嵌入式系统与物联网的关系

一、物联网与嵌入式的基本概念
- 物联网
- - 定义
  - - 定义 1
    - 定义 2
    - 定义 3
    - 定义 4
- 嵌入式
- - 定义
  - - IEEE 的定义
- 嵌入式与物联网的区别和联系
二、从构成模型看物联网与嵌入式
三、物联网时代嵌入式系统的华丽转身
- 从计算机的历史说起
- - 嵌入式应用环境
  - 物联应用本质
- 从单片机到嵌入式系统的华丽转身
- 从嵌入式系统到物联网的华丽转身
参考文献：

一、物联网与嵌入式的基本概念

物联网

随着信息技术的不断发展和 5G 网络的建设使用，越来越多的“物”以各种各样的方式接入到网络中，它们相互交流，从而实现信息的交换、传输及利用。这些接入网络的“物”的数量巨大、类型繁多。各种各样的“物”大量接入网络，导致网络越来越巨大，也越来越复杂，问题也越来越多，这样就需要得到新的理论与技术架构支持，因此“物联网”( Internet of Things) 这个概念就开始浮出水面。

定义

学术界上曾有学者表示物联网就是“物物相连的互联网”。其有两层意思:

第一，物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络;
第二，其用户端延伸和扩展到了任何物体与物体之间，进行信息交换和通信。

或者认为: 物联网就是无线传感器网络; 物联网是 RFID 网络等。

以上定义从互联网的角度上来分析定义物联网，从而可以得到: 互联网是物联网的子集; 物联网的支撑技术之一是网络与通信技术。

目前对物联网的一些定义:

定义 1

国际上通用的物联网的定义是: 通过射频识别( RFID) 、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现对物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。

定义 2

物联网是集成在未来网络中的整合部分，是一个基于标准的、可交互的通信协议，具有自我配置能力的动态全球网络，在这个网络中，物理和虚拟的物具有标识、物理属性和虚拟人格，并使用智能接口无缝地接入信息网络。

定义 3

中国通信标准化协会对于物联网的定义是: 通过部署具有一定感知、计算、执行和通信等能力的各种设备，获得物理世界的信息，通过网络实现信息的传输、协同和处理，从而实现广域的人与物、物与物之间信息交换的互联的网络。

定义 4

“物联网”是利用无所不在的网络技术( 有线的、无线的) 建立起来的，其中非常重要的技术是 RFID 电子标签技术。它是以简单 RFID 系统为基础，结合已有的网络技术、数据库技术、中间件技术等，构筑的一个由大量联网的阅读器和无数移动的标签组成的，比 Internet 更为庞大的网络。物联网成为RFID 技术发展的趋势。在这个网络中，系统可以自动地、实时地对物体进行识别、定位、追踪、监控并触发相应事件。

上述物联网定义 1 ～ 3 主要是认为物联网是互联网的扩展，联网的对象不再局限于数字设备，可以是具体的物，如建筑物、动植物、杯子、椅子等，其次描述了物联网具有的能力，如: 感知、计算、执行和通信等;定义 4 说明了物联网技术不是一个全新的技术的产物，它集成了许多当前的科学技术。

综上所述，从技术的角度分析，物联网不是一种单一的新奇技术的产物，而要实现其功能必须得到一些已有技术的支撑: 如射频识别技术、传感器技术、电子技术、通信技术、智能信息处理技术、嵌入式计算技术等。这些技术能使物体设备具有感知、计算、执行、协同工作和通信能力，因此，物联网是一种由各种技术融合的综合性技术。

嵌入式

嵌入式系统现在已经不再是一个陌生的概念，它以微处理器芯片为中心，是随着微处理器的出现而诞生的。经过几十年的发展，嵌入式系统已经从非常简单的系统走向了复杂的系统。从 Intel 4004 微处理器芯片出现开始，人们将其用于控制设备的输入输出中，这也是一个典型的嵌入式设备，主要应用于航空航天器上。在 20 世纪 80 年代早期，出现了 16 位 6800芯片，嵌入式系统可以处理复杂的应用，不再单纯是控制输入输出了。随着芯片技术和接口技术的发展，出现了各种各样的嵌入式系统，为了满足用户日益增多
的需求，系统变得越来越复杂、功能也越来越多。

定义

IEEE 的定义

嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的设备”。

从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前国内一个普遍被认同的定义是: 以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

同样从技术的角度看，嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各行业的具体应用相结合后的产物。根据不同的应用，嵌入式系统也会用到许多其他的技术，比如说: 通信技术、传感器技术、智能信息处理技术、自动控制技术等。

