物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)源頭：智慧、網(wǎng)絡(luò )與物聯(lián)

[導讀]物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)源頭是智慧源頭、網(wǎng)絡(luò )源頭與物聯(lián)源頭。智慧源頭是微處理器，萬(wàn)億個(gè)微處理器以通用處理器的桌面方式與嵌入式處理器的對象系統嵌入方式，將物聯(lián)網(wǎng)變成為智慧地球;網(wǎng)絡(luò )源頭的互聯(lián)網(wǎng)與...

　　物聯(lián)網(wǎng)的三個(gè)源頭是智慧源頭、網(wǎng)絡(luò )源頭與物聯(lián)源頭。智慧源頭是微處理器，萬(wàn)億個(gè)微處理器以通用處理器的桌面方式與嵌入式處理器的對象系統嵌入方式，將物聯(lián)網(wǎng)變成為智慧地球;網(wǎng)絡(luò )源頭的互聯(lián)網(wǎng)與局域物聯(lián)網(wǎng)連接，誕生了無(wú)限時(shí)空中，無(wú)限通達、真實(shí)世界與虛擬世界交互的物聯(lián)網(wǎng);物聯(lián)源頭是嵌入式系統的全面物聯(lián)體系，嵌入式系統為物聯(lián)而生，有四個(gè)歸一化的物聯(lián)界面。 

　　1 物聯(lián)網(wǎng)的源頭探索

　　物聯(lián)網(wǎng)是現代計算機知識革命高級階段的技術(shù)成果?，F代計算機知識革命起源于半導體集成電路。半導體集成電路榮獲了兩個(gè)諾貝爾物理學(xué)獎，是2O世紀人類(lèi)最偉大的發(fā)明。它以晶體管顆粒歸一化的時(shí)空量子化技術(shù)，開(kāi)始了超越18世紀產(chǎn)業(yè)革命的人類(lèi)知識革命。18世紀蒸汽機的產(chǎn)業(yè)革命，以歸一化的動(dòng)力機械內核方式，將人類(lèi)社會(huì )從農耕文明推進(jìn)到工業(yè)文明;20世紀現代計算機的知識革命，以歸一化的微處理器智力內核方式，將人類(lèi)社會(huì )從工業(yè)文明推進(jìn)到知識文明。相對于轟轟烈烈的蒸汽機產(chǎn)業(yè)革命，半導體微處理器的后臺性、專(zhuān)業(yè)性、隱蔽性特點(diǎn)，形成了微處理器基礎上現代計算機靜悄悄的、空前偉大的革命。 

　　人們可以沿著(zhù)現代計算機知識革命的歷史路徑尋找到物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)源頭。半導體集成電路基礎上的微處理器奠定了物聯(lián)網(wǎng)的智慧源頭;通用微處理器的計算機網(wǎng)絡(luò )形成了物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )源頭;嵌入式微處理器則是物聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)源頭。 

　　2 物聯(lián)網(wǎng)的智慧源頭

　　物聯(lián)網(wǎng)的智慧源頭是微處理器。萬(wàn)億個(gè)微處理器以通用計算機的智慧網(wǎng)絡(luò )方式與嵌入式系統智慧物聯(lián)方式形成了物聯(lián)網(wǎng)的智慧地球特征。 

　　微處理器的智慧能力體現在它的體系結構之中。微處理器中有中央處理器、指令系統、中斷系統、總線(xiàn)系統，這四大部件可以圓滿(mǎn)地實(shí)現人類(lèi)的智力行為。利用中央處理器的數據處理能力，通過(guò)建模、解算、數據分析、信號處理，表現出人類(lèi)智力的思考性特征;通過(guò)指令系統的程序設計，可以提供人類(lèi)智力行為的多種選擇，表現出人類(lèi)智力的***性特征;微處理器的中斷系統可以根據內外部條件，隨時(shí)中斷正在運行中的程序，轉而執行另外一個(gè)程序，并能在完成中斷服務(wù)后返回原來(lái)被中斷的程序中，表現出人類(lèi)智力的應急性特征;處理器的快速運行，可以滿(mǎn)足人類(lèi)智力實(shí)時(shí)性的要求;微處理器的總線(xiàn)系統，是微處理器內部與外部世界聯(lián)系的通道，表現了人類(lèi)智力的交互性特征。人類(lèi)智力的本質(zhì)知識基礎上的行為能力。微處理器內部及外圍擴展的存儲器，可實(shí)現知識存儲，從而奠定了人類(lèi)智力的知識基礎。由此可見(jiàn)，微處理器是一個(gè)具有人類(lèi)智力行為能力的智力內核。 

