物聯(lián)網(wǎng) - 微小的眼睛，耳朵和大腦，說一種共同的語言來相互交流，并與更高性能的系統(tǒng)進(jìn)行通信 - 在過去幾年中一直在影響我們的生活。在本專欄系列中，我們將深入探討使世界“智能”的物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展。在這個(gè)智能世界中，設(shè)備和環(huán)境將自動(dòng)協(xié)作地為人們服務(wù)。它們的能力范圍從照顧人類，寵物甚至植物的個(gè)人健康到自動(dòng)駕駛汽車。它們的數(shù)量比我們每年大量生產(chǎn)的傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)和智能手機(jī)高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)。本專欄系列探討了不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以及它如何改變?nèi)粘９ぷ骱蜕罘绞?，使其更加高效、便捷、舒適和智能。我們還將討論構(gòu)建下一代物聯(lián)網(wǎng)智能世界的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

以下主題將作為“IoT 初學(xué)者包”一章的一部分進(jìn)行介紹：

“我身上沒有電線”

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）已經(jīng)存在了很長時(shí)間，但物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)術(shù)語已經(jīng)存在了16年。當(dāng)時(shí)，這個(gè)想法通常被稱為“嵌入式互聯(lián)網(wǎng)”或“普適計(jì)算”。信息交換是物聯(lián)網(wǎng)最重要的方面。電報(bào)在19年初改變了機(jī)器通信千世紀(jì)。第一個(gè)無線電語音傳輸，稱為“無線電報(bào)”，為發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)提供了最重要的組成部分。計(jì)算機(jī)的發(fā)明徹底改變了世界?；ヂ?lián)網(wǎng)本身就是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。此后，電話的發(fā)明為世界大部分地區(qū)提供了基本的通信。

現(xiàn)在，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，從互聯(lián)網(wǎng)到無線通信，從微電子系統(tǒng)（MEMS）到嵌入式系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)是目前最熱門的IT流行語之一。物聯(lián)網(wǎng)由一個(gè)巨大的互聯(lián)網(wǎng)連接“事物”和設(shè)備網(wǎng)絡(luò)組成，包括幾乎所有你能想到的東西，從手機(jī)到建筑物維護(hù)，再到飛機(jī)的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。

自2000年代以來，發(fā)生了什么變化使這一切成為可能？有幾個(gè)關(guān)鍵因素。它們包括低功耗無線電，MCU技術(shù)的進(jìn)步，網(wǎng)絡(luò)功能的擴(kuò)展，數(shù)據(jù)分析工具的引入以及無線標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)建/采用，使來自不同供應(yīng)商的物聯(lián)網(wǎng)硬件和軟件的交互變得更加簡單。物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成熟，可以添加新的創(chuàng)意，以添加到已經(jīng)在使用的應(yīng)用程序。在創(chuàng)造力方面，這個(gè)領(lǐng)域是開放的，有無數(shù)種“互連設(shè)備”的方式。很快，就很難想象它之前的生活了！

大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)是傳感器、計(jì)算和連接的組合，后兩者扮演著最重要的角色。雖然，獨(dú)立的計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)存在了幾十年，但要使物聯(lián)網(wǎng)真正起飛，龐大的計(jì)算元素及其有線網(wǎng)絡(luò)必須消失。快進(jìn)幾年，我們擁有單芯片計(jì)算機(jī)（MCU）和無線通信技術(shù)。持續(xù)的硅縮放、高效的架構(gòu)和低功耗無線電技術(shù)使它們更小、更便宜、更節(jié)能。這導(dǎo)致了小型電池連接設(shè)備的激增，這些設(shè)備具有集成計(jì)算和連接提供的“智能”。

物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)到來?！拔疑砩蠜]有電線”回顧了使物聯(lián)網(wǎng)成為可能的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)步。

無線電和計(jì)算機(jī)

很少有計(jì)算機(jī)制造商再費(fèi)心支持串行協(xié)議，因?yàn)樗腎T和桌面功能在很大程度上已被USB和無線所取代。越來越難找到一臺(tái)具有串行端口的新計(jì)算機(jī)。平板電腦和智能手機(jī)甚至更糟。有些甚至沒有USB端口;他們?cè)诤艽蟪潭壬弦揽繜o線進(jìn)行通信。

近年來，人們一直在努力改進(jìn)嵌入式控制器架構(gòu)，包括提供集成無線電或簡化與無線電IC接口的方法?！盎诳?a target="_blank">編程無線傳感器的嵌入式控制器”的出現(xiàn)提供了更大的靈活性、易管理和可配置性。配置傳感器數(shù)據(jù)將要求這些系統(tǒng)使用超低功耗無線收發(fā)器微控制器，這些微控制器不僅具有極低的功耗待機(jī)電流，而且還采用節(jié)能技術(shù)來延長單個(gè)紐扣電池的使用壽命。這些技術(shù)可以在硬件或軟件中實(shí)現(xiàn)，也可以在兩者的混合中實(shí)現(xiàn)，但顯然，在準(zhǔn)備選擇單個(gè)器件之前，設(shè)計(jì)人員需要考慮許多其他更廣泛的因素。