嵌入式与物联网的区别和联系

从两者的定义来看：

物联网强调的是物联网中设备具有感知、计算、执行、协同工作和通信能力及能提供的服务;
嵌入式系统强调的是嵌入到宿主对象的专用计算系统，其功能或能提供的服务也比较单一。

嵌入式系统具有的功能是物联网设备的功能的一个子集，但是它们之间的差异将越来越小。简单的嵌入式系统与物联网定义中的设备或者物有较大的区别，具有的功能不如物联网中的设备或者物，

从技术的角度来看，首先物联网与嵌入式系统都是各种技术融合的综合性技术，融合的技术大致相同，其次物联网技术中又包含有嵌入式系统技术。如下表所示：

二、从构成模型看物联网与嵌入式

关于“物”，根据亚里士多德和菲洛波努斯对物的哲学思考，即物的“分类法”和“物有灵魂的本质”，可以从哲学的角度来定义“物”，即物不局限于物理世界真实的物品，也包括虚拟的物品以及与物联系在一起的事件。

那么物联网之物可以被定义为在时空中可以被识别的、真实存在或数字虚拟的实体。

当前许多日常物品已经嵌入微处理器，并不断地推陈出新，在原来的基础上增加新功能和通信接口等。比如: PDA 从原来不带无线通信接口的 PDA，发展到现在带有 WiFi、Bluetooth 的PDA。随着先进的半导体技术和软件技术的发展，包含有微计算器、存储器、软件、具有传感器与执行体接口的微处理器已经能比较容易地植入日常物品。

因此只要增加物品的网络接口，人和机器能够通过因特网远程监视和控制物品。还有，将传感器整合到物体中，那么它们自身就能相互交换信息，服务器或人也能远程监视它们。此外，改进软件系统使其变得更智能，无论是在有人还是无人干预的情况下，寄生在服务
器和连接在网络上的物品中的智能计算软件系统根据服务器或物品的状态都能产生事件序列。

物联网之"物"的构成模型（左）与嵌入式系统构成模型（右）

总之，互联网从连接计算机的网络走向了连接对象的网络（即物联网）要归功于与嵌入式微处理器、传感器、执行体、网络接口结合的对象能无缝地接入。而物联网中的物必须具有相应的属性和能力。

三、物联网时代嵌入式系统的华丽转身

微处理器诞生后立即分化出通用处理器与嵌入式处理器。通用处理器用来构成通用计算机，嵌入式处理器用来构成嵌入式应用的微控制器。微控制器有单片、嵌入、物联三个基本特点。３０年来微控制器经历了三个不同的应用时代，即单片机时代、嵌入式系统时代、物联网系统时代。

因此说嵌入式系统是单片机的华丽转身，物联网系统是嵌入式系统的华
丽转身。每次华丽转身都对应有重大的变革。

从计算机的历史说起

物联网概念诞生后，出现了一个外人难以理解的“怪现象”：几乎一夜之间，高校中便有了几十个物联网专业，原有的嵌入式系统实验室、单片机实验室改成了物联网实验室，多年不变的智能家居变成了物联网家居。

ＰＣ机诞生后，微型计算机领域中出现了数值计算与嵌入式控制两种应用要求。计算机界为了区别两种不同应用要求的计算机，将用于数值计算的桌面计算机称为通用计算机系统；将满足嵌入式控制应用要求的控制型计算机称为嵌入式计算机系统，简称嵌入式系统。

后来，由于微型计算机无法满足嵌入式控制要求，便中止了嵌入式计
算机系统的探索。

与此同时，人们发现，早在PC机诞生前，在微处理器的基础上就已经诞生了专门满足嵌入式控制应用要求的微控制器，并开始了长达２０年的单片机时代，从而造成早期嵌入式系统与单片机的历史误会。到了２０世纪末，大量计算机界人士进入嵌入式控制领域，将实现嵌入式控制应用的微控制器称作“嵌入式系统”，从而形成了如今微控制器应用中。

嵌入式应用环境

单片微控制器的微小体积与价位，最大限度地满足了空间环境要求与市场要求；固化的只读程序存储器、突出控制功能的指令系统与体系结构，满足了对象控制的可靠性要求。

因此，单片微控制器诞生后，迅速取代经典电子系统，嵌入到对象体系（如家用电器、智能仪器、工控单元等）中实现对象体系的智能化控制。

随着微控制器外围电路、接口技术的不断扩展，出现了一个个ＩＴ产品的公共平台，衍生出众多的ＩＴ产品，如手机、ＰＤＡ、ＭＰ３、ＭＰ４、电子辞典、电子书、数码伴侣等。这些产品没有明确的嵌入对象，体现了微控制器的内嵌式应用，即它们内部一定嵌有一个微控制器。这样一来，嵌入式应用的概念便从原来“嵌入”扩展到“内嵌”的全面嵌入式应用。

