何立民

（北京航空航天大學(xué)，北京 100191）

引 言

物聯(lián)網(wǎng)是連接到物理對象的互聯(lián)網(wǎng)。互聯(lián)網(wǎng)沒有物聯(lián)基因，必須依靠嵌入式系統(tǒng)將客觀世界形形色色的物理對象連接到互聯(lián)網(wǎng)上。首先通過嵌入式系統(tǒng)將物理對象變成一個智能化體系，然后將單個智能化體系或智能化系統(tǒng)的局域網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)相連，便成為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

物聯(lián)網(wǎng)中唯一的物聯(lián)基因在嵌入式系統(tǒng)中，嵌入式系統(tǒng)有全面的物聯(lián)接口通道。由于嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的隱蔽性特點，造成物聯(lián)網(wǎng)概念描述中嵌入式系統(tǒng)的缺失現(xiàn)象。這種缺失不利于物聯(lián)網(wǎng)的健康發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)人才的全面培養(yǎng)。

1 現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)概念的缺失

“物聯(lián)網(wǎng)”是近幾年才出現(xiàn)的一個大科技概念，沒有明確的定義，只有十分模糊的描述。

百度百科：物聯(lián)網(wǎng)這個概念，在中國早在1999年就提出來了，當(dāng)時叫作傳感網(wǎng)。其定義是：通過射頻識別（RFID）、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)相連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)概念?！拔锫?lián)網(wǎng)概念”是在“互聯(lián)網(wǎng)概念”的基礎(chǔ)上，將其用戶端延伸和擴(kuò)展到任何物品與物品之間，進(jìn)行信息交換和通信的一種網(wǎng)絡(luò)概念。

維基百科：物聯(lián)網(wǎng)就是把傳感器裝備到電網(wǎng)、鐵路、橋梁、隧道、公路、建筑、供水系統(tǒng)、大壩、油氣管道以及家用電器等各種真實物體上，通過互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)接起來，進(jìn)而運行特定的程序，達(dá)到遠(yuǎn)程控制或者實現(xiàn)物與物的直接通信。物聯(lián)網(wǎng)，即通過裝置在各類物體上的射頻識別（RFID）、傳感器、二維碼等，經(jīng)過接口與無線網(wǎng)絡(luò)相連，從而給物體賦予“智能”，實現(xiàn)人與物體的溝通和對話，也可以實現(xiàn)物體與物體相互間的溝通和對話，這種將物體連接起來的網(wǎng)絡(luò)被稱為“物聯(lián)網(wǎng)”。

在上面的描述中，不可避免地帶有初級階段的模糊與不完全：

① 認(rèn)為中國在1999年就提出了物聯(lián)網(wǎng)概念，顯然是國人情結(jié)，因為傳感網(wǎng)不是一個完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

② 沒有講清通過什么方法、什么手段使物體與互聯(lián)網(wǎng)相連。

③只強調(diào)感知。在流行的物聯(lián)網(wǎng)三個層次概念中，將底層確定為感知層是不全面的。因為物聯(lián)網(wǎng)底層的全面含義是感知，控制與交互（人－物交互、物－交互）。

④ 沒有強調(diào)物聯(lián)網(wǎng)無所不在的智慧特征。維基百科的描述中，“傳感器、二維碼等，經(jīng)過接口與無線網(wǎng)絡(luò)相連，從而給物體賦予‘智能’”，讓人摸不著頭腦，反倒是IBM的“智慧地球”有畫龍點睛之妙。

2 不該忽視的嵌入式系統(tǒng)

“嵌入式系統(tǒng)”一詞來源于30年前的計算機界。當(dāng)時，通用計算機以PC機形式走出機房，成為百姓大眾的工具，從事計算或嵌入到物理對象體系中，實現(xiàn)對象體系的智能化控制。為了區(qū)別這兩種不同的計算機形態(tài)與應(yīng)用模式，將前者稱為“通用計算機系統(tǒng)”，將后者稱為“嵌入式計算機系統(tǒng)”，簡稱“嵌入式系統(tǒng)”。PC機難以承擔(dān)起最廣泛的嵌入式應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)便走上了單片化道路，進(jìn)入到單片機（MCU）時代。這時，計算機界人士沒有跟進(jìn)到單片機的電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)進(jìn)入到后PC時代，通用計算機技術(shù)被大企業(yè)壟斷，大量計算機界人士進(jìn)入單片機領(lǐng)域后，便很自然地恢復(fù)了“嵌入式系統(tǒng)”概念。嵌入式系統(tǒng)是一個內(nèi)含嵌入式處理器，嵌入到物理對象中實現(xiàn)對象系統(tǒng)智能化的一個智力內(nèi)核。

嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的后臺隱含性特點，使得在許多物聯(lián)網(wǎng)的描述中都找不到嵌入式系統(tǒng)的身影。然而，當(dāng)人們進(jìn)一步追尋傳感器、RFID以及所有物理對象是如何連接到互聯(lián)網(wǎng)時，嵌入式系統(tǒng)便紛紛浮出水面。

