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物联网终端设备

来源:物联卡平台(全惠通物联) 741

摘要

物联网各种无线技术,包括近距离通信的无线技术,比如蓝牙、WiFi、Zigbee,也有远距离无线通信技术,如GPRS、LoRa、NB-IoT等。 除了通信,物联网终端节点还具有一定计算能力和感知能力,一部分终端节点还具有执行能力。今天我们就来聊一下物联网终端设备。

物联网终端节点组成


物联网终端设备一般由通信接口、MCU、传感器和执行器组成。




  • 如果把物联网终端看作是一个人,那通信接口相当于嘴巴,主要是用来信息交流的。物联网的通信方式主要是无线,当然也可能是有线,这要看具体的应用场景。
  • 传感器相当于人的眼睛、耳朵、鼻子、舌头这些感知器官,用来接收外界的刺激。物联网节点所使用的传感器包括声、光、电、气等各种不同类型。
  • 执行器相当于人的四肢。接收MCU的指令,然后根据MCU的命令来执行任务。执行器一般是继电器、开关,也可能是电机等。
  • MCU是物联网节点最重要的部分,相当于人的大脑,控制着传感器、执行器和通信接口。典型的工作方式是这样的,一边接收传感器的信息,并上传到云端;一边接收云端的指令,再根据指令来控制执行器。

谈谈MCU


什么是MCU?
微控制单元(MCU:Microcontroller Unit) ,又称单片微型计算机(Single Chip Microcomputer )或者单片机。

MCU就是我们常说的单片机,开发嵌入式系统的核心部件。嵌入式系统(Embedded System)是一个很宽泛的概念,主要是相对于计算机而言,是一种尺寸受限、功耗受限的特殊类型的计算机,小到手表,大到手机,都可以认为是嵌入式系统。
其实物联网节点就是一种嵌入式系统,只不过嵌入式系统不一定要有通信能力,不要求一定要接入网络,这是与物联网节点的最大区别。



8051单片机诞生于1980年
以前用的最多的单片机就是Intel 8051系列单片机,51单片机几乎是每个电子类专业大学生的必修课。基于8051内核的单片机是8位的处理器,工作频率比较低,因此处理性能非常有限,但在过去对于绝大多数嵌入式应用已经完全胜任了。



Cortex-M3芯片组成示意图
不过随着技术的进步,更高处理能力的ARM芯片价格越来越低,甚至于要比51单片机还低。现在基于Cortex-M系列ARM内核的MCU已经逐渐在应用中取代了51单片机。
用于物联网应用的ARM芯片的主频更高,处理能力更强,一般都是32位的。现在的物联网应用所使用的传感器精度更高,而且也有更大的数据量要求,还有很多情况下,需要执行多任务。传统51单片机就有些力不从心了。
物联网终端的软件


刚才说的通信接口、传感器、执行器,还有MCU都是硬件,但物联网终端节点光有硬件,没有软件是没法工作的。这种嵌入式设备上面运行的软件,或者说嵌入式软件,一般都是在出厂前烧写到芯片中,在这之后通常不会改动。

嵌入式软件一般保存在EROM(可擦写只读存储器)或EEPROM,通常也称作固件(Firmware)。

早期的嵌入式软件一般功能比较单一,没有操作系统的概念。平时一般只有一个无限循环的任务在运行;当有外部输入时,会触发中断,然后挂起当前运行的主任务;先处理中断任务,中断任务处理完,再回到主任务继续执行。这样的工作方式称为前后台系统



嵌入式操作系统的典型构成
后来随着嵌入式系统的复杂性不断增加,嵌入式系统需要有多任务执行的并发能力,这种前后台的工作方式已经不能满足需要了。需要有一个程序来管理多个任务的执行顺序,给多个任务分配资源,并创造运行环境,这个程序就是嵌入式操作系统
嵌入式操作系统和我们平时用到的Windows、Linux、Android、iOS等其实是一回事,只不过嵌入式操作系统的尺寸没有这些PC操作系统或手机操作系统那么庞大,受到存储空间、成本的限制,通常大小只有几十KB或者几KB。
一些嵌入式操作系统是在Linux操作系统基础上裁剪而成,还有一些做了实时性方面的改造;还有一些操作系统是独立设计和开发的。微软公司历史上也开发过不少面向嵌入式设备的Windows Embedded系列,其中应用最广泛的就是Windows CE

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