物联应用本质

微控制器为物联而生，物联是微控制器与生俱来的本质特性。早在微处理器诞生时期，通用处理器与嵌入式处理器两大分支的历史性分工中，就赋予了嵌入式处理器的物联使命。

要实现导弹的飞行控制，就必须将微控制器嵌入到导弹中，与导弹的仪表系统、控制机构，甚至与控制中心计算机相连，完成飞行参数的感知，在快速运算决策后控制导弹的飞行姿态。

从单片机到嵌入式系统的华丽转身

１９７４年，第２代微处理器８０８０诞生后，半导体产业领域中迅速掀起了一股单片微控制器的应用热潮，出现了众多型号的单片微控制器，为电子技术领域提供一个个智能化改造的智力内核。因此，单片微控制器诞生后，立即进入到电子技术领域。半导体厂家的技术支持，低廉的硬件成本与开发装置，易被电子工程师掌握的汇编语言编程技术，很快便掀起了传统电子系统智能化的改造热潮。

传统电子系统的智能化改造，是专业领域（如自动控制、仪器仪表、家用电器等）对象系统的智能化改造，是半导体厂家与对象系统领域电子工程师的合作应用模式。

计算机界专业人士很难介入这种对象系统的智能化产品开发，形成了电子技术领域电子工程师单打独斗的局面。这是一个２０年微控制器应用的缓慢发展期。计算机工程方法的欠缺，电子技术应用模式的局限性，严重制约了微控制器应用技术的发展。

正当单片机时代陷入困境时，计算机专业领域迎来了后ＰＣ时代。即以ＰＣ机为代表的微型计算机技术已进入到大企业（Ｉｎｔｅｌ公司和微软公司）垄断性的发展时代，群众性的微型机科技时代已经结束。受日益高涨的微控制器市场吸引，大批计算机专业人士进入微控制器领域。为了改变微控制器的电子工程技术应用的印记，将微控制器的单片机概念变更到嵌入式系统的概念上来。这不是一般概念上的简易变更，而是体现了微控制器应用技术的变革，即从电子工程应用模式变更到计算机工程应用模式。

这是微控制器应用从单片机时代到嵌入式系统时代的第一次华丽转身。之所以称为华丽转身，是因为计算机学科介入后，引入的计算机高级语言、操作系统、集成开发环境、计算机工程方法，大大地提高了微控制器的应用水平，嵌入式系统成为了多学科的综合应用领地。在高等学校中，开始有了嵌入式系统专业，探索嵌入式系统的学科建设。

从嵌入式系统到物联网的华丽转身

微控制器经历了２０年单片机的缓慢发展期后，在１０年的嵌入式系统时代中有了突飞猛进的发展。从单机应用、分布式总线应用到局域网应用，微控制器芯片技术从数字集成、数模混合集成、软件集成到大规模的ＳｏＣ集成；与此同时，具有ＴＣＰ／ＩＰ协议栈的内嵌式单元与方便外接的互联网接口技术大量涌现。无论是嵌入式系统单机还是嵌入式系统的局域网，与互联网、ＧＰＳ的连接成为常态，从而将互联网顺利地延伸到物理对象，变革成物联网。

物联网时代，唯有嵌入式系统可以承担起物联网繁重的物联任务。在物联网应用中，首要任务是嵌入式系统物联基础上的物联网系统建设。大量的物联网系统开发任务与物联网中嵌入式系统复合人才的培养，都要求嵌入式系统迅速转向物联网。

于是便有了如雨后春笋般出现的物联网专业，这些专业不少是原来的嵌入式系统专业。同时，原来的智能家居转身为物联网家居，嵌入式系统实验
室转身为物联网实验室。这样的华丽转身有利于投身到物联时代微电子学科、计算机学科、通信学科、电子技术学科、对象学科及ＩＴ产业总动员中，积极推动物联网／云计算技术与产业的发展。

参考文献：

[1]何立民.从嵌入式系统视角看物联网[J].单片机与嵌入式系统应用,2010(10):5-8.
[2]何立民.物联网概述第4篇:物联网时代嵌入式系统的华丽转身[J].单片机与嵌入式系统应用,2012,12(01):79-81.
[3]杨辉,王毅.物联网与嵌入式系统的关系研究[J].计算机与现代化,2011(08):126-129.

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