　　微處理器是數字時(shí)空量子化技術(shù)基礎上的歸一化智力內核。數字時(shí)空量子是一種與具體物質(zhì)無(wú)關(guān)的0、1二值化空闖狀態(tài)和0、1二值化的開(kāi)關(guān)進(jìn)程?，F階段數字時(shí)空量子表現集成電路中晶體管的時(shí)空狀態(tài)。集成電路中，晶體管顆粒的開(kāi)、關(guān)狀態(tài)是0、l二值化空間量子，晶體管顆粒的開(kāi)、關(guān)進(jìn)程是0、1二值化的時(shí)間量子。 

　　與具體物質(zhì)無(wú)關(guān)的數字時(shí)空量子為微處理器智力內核提供了無(wú)限的技術(shù)發(fā)展前景，當硅半導體集成電路的時(shí)空量子技術(shù)走到盡頭時(shí)，人們可以尋找其他更微小的時(shí)空量子載體，如石墨稀的二維碳原子“晶體管”或電子正、反旋二值化時(shí)空狀態(tài)的“晶體管”。當具體物質(zhì)轉移后，微處理器的智力結構與智力的軟件表現形式不變。 

　　3 物聯(lián)網(wǎng)的物聯(lián)源頭

　　物聯(lián)網(wǎng)唯一的物聯(lián)源頭是嵌入式系統。嵌入式系統是內含有嵌入式處理器，實(shí)現嵌入式應用的智能化電子系統。全面的物聯(lián)狀態(tài)、歸一化的物聯(lián)界面、無(wú)限的物聯(lián)應用，是嵌入式系統的歷史寫(xiě)照。 

　　嵌入式系統有歸一化的結構體系與全局性的物聯(lián)界面，可以嵌入到對象體系中，與物理對象耦合成一個(gè)個(gè)嵌入式應用系統。比如，與傳感器相耦合成智能傳感器，嵌入到洗衣機中成為自動(dòng)洗衣機的智能控制器，嵌入到變頻空調中成為空調的變頻控制器，給嵌入式系統添加相應功能模塊以及顯示屏、鍵盤(pán)、大容量存儲器、通用接口等外設，可構成廣泛應用的手機、PDA、電子書(shū)等IT產(chǎn)品等。從這些形式多樣的智能化工具中，可以抽象出一個(gè)歸一化的嵌入式應用系統。如圖l所示，嵌入式應用系統有三個(gè)層次的軟、硬件結構與四個(gè)歸一化的物聯(lián)界面。 

　　嵌入式應用系統的三個(gè)硬件層次是，嵌入式處理器、嵌入式系統與嵌入式應用系統。嵌入式處理器是嵌入式應用系統的智力內核，在智力內核基礎上配置四個(gè)物聯(lián)端口便成為嵌入式系統。將嵌入式系統嵌入至U對象體系中，實(shí)現對象智能化控制的電子系統，是嵌入式應用系統。 

　　四個(gè)歸一化的物聯(lián)界面，是歸一化感知接口、歸一化控制接口、歸一化人機界面、歸一化信息傳輸道道。 

　　(1)歸一化的感知接口

　　前向通道的傳感器接口，是嵌入式系統的輸入端日，是一個(gè)歸一化的感知接口。所有與外部世界物理信息的感知，都要經(jīng)過(guò)這一端口完成物理信號到數字化信息的轉化。例如，開(kāi)關(guān)信號、頻率信號要轉化成標準電平下的0、1狀態(tài)信息;模擬信號要通過(guò)A/D轉換電路轉化成二進(jìn)制的數字信息。 

　　(2)歸一化的控制接口

　　后向通道的控制接日，是嵌入式系統的輸出端口，是一個(gè)歸一化的控制接口。所有的對外部世界物理對象的控制，都要經(jīng)過(guò)這一端口完成數字歸一化控制信息到對象系統控制信號的轉化。例如，將0、1的控制信息轉化成電平的開(kāi)、關(guān)控制信號;將變頻電機的變頻控制信息轉化成PWM 控制信號;將物理對象的二進(jìn)制數值控制信息通過(guò)D/A轉換電路轉化成電平控制信號，從而完成真實(shí)世界的數字歸一化控制。 

　　(3)歸一化的人一機界面

　　人機通道的人一機接口，是嵌人式系統的輸入、輸出端口，是一個(gè)歸一化的人一機交互界面。多元化的人一機交互方式，如各種類(lèi)型的鍵盤(pán)、顯示器、音視頻設備的人機交互等，都要歸一化成輸入、輸出端目的標準化結構與通信協(xié)議。人機通道的基礎是嵌入式系統的串行接口，以及由此衍生的各種串行總線(xiàn)，如I?C總線(xiàn)、單總線(xiàn)、SPI串行接口等多元化的串行輸入/輸出通道。 

　　(4)歸一化的信息傳輸通道

　　通信通道的互聯(lián)接口是嵌入式系統的歸一化信息傳輸通道。為嵌入式應用系統之間、嵌入式應用系統與互聯(lián)網(wǎng)之間通信提供標準的通信手段 通信方式可以有多種有線(xiàn)與無(wú)線(xiàn)方式。通常，將滿(mǎn)足信息傳輸要求的硬件電路與通信協(xié)議棧內嵌到嵌入式系統中，或制成可在嵌入式系統外部擴展的專(zhuān)用通信芯片。

