从嵌入式系统视角看物联网 何立民 （北京航空航天大学，北京１００１９１） 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 ｍｉ— ｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ．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，ｉｎｆｏｒ— ｍａｔｉｏｎ，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２Ｏ多年的物联史，嵌 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 入式系统视角有助于深刻地、全面地理解物联网的本质。 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 １ 从嵌入式系统看物联网 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。 赫半导体 微处理器／ ｃ 蓑）＜器 二处理器 （智慧物联） ～ … ｌ 蕹 目 ’是冀一 ；； 一互联（信息 网＼ ｊ 霪 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 与嵌入式系统一样，与物联网相关的学科有微电子学 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。 ｐａｐｅｒ＠ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｅｎ（投稿专用） Ｍｉｃｒ。ｃ。ｎｔｒ。１１ｅｒｓ＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ ５ 业界论坛 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 状态信息，还可提供物理对象的时空定位信息。 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人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 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 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３Ｏ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，进人２１世纪，才进人 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 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， 时将视频监控系统接人互联网，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 实现物理对象的智能化。２０年前，笔者在《ＭＣＳ一５ｌ系列 单片机应用系统设计》 ］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。 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 物ｊＩ 传 数１ 人一物交互 物一物交互 物 理 对 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。 象 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。 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 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 联的是后向通道的控制接口；实现人一物交互的是人机交 互接口；实现物一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 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。 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，或接人互联网，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ＲＳ一４８５总线网、ＣＡＮ总线网、现场总线网，以 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”， 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 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 ６《羊‘；机 蒜入式禾惋启冈》＿圈田固＿ｌ豳ｌ咖 ａｄｖ＠ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｏｎ（广告专用） 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 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人式应用系统与ＧＰＳ系 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 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 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 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。 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。 ４．５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、数据信息采集、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。 ４．１ 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。 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。嵌人式应用系统中的４个物联界面，即传 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 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。 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。 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 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 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，可以实现人一 物交互、人一物一人交互、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 系统中传感器的数字采集。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 ｐａｐｅｒ＠ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｍ．ｏｎ（投稿专用） 们各司其职。 Ｍｉｃｒ０ｃ０ｎｔｒ０ｌ１ｅｒｓ＆Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ 一 ， 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 航天大学出版社，ｌ９９０． Ｅ２］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）． 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。 Ｅ３］何立民．从嵌人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）． 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 Ｅ４］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）． 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。ｌ譬 参考文献 ［１］何立民．ＭＣＳ一５１系列单片机应用系统设计［Ｍ］．北京航空 Ｅ５］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，２０ｏ９（１）． （收稿日期：２０１０—０８—１１） 何立民教授专著《从资本经济到知识经济》出版 本书以现代计算机知识革命、产业革命、生活方式革命的视角，从理论上论述了人类如何从资本经济时代走上知识经济时代。 全书共分三篇，即“知识学基础”、“知识经济探索”和“社会问题思考”。 “知识学基础”讲述了知识的基本概念，人类智力的知识行为本质，第三种知识形态，人类知识发展史，知识的分离性、集成性、 非线性发展规律。 “知识经济探索”讲述了现代计算机产业革命、知识经济的产业分工与扇形产业结构、知识平台的全球化经济、虚实交互的现代 市场经济、现代市场经济理性批判。 “社会问题思考”讲述了人类三次浪潮的巨大变革、巨大变革与现代市场经济引发的社会问题、不断强化的人工生态环境、人工 生态环境中人类的另类进化、人类智力替代的边缘化进程、霍金教授世纪难题的试解。 本书的介绍，参见链接：ｈｔｔｐ：／／２１０．５１．１８４．９８／ｍｅｓ／ｍａｇａｚｉｎｅ／ｈｂｏｏｋ．ｈｔｍｌ 何立民谈：我为什么要写《从资本经济到知识经济》 这儿年经常有人常问我，最近干什么呢？我总是模糊地回答说，写点东西。《从资本经济到知识经济》这本书出版了，我终于可 以明确地回应大家，我为什么要写这本书。 １Ｏ年前，在醯酿这本书的时候，我并没有意识到我正在进入一个巨大的、前所未有的领域，即源于集成电路，始于微处理器的 现代计算杌知识革命。这是一个远远超出１８世纪工业革命的伟大事件。然而，现代计算机知识革命远远没有工业革命轰轰烈烈 的直观感，它的Ｅ惫蔽性、专业性，让许多经济学家、未来学者失之交臂。 阿尔文・托夫勒在１９８０年出版的《第三次浪潮》将人类社会划分为“农耕文明”浪潮、“工业文明”浪潮与上世纪６Ｏ年代诞生的 “第三次浪潮”。２６年后他在《财富的革命》一书中，把“犁、生产线、计算机”作为三个浪潮的三个财富体系，似乎触及到了现代计算 机知识革命的核心力量一计算机。然而，他在书中写道：“今天，全世界共有８亿多台个人电脑，…电脑微处理器远远超过了５０００ 亿个。许多微处理器中所合有的晶体管（开关装置）数量超过了１亿个。”托夫勒象许多专家、学者一样，并没有追问那剩余的４９００ 多亿个微处理器那里去了。幸运的是，所有单片机与嵌入式系统界的人士都被卷入到那４９００多亿个微处理器的现代计算机知识 革命的漩涡之中，领略了半导体集成电路、微处理器的神奇与奥妙。十多年来我一直追寻那神奇、奥妙背后的东西，并有一种舍我 其谁的使命感。 ． 这本书并不是一本成熟的书。时间的紧迫感使我不得不在基本观念业已形成的情况下推出这本书。余下的时间里，我会进一 步详细地疏理本书中的观点，以弥补本书的不足。 在这里，我要感谢本书责任编辑马广云同志在本书编辑过程中付出的幸勤劳动；感谢北航出版社的老社长许传安，使我在离 开高校教学第一线后仍然能战斗在单片机与嵌入式系统的漩涡之中；感谢现任北航出版社社长张德生，他花费了大量时间来审读 这本书稿；感谢杂志社同仁们在岗位上主动积极的工作，使我有较充裕的时间可以用于写作；感谢嵌入式系统联谊会的专家们，使 我有机会与众多领域的众多专家们交流思想。最后还要感谢本社的黄欣娟，她把这本书稿转成了电子版，读者可以在网上看到本 书的内容介绍。 ８《平‘；机 嵌入式彖优应国》ｌ墨田回国嗣函ｌ卿 ａｄｖ＠ｍｅｓｎｅｔ．ｃｏｎｒ．ｃｎ（广告专用）