傳感器連接成網(wǎng)，或與互聯(lián)網(wǎng)相連，首先是通過嵌入式系統(tǒng)將傳感器轉(zhuǎn)變成智能傳感器，然后通過智能傳感器連接成智能傳感器的局域網(wǎng)，或利用嵌入式系統(tǒng)的通信接口實現(xiàn)傳感器與互聯(lián)網(wǎng)的連接，而RFID與互聯(lián)網(wǎng)相連則是依靠嵌入式系統(tǒng)的RFID讀寫器來實現(xiàn)。這種將嵌入式系統(tǒng)隱去的物聯(lián)網(wǎng)描述是不完整的，不利于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的全面發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)人才的全面培養(yǎng)。

嵌入式系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)中具有舉足輕重的地位，不僅因為它是物聯(lián)網(wǎng)中唯一的物聯(lián)基因，更重要的是它構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)中所有的智能化終端，使它們有可能任意地組成各種智能型的局域物聯(lián)系統(tǒng)，并連接到互聯(lián)網(wǎng)中。例如物聯(lián)網(wǎng)家居中，所有家用電器都是內(nèi)嵌有嵌入式系統(tǒng)的智能家電；物聯(lián)網(wǎng)氣象站中，所有的氣象監(jiān)測儀器、傳感器都是內(nèi)嵌有嵌入式系統(tǒng)的智能儀器與智能傳感器；所有RFID都應(yīng)配備內(nèi)含嵌入式系統(tǒng)的讀寫器。通過嵌入式系統(tǒng)各種外部總線技術(shù)，如RS422／485總線、現(xiàn)場總線、CAN總線、ZigBee技術(shù)等，可以將這些智能化終端構(gòu)建成一個智能化的局域物聯(lián)系統(tǒng)（如智能家居、智能氣象站、RFID讀寫器的智能餐飲系統(tǒng)等）。給這些局域物聯(lián)系統(tǒng)配置相應(yīng)的互聯(lián)網(wǎng)接口，連接到互聯(lián)網(wǎng)上，便成為物聯(lián)網(wǎng)家居、物聯(lián)網(wǎng)氣象站、RFID的校園物聯(lián)網(wǎng)。

從智慧地球角度更能理解嵌入式系統(tǒng)的重要作用。智慧地球的智慧細(xì)胞是微處理器，如今散布在地球上的微處理器數(shù)以萬億計，其中只有1%是通用處理器，其余99%均為嵌入式處理器。嵌入式處理器以嵌入式系統(tǒng)方式實現(xiàn)了所有物聯(lián)終端、電子系統(tǒng)的智能化改造，使它們有可能構(gòu)建起一個具有全面智慧能力的局域網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

3 物聯(lián)網(wǎng)中嵌入式系統(tǒng)的物聯(lián)與互聯(lián)

下面深入探討嵌入式系統(tǒng)如何使物理對象與互聯(lián)網(wǎng)全面連接，從而實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)向物聯(lián)網(wǎng)的變革。

筆者在1990年出版的《單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計》一書中提出過單片機應(yīng)用系統(tǒng)的4個通道接口的概念，即前向通道的傳感器接口、后向通道的控制接口、人－機通道的人－機交互接口、相互通道的通信接口，如圖1所示。嵌入式系統(tǒng)是嵌入到物理對象中，實現(xiàn)物理對象的感知、控制、交互的一個智能化系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)有全局性的物聯(lián)應(yīng)用界面，它們?yōu)槲锫?lián)網(wǎng)提供了全面物聯(lián)與互聯(lián)的技術(shù)支持。

圖1 嵌入式系統(tǒng)的全局物聯(lián)界面

前向通道與后向通道實現(xiàn)與物理對象的連接。通過傳感器接口與各種傳感器相連，實現(xiàn)對物理對象的感知；通過控制接口連接到各種控制單元上，實現(xiàn)對物理對象的控制。

人－機通道的人機交互接口與各種鍵盤、顯示設(shè)備相連，實現(xiàn)了人與物理對象的交互，保證了物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中服務(wù)對象與物理對象的實時交互。

相互通道的通信接口是一個泛性接口。它以各種串行總線形式將眾多的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)連接起來，形成各種類型的嵌入式系統(tǒng)的局域物聯(lián)系統(tǒng)，也可以內(nèi)嵌或外接各種類型的互聯(lián)網(wǎng)接口，實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的單機物聯(lián)、局域物聯(lián)。此外，通過通信接口，還可以衛(wèi)星通信方式為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)獲取GPS的時空定位信息。

由此，我們便清晰地看到嵌入式系統(tǒng)如何通過上、下連接，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與物理對象相連。嵌入式系統(tǒng)向下連接到物理對象，向上連接到互聯(lián)網(wǎng)。不僅如此，嵌入式系統(tǒng)還有縱向連接，將單個嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)連接成局域物聯(lián)系統(tǒng)，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)與局域物聯(lián)系統(tǒng)相連，從而在局域物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上實現(xiàn)一個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，并給物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)以標(biāo)準(zhǔn)的時空定位信息。