圖1 嵌入式應用系統的結構與物聯(lián)界面 

　　4 物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )源頭

　　物聯(lián)網(wǎng)有無(wú)限大的應用領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)應用系統則是一個(gè)與互聯(lián)網(wǎng)相連的局域物聯(lián)系統。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )源頭有互聯(lián)網(wǎng)的廣域網(wǎng)與嵌入式系統的局域物聯(lián)網(wǎng)。 

　　(1)互聯(lián)網(wǎng)的廣域網(wǎng)

　　互聯(lián)網(wǎng)是全球性無(wú)限時(shí)空、無(wú)限通達的廣域網(wǎng)?；ヂ?lián)網(wǎng)通信沒(méi)有時(shí)空限制，也不受局部通信鏈路故障的影響?；ヂ?lián)網(wǎng)的全球性特征還表現在它遵從全球化公共利益的技術(shù)特征，按“包交換”方式連接的分布式網(wǎng)絡(luò )不存在中央控制，也無(wú)法把互聯(lián)網(wǎng)封閉在一個(gè)國家之內?；ヂ?lián)網(wǎng)的根本作用是為人們的交流服務(wù)，而不單純是用來(lái)計算。 

　　構成互聯(lián)網(wǎng)的途徑有多種多樣，計算機網(wǎng)、公共電信網(wǎng)、有線(xiàn)電視網(wǎng)，甚至智能電網(wǎng)，它們都是信息網(wǎng)、人文網(wǎng)，與物理對象沒(méi)有直接聯(lián)系。 

　　(2)嵌入式系統的局域物聯(lián)網(wǎng)

　　嵌入式系統的局域物聯(lián)網(wǎng)，是以嵌入式系統為核心，與物理對象相連，局部地區應用環(huán)境下，滿(mǎn)足TCP/IP的傳輸協(xié)議要求，具有網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，動(dòng)態(tài)路由的數據傳輸系統。 

　　早期的單片機沒(méi)有通信總線(xiàn)，單片機應用系統都是單個(gè)的系統。1982年前后，Intel公司為UPI-44系列單片機配置了BIT BUS總線(xiàn)，其后各種總線(xiàn)層出不窮，如早期的BIT BUS、STD 總線(xiàn)，后來(lái)的RS422/485總線(xiàn)、現場(chǎng)總線(xiàn)、CAN 總線(xiàn)等。通過(guò)這些總線(xiàn)將一個(gè)個(gè)嵌入式應用系統連接成嵌入式系統的局域分布式物聯(lián)系統，如CAN 總線(xiàn)的汽車(chē)電子、機器人、工業(yè)控制、智能家居等局域物聯(lián)系統。無(wú)線(xiàn)數據傳輸網(wǎng)絡(luò )(如ZigBee)推出后，嵌入式系統才有了真正的局域物聯(lián)網(wǎng)，它既滿(mǎn)足了局域網(wǎng)的協(xié)議要求以及網(wǎng)絡(luò )拓撲結構、動(dòng)態(tài)路由的數據傳輸要求，又有全面的物聯(lián)界面。 

　　(3)局域物聯(lián)網(wǎng)與廣域網(wǎng)互連

　　嵌入式系統的局域物聯(lián)系統或局域物聯(lián)網(wǎng)受地域環(huán)境限制，與無(wú)限時(shí)空、無(wú)限通達的互聯(lián)網(wǎng)連接后，便形成了無(wú)限通達、無(wú)限時(shí)空應用的物聯(lián)網(wǎng)。例如，由CAN 總線(xiàn)構成的汽車(chē)電子系統是局限在一輛汽車(chē)中的局域物聯(lián)系統，當延伸到互聯(lián)網(wǎng)后，便可將單輛汽車(chē)納入城市交管的物聯(lián)網(wǎng)系統中。物聯(lián)網(wǎng)交管系統可隨時(shí)隨地實(shí)時(shí)地了解車(chē)輛狀況、行駛狀態(tài)、違章事件等。又如，當一個(gè)智能家居延伸到互聯(lián)網(wǎng)后，成為無(wú)限時(shí)空、無(wú)限通達的物聯(lián)網(wǎng)家居后，家居主人可以在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)與家居中的物聯(lián)對象實(shí)時(shí)交互。 

　　通常，局域物聯(lián)網(wǎng)與廣域網(wǎng)互連是局域網(wǎng)的一種上聯(lián)行為，即局域物聯(lián)網(wǎng)向互聯(lián)網(wǎng)延伸。通過(guò)局域物聯(lián)網(wǎng)中主控節點(diǎn)內含的互聯(lián)網(wǎng)接口，或在外部擴展一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)接口芯片，與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)。