内部、具有专一功能和实时计算性能的计算机系统。从概念上,嵌入式系统还是属于计算机系统,类比常见的的个人用计算机来说,嵌入式系统是个专用系统,结构精简,在硬件和软件上都只保留需要的部分,而将不需要的部分裁去,这其中的主要原因,当然是成本,此外,嵌入式系统一般更便携、低功耗。

嵌入式系统的系统结构图
和PC机类似,嵌入式系统一般具有处理器,控制器,存储,输入,输出五大部分,如下图所示:
嵌入式系统的系统结构图
其中,控制器和运算器现在被合在一起被成为芯片,而存储器可分为内存和外存。输入输出设备总类非常多,常见的键盘,显示器,网络接口都是输入输出设备,输入输出设备也往往会根据应用功能而有不同的配置,例如可以不配键盘和显示器,也可以配置其它各种传感器。作为一个物联网的物,唯一要求必备的是网络接口,这样这个设备就可以连接到网络了。

另外从软件上看,则一般可以分成操作系统层和应用层,不过也存在一些嵌入式系统是无操作系统的,这个时候,开发者需要自行实现类似文件系统或者网络协议等部分的功能。

根据芯片的不同,嵌入式系统开发又可以分成如下三类:

单片机
单片机(Microcontrollers),又称单片微控制器,单片机诞生于1971年,经历了SCM、MCU、SoC三大阶段,详细信息请百度。
目前最常用的方式是采用MCU方式。

DSP
DSP叫做数字信号处理器,它的结构与MCU不同,加快了运算速度,突出了运算能力。可以把它看成一个超级快的MCU。

FPGA
FPGA叫做现场可编程逻辑阵列,本身没有什么功能,就像一张白纸,想要它有什么功能完全靠编程人员设计(它的所有过程都是硬件,包括VHDL和Verilog HDL程序设计也是硬件范畴,一般称之为编写“逻辑”。)。和单片机和DSP相比,FPGA成本要高一些,开发也要复杂一些,但是因为可以硬件编程,比较而言速度是最快的。

常见案例
我们见到的大部分的物联网中的物,都是一个嵌入式设备,例如工业领域的各种串口的,ModBus的设备,它们有很多是单片机设备;摄像头等音视频处理设备很大可能是DSP设备;用来做高精确度检测,测量的设备很大可能是FPGA设备,因为它们对运算速度要求比较高。

智能+物

如果说嵌入式系统是精简的PC,那么PC甚至比PC要更强大的系统能组成物联网中的物吗?当然可以。

能运行安卓(Android)的计算机系统是个典型的例子,安卓是一种基于Linux的自由及开放源代码的操作系统,主要用于移动设备,如智能手机和平板电脑。这一类设备往往具有强大的运算能力,丰富的外设接口,同时支持多种应用功能。

安卓的系统结构图
安卓设备的硬件结构与嵌入式设备没有差异,区别在于安卓是一个比较重量级的操作系统,对器件的选型有要求,对硬件资源的要求相对也较高。例如,安卓的早期版本仅支持部分arm架构处理器,再安卓3.2之后开始支持部分高通处理器,在4.1之后开始支持X86架构的处理器。当然,最新的安卓的兼容性就很广了,大部分的芯片厂家都有支持安卓的硬件平台了。

在谷歌官方网站上描述Android是一种基于Linux的开放源代码软件栈,下图所示为 Android 平台的主要组件:

Android 软件栈
(转自官网https://developer.android.com/guide/platform/

安卓的分支
安卓还有三个分支,方便开发不同类型的设备,它们分别是:
- Wear OS
- Android TV
- Android Auto
分别对应可穿戴,电视,智能汽车等类型的设备。

安卓设备的开发
安卓设备的开发也包含了硬件和软件的开发。
典型的安卓设备如安卓手机,和其它嵌入式设备硬件开发过程过程类似。
安卓的软件开发主要是驱动和应用开发。如果安卓设备在硬件上增加的输入输出,或者传感器是安卓支持的,就不需要做驱动开发。

安卓应用程序的开发,通常通过在Android SDK中使用Java作为编程语言来开发应用程序。开发者亦可以通过在Android NDK(Android Native开发包)中使用C语言或者C++语言来作为编程语言开发应用程序。同时Google还推出了适合初学者编程使用的Simple语言,该语言类似微软公司的Visual Basic语言。此外,Google还推出了Google App Inventor开发工具,该开发工具可以快速地构建应用程序,方便新手开发者。

常见案例
安卓设备在生活中已经很常见了,如电视盒子,智能电视,智能汽车,无人机,机器人等等。

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