4 物聯(lián)網(wǎng)的多種定義

物聯(lián)網(wǎng)是一個多學(xué)科的大概念，不同學(xué)科都有對物聯(lián)網(wǎng)的合理解釋，但都有其學(xué)科的局限性，在這種情況下，往往以一大段描述來代替其定義。過去，我們見到過對嵌入式系統(tǒng)的描述定義，如今，對物聯(lián)網(wǎng)的定義也是一大段描述。這是初級階段不可避免的現(xiàn)象。

當(dāng)前不妨以最簡單的感性語言，把物聯(lián)網(wǎng)定義成：連接到物理對象的互聯(lián)網(wǎng)。這種最簡單的定義不妨礙我們對物聯(lián)網(wǎng)的深入闡述：

①物聯(lián)網(wǎng)與物理對象的連接是通過嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)的。

② 嵌入式系統(tǒng)與物理對象呈緊耦合狀態(tài)，形成了一個智能化的對象系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)的所有節(jié)點與終端都內(nèi)含有微處理器，使物聯(lián)網(wǎng)呈現(xiàn)出智慧地球的基本特征。

③ 與互聯(lián)網(wǎng)連接的可以是單個嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)，也可以是多個嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的局域網(wǎng)。

④ 互聯(lián)網(wǎng)是廣域網(wǎng)，有眾多的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)，如三網(wǎng)融合、智能電網(wǎng)等。無論是廣域的互聯(lián)網(wǎng)，還是嵌入式系統(tǒng)的局域網(wǎng)，都有各種形式的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)。

5 物聯(lián)網(wǎng)的基本特點

物聯(lián)網(wǎng)是微處理器、嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)在高級階段交叉融合的產(chǎn)物，帶有鮮明的微處理器、嵌入式系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)特點，這些特點是智慧性、實時性、廣域性與虛實交互性。

（1）智慧性

微處理器是一個歸一化的智力內(nèi)核。它以通用計算機與嵌入式系統(tǒng)方式賦予物聯(lián)網(wǎng)所有節(jié)點、終端、服務(wù)器以無限的智慧能力。微處理器的無限數(shù)量與無限智慧，突出了物聯(lián)網(wǎng)智慧地球的智慧特征。

（2）實時性

實時性是嵌入式系統(tǒng)物聯(lián)應(yīng)用的基本要求。嵌入式系統(tǒng)與物理對象相連，在許多情況下，物理參數(shù)的感知、物理對象的控制、人－物交互、物－物交互，都是有實時性要求的任務(wù)進(jìn)程。

（3）廣域性

互聯(lián)網(wǎng)的無限時空與多種接入形式，使物聯(lián)網(wǎng)具有廣域性的應(yīng)用特點。物聯(lián)網(wǎng)可以在無限時空狀態(tài)下使用，也可以與不同介質(zhì)狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，如電信網(wǎng)、計算機網(wǎng)、電視網(wǎng)、智能電網(wǎng)等。

（4）虛實交互性

虛實交互性是物聯(lián)網(wǎng)二元化世界的空間交互特性?；ヂ?lián)網(wǎng)構(gòu)建了一個無限時空的虛擬世界，嵌入式系統(tǒng)則將互聯(lián)網(wǎng)延伸到真實世界的物理對象上。物聯(lián)網(wǎng)時代，原先虛擬世界中的許多交易行為都可以無縫地延伸到真實世界，實現(xiàn)虛擬世界與真實世界的交互。

6 本篇小結(jié)

① 物聯(lián)網(wǎng)是微電子學(xué)科、計算機學(xué)科、通信學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科交叉融合的一個大概念。每個學(xué)科都有對物聯(lián)網(wǎng)的合理詮釋，綜合起來，就能有較全面的理性認(rèn)識。

② 嵌入式系統(tǒng)是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中唯一的物聯(lián)基因。沒有嵌入式系統(tǒng)，便沒有互聯(lián)網(wǎng)向物理對象的延伸。

③ 嵌入式系統(tǒng)為物聯(lián)而生，有30多年的物聯(lián)史。嵌入式的應(yīng)用特點，使嵌入式系統(tǒng)一直處于后臺的隱蔽狀態(tài)，以至于人們在描述物聯(lián)網(wǎng)時把它忽略了。

④ 認(rèn)真研究嵌入式系統(tǒng)物聯(lián)界面，有利于對物聯(lián)網(wǎng)的深入理解，也有利于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。

［1］何立民.從資本經(jīng)濟(jì)到知識經(jīng)濟(jì)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

［2］何立民.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990.

［3］何立民.從嵌入式系統(tǒng)看現(xiàn)代計算機產(chǎn)業(yè)革命［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008（1）.

［4］何立民.從嵌入式系統(tǒng)視角看物聯(lián)網(wǎng)［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2010（10）.

［5］何立民.物聯(lián)網(wǎng)時代的嵌入式系統(tǒng)機遇［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2011（3）.