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物联当道 嵌入式系统的联网新价值
IoT成为嵌入式应用最广泛领域

【作者: 王岫晨】2018年10月08日 星期一

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当今什麽技术最有发展前途?嵌入式系统毫无疑问正是这个问题的答案。事实上,嵌入式系统一直都是热门的应用领域,原因就在於嵌入式系统随处可见,特别是在一些特定的专用设备上,这些设备的特点是在於硬体资源十分有限,并且对成本非常敏感,此外,对於即时回应也有很高的要求。而今天,随着家电与消费性电子产品的智慧化,使得嵌入式系统更显出其重要性。



图1 : 智慧家居是物联网的一个重点应用情境。
图1 : 智慧家居是物联网的一个重点应用情境。

在日常生活中,嵌入式系统常见於行动电话、视讯电话、VCD/DVD/MP3、数位相机、数位摄影机、USB-Disk、数位机上盒、高画质电视、游戏机、电子字典、智慧玩具、路由器、交换机、汽车电子、数位控制设备或仪表、家电控制系统、医疗仪器,甚至航空与太空设备等,都广泛采用了嵌入式系统。可以说,嵌入式系统就在你我的生活当中。


嵌入式系统

嵌入式系统根据英国电机工程师协会的定义,其为控制、监视或辅助设备、机器或甚至工厂运作的装置。一般来说,嵌入式系统将具备如下的特性:


1.可用於执行特定功能。这与一般PC或伺服系统执行多样化功能有很大区别。


2.核心为电脑与周边所构成。其规模小至一个MCU,大到先进的x86晶片系统。


3.对於时序与稳定度要求严格。在机器控制上,若稍有不慎可能导致失控与酿灾,因此对於稳定度要求高。


4.需可全自动操作且循环。既使断电後也可自动进行紧急处置,并在复电後回复原有的执行状态。



图2 : 嵌入式系统已经无所不在。
图2 : 嵌入式系统已经无所不在。

一般来说,嵌入式系统都是藉由软体与硬体的整合,来提供设备各种所需之功能。嵌入式系统的硬体端设计完成之後,各种功能的实现就要交由软体端来达成。嵌入式系统的功能优劣,很大程度是决定於嵌入式软体,这也成为是否能为嵌入式系统提升附加价值的关键。且目前各种智慧化设备盛行,智慧化系统的高复杂度,也必须要依赖软体来赋予其运作的能力。因此,在硬体端技术普遍成熟的状况之下,软体将决定嵌入式系统的差异化。


物联网嵌入式应用

物联网是嵌入式系统最为广泛与频繁的应用领域。在物联网的系统中,最常见的硬体元件为控制器、感测器等。在物联网时代,为了实现所有物品都能连结上网,最不可或缺的元件,就是检测状态时所必要的感测器,以及让大家共享感测器所获得数据资料的网路。随着物联网、智慧城市等应用市场的快速发展,对感测器产品在低功耗、低成本、可靠性、稳定性、准确度、小型化、微型化、复合型、标准化等技术和经济指标上,都出现了更高的要求。而这些市场的迫切需求,也使得感测器开发商更积极展开技术与产品的研发,以满足市场所需。



图3 : 物联网广泛应用感测器来撷取相关数据,透过分析可进一步实现智慧化。图为智慧农业应用。
图3 : 物联网广泛应用感测器来撷取相关数据,透过分析可进一步实现智慧化。图为智慧农业应用。

事实上,物联网、智慧城市等,将成为感测器最主要的应用市场之一,其应用也将渗透到未来生活中的各个不同层面。而近年来随着物联网、智慧手机、汽车电子与医疗电子等产业的快速发展,对陀螺仪、加速度感测器、MEMS麦克风等感测元件的需求正不断增加,也带动感测器产业迈入快速发展阶段。


万物互联新挑战

物联网的概念,最早是由研究RFID的英国科学家Kevin Ashton所提出。在他的构想中,物联网是透过一个无所不在的感应器系统,将真实世界与网际网路相互连结。到了今天,物联网已可将嵌入了电子系统、感测器、应用软体、或传动器的实体设备连结到云端,甚至可让装置之间透过不同的协定来彼此互连。物联网是透过网路连结不同装置并传送数据资料,因此对於感测器与随时联网有很高的需求。只是有些物联网装置可以容忍间断连线,并降低所需要的网路频宽。


当然,由於传送了大量的数据资料,因此所有物联网的通讯都必须采用预防性的安全机制来加以保护,例如装置的身分管理、加密和存取控制,以及设备稽核和监控等。尽管物联网的连结并不像是看起来这麽容易,尚需要考虑到各种安全性的问题,然而在这些挑战的背後,是物联网所带来的应用价值,可真正缩小这些真实世界与数位世界之间的距离与差异,智慧城市与智慧家庭的愿景也将会更接近。


数据应用是重要环节

物联网的关键之一,就在於数据。透过物联网,让过去看似一无是处的数据资料可以变得很有用处。透过物联网装置,可以对资料进行搜集、分析并建立资料库,如此便可实现智能化的机器学习。而这些经过的分析资料也可透过物联网在装置上执行,提供智能化的分析结果,以便在事件发生时可以立即反应。


例如街道上的场景侦测分析,透过监视摄影机的预测模型,便可在镜头发觉可疑活动时即时传送提醒。物联网可广泛应用於生活中的各种应用情景,包括智慧城市中的连网家居、联网车辆、医疗保健、工业生产、与智慧零售等。透过物联网不只更安全、更有效率,也更为节能。



图4 : 物联网普及的重要意义,就在於感测器将无所不在。
图4 : 物联网普及的重要意义,就在於感测器将无所不在。

物联网的主要目的,就是将真实世界连接到网际网路,让使用者都可以透过装置的数据资料来提高生产力和工作效率。然而,是否万物都可以真的连结到网际网路呢?事实上,现阶段随着更多不同的可用连线选项,以及连线成本正逐步下降,使得万物连接到网际网路不只已经成为一种可能,也正在发生着,并且越来越多的装置都正在透过网路撷取数据资料。


物联网透过嵌入式系统的硬体元件与软体应用程式,来控制各式各样的事物,可能是冰箱、监控摄影机、或者有线机上盒等家电产品;可能是产线输送带和制造设备等工业环境设备系统;或者交通号志、智慧型电表等智慧城市中的一切商用装置。可以说,只要是能透过云端启动的任何装置,都可能成为物联网整体应用上的一个重要环节。


结语

对於消费者来说,他们希??食衣住行的各种层面装置都具备物联网功能,例如智慧型全自动电冰箱安全地在云端往来并传送资料。而制造商希??能透过云端资料来更清楚了解客户的使用情况和零件状态,以提升产品和客户体验。至於工业客户则希??能透过物联网相关应用程式,让工业设备和产线程序更加聪明并提升安全。例如可以有效减少技术人员花在维护抽水马达和电表这类装置的时间,或者可以透过数据的最隹化,将现场技术人员的生产力提高更多。


无论如何,嵌入式系统在物联网应用中,已经扮演着越来越重要的角色。而嵌入式系统也成为万物互联之下,能否为相关应用赋予更多智慧化能力的关键元件。无所不在的嵌入式系统,与万物互联的物联网架构,在未来肯定还将激出更多火花。


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