當(dāng)涉及到連接和計(jì)算（物聯(lián)網(wǎng)的兩大支柱）時(shí)，有許多排列和組合。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在計(jì)算能力和所需帶寬方面形成了一系列功能-從計(jì)算步數(shù)的鞋子到需要流式傳輸高分辨率圖像和視頻的數(shù)碼單反相機(jī)。同樣，一系列微控制器/SoC架構(gòu)和無線電技術(shù)也可用作這些系統(tǒng)的基礎(chǔ)。然而，選擇并不總是簡單的，有時(shí)甚至是違反直覺的。為了平衡能力、功耗和成本，“無線電與計(jì)算機(jī)”簡要介紹了當(dāng)今和不久的將來可用的計(jì)算和無線設(shè)備。

“是的，但它能運(yùn)行Linux嗎？”

感知、組織、分析、演示和決策需要軟件。幾十年來，我們一直在使用各種平臺(tái)以不同級(jí)別的能力來執(zhí)行此任務(wù)?，F(xiàn)在，我們擁有非常小的設(shè)備，這些設(shè)備由單節(jié)電池運(yùn)行，但具有1990年代后期基于80486的個(gè)人計(jì)算機(jī)的功率。有了裸機(jī)，RTOS和像Linux這樣的真實(shí)操作系統(tǒng)可供選擇，我們將遇到在無線電和計(jì)算機(jī)中探索的類似問題，但從軟件的角度來看。

成熟的操作系統(tǒng)帶來了兼容性和易開發(fā)性，但增加了硬件成本和功耗。對(duì)于執(zhí)行有限功能的應(yīng)用程序，傳統(tǒng)的順序處理循環(huán)和狀態(tài)機(jī)就足夠了。這種裸機(jī)編碼方法很難正確，但它提供了出色的效率。當(dāng)MCU集成更多存儲(chǔ)器和外設(shè)時(shí)，RTOS成為必要手段。RTOS 采用的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素是應(yīng)用程序的復(fù)雜性。復(fù)雜的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用可能需要更多的中斷源、更多的功能和更多的標(biāo)準(zhǔn)通信接口。RTOS可能會(huì)用于這種復(fù)雜的解決方案。

RROS可以充分利用功能豐富的MCU，特別是當(dāng)提供中間件可以處理復(fù)雜任務(wù)時(shí)，否則將需要真正的操作系統(tǒng)。但是，在軟件方面，有許多不重疊的復(fù)雜性和功能領(lǐng)域。“是的，但它可以運(yùn)行Linux嗎？”概述了為硬件選擇合適的軟件基礎(chǔ)。

定積分

MCU將易失性和非易失性存儲(chǔ)器集成到一個(gè)獨(dú)立的CPU中。SoC能夠?qū)⒏嗟耐庠O(shè)、穩(wěn)壓器、時(shí)鐘和其他組件和功能集成到單個(gè)芯片中。我們還沒有完成，因?yàn)槲覀兛梢约筛嗟墓δ?，從無線和傳感器接口開始。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的另一個(gè)重要先決條件是安全性。數(shù)十億個(gè)互連設(shè)備帶來了重大的安全挑戰(zhàn)?；谟布陌踩允且豁?xiàng)在集成到 SoC 中時(shí)效果很好的功能。

代工廠正在評(píng)估為集成物聯(lián)網(wǎng)控制器量身定制的完全耗盡絕緣體上的硅（FDSOI）技術(shù)。然而，隨著設(shè)備將整個(gè)可編程系統(tǒng)集成到單個(gè)芯片中，未來可能已經(jīng)到來。

電源為獨(dú)立的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)帶來了另一個(gè)獨(dú)特的挑戰(zhàn)。畢竟，系統(tǒng)僅在電池續(xù)航時(shí)是無線的。有一些方法可以利用環(huán)境來利用我們的優(yōu)勢(shì)，并從中產(chǎn)生能量 - 從我們自己的太空核反應(yīng)堆 - 太陽開始。

“確定積分”探討了創(chuàng)建真正的單芯片物聯(lián)網(wǎng)控制器并從操作環(huán)境中收集能量的可行性和優(yōu)勢(shì)。

除了這個(gè)“物聯(lián)網(wǎng)入門包”之外，還有許多其他章節(jié)提供了對(duì)物聯(lián)網(wǎng)世界的令人興奮的見解！物聯(lián)網(wǎng)無處不在，保持競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要！

審核編輯：郭婷