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

物聯(lián)網(wǎng)的三個源頭是智慧源頭、網(wǎng)絡(luò)源頭與物聯(lián)源頭。智慧源頭是微處理器，萬億個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(tǒng)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，誕生了無限時空中，無限通達、真實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(tǒng)的全面物聯(lián)體系，嵌入式系統(tǒng)為物聯(lián)而生，有四個歸一化的物聯(lián)界面。

1 物聯(lián)網(wǎng)的源頭探索

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

人們可以沿著現(xiàn)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(dǎo)體集成電路基礎(chǔ)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。萬億個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(tǒng)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(xiàn)在它的體系結(jié)構(gòu)之中。微處理器中有中央處理器、指令系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、總線系統(tǒng)，這四大部件可以圓滿地實現(xiàn)人類的智力行為。利用中央處理器的數(shù)據(jù)處理能力，通過建模、解算、數(shù)據(jù)分析、信號處理，表現(xiàn)出人類智力的思考性特征;通過指令系統(tǒng)的程序設(shè)計，可以提供人類智力行為的多種選擇，表現(xiàn)出人類智力的多維性特征;微處理器的中斷系統(tǒng)可以根據(jù)內(nèi)外部條件，隨時中斷正在運行中的程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行另外一個程序，并能在完成中斷服務(wù)后返回原來被中斷的程序中，表現(xiàn)出人類智力的應(yīng)急性特征;處理器的快速運行，可以滿足人類智力實時性的要求;微處理器的總線系統(tǒng)，是微處理器內(nèi)部與外部世界聯(lián)系的通道，表現(xiàn)了人類智力的交互性特征。人類智力的本質(zhì)知識基礎(chǔ)上的行為能力。微處理器內(nèi)部及外圍擴展的存儲器，可實現(xiàn)知識存儲，從而奠定了人類智力的知識基礎(chǔ)。由此可見，微處理器是一個具有人類智力行為能力的智力內(nèi)核。

微處理器是數(shù)字時空量子化技術(shù)基礎(chǔ)上的歸一化智力內(nèi)核。數(shù)字時空量子是一種與具體物質(zhì)無關(guān)的0、1二值化空闖狀態(tài)和0、1二值化的開關(guān)進程。現(xiàn)階段數(shù)字時空量子表現(xiàn)集成電路中晶體管的時空狀態(tài)。集成電路中，晶體管顆粒的開、關(guān)狀態(tài)是0、l二值化空間量子，晶體管顆粒的開、關(guān)進程是0、1二值化的時間量子。

與具體物質(zhì)無關(guān)的數(shù)字時空量子為微處理器智力內(nèi)核提供了無限的技術(shù)發(fā)展前景，當(dāng)硅半導(dǎo)體集成電路的時空量子技術(shù)走到盡頭時，人們可以尋找其他更微小的時空量子載體，如石墨稀的二維碳原子“晶體管”或電子正、反旋二值化時空狀態(tài)的“晶體管”。當(dāng)具體物質(zhì)轉(zhuǎn)移后，微處理器的智力結(jié)構(gòu)與智力的軟件表現(xiàn)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(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是內(nèi)含有嵌入式處理器，實現(xiàn)嵌入式應(yīng)用的智能化電子系統(tǒng)。全面的物聯(lián)狀態(tài)、歸一化的物聯(lián)界面、無限的物聯(lián)應(yīng)用，是嵌入式系統(tǒng)的歷史寫照。

嵌入式系統(tǒng)有歸一化的結(jié)構(gòu)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個嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。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洗衣機的智能控制器，嵌入到變頻空調(diào)中成為空調(diào)的變頻控制器，給嵌入式系統(tǒng)添加相應(yīng)功能模塊以及顯示屏、鍵盤、大容量存儲器、通用接口等外設(shè)，可構(gòu)成廣泛應(yīng)用的手機、PDA、電子書等IT產(chǎn)品等。從這些形式多樣的智能化工具中，可以抽象出一個歸一化的嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。如圖l所示，嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)有三個層次的軟、硬件結(jié)構(gòu)與四個歸一化的物聯(lián)界面。

嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的三個硬件層次是，嵌入式處理器、嵌入式系統(tǒng)與嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。嵌入式處理器是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的智力內(nèi)核，在智力內(nèi)核基礎(chǔ)上配置四個物聯(lián)端口便成為嵌入式系統(tǒng)。將嵌入式系統(tǒng)嵌入至U對象體系中，實現(xiàn)對象智能化控制的電子系統(tǒng)，是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。

四個歸一化的物聯(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?shù)赖馈?/p>

(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(tǒng)的輸入端日，是一個歸一化的感知接口。所有與外部世界物理信息的感知，都要經(jīng)過這一端口完成物理信號到數(shù)字化信息的轉(zhuǎn)化。例如，開關(guān)信號、頻率信號要轉(zhuǎn)化成標(biāo)準電平下的0、1狀態(tài)信息;模擬信號要通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成二進制的數(shù)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(tǒng)的輸出端口，是一個歸一化的控制接口。所有的對外部世界物理對象的控制，都要經(jīng)過這一端口完成數(shù)字歸一化控制信息到對象系統(tǒng)控制信號的轉(zhuǎn)化。例如，將0、1的控制信息轉(zhuǎn)化成電平的開、關(guān)控制信號;將變頻電機的變頻控制信息轉(zhuǎn)化成PWM 控制信號;將物理對象的二進制數(shù)值控制信息通過D/A轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成電平控制信號，從而完成真實世界的數(shù)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(tǒng)的輸入、輸出端口，是一個歸一化的人一機交互界面。多元化的人一機交互方式，如各種類型的鍵盤、顯示器、音視頻設(shè)備的人機交互等，都要歸一化成輸入、輸出端目的標(biāo)準化結(jié)構(gòu)與通信協(xié)議。人機通道的基礎(chǔ)是嵌入式系統(tǒng)的串行接口，以及由此衍生的各種串行總線，如I?C總線、單總線、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(tǒng)的歸一化信息傳輸通道。為嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)之間、嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)之間通信提供標(biāo)準的通信手段 通信方式可以有多種有線與無線方式。通常，將滿足信息傳輸要求的硬件電路與通信協(xié)議棧內(nèi)嵌到嵌入式系統(tǒng)中，或制成可在嵌入式系統(tǒng)外部擴展的專用通信芯片。

圖1 嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與物聯(lián)界面

4 物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)源頭

物聯(lián)網(wǎng)有無限大的應(yīng)用領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)則是一個與互聯(lián)網(wǎng)相連的局域物聯(lián)系統(tǒng)。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(tǒng)的局域物聯(lián)網(wǎng)。

(1)互聯(lián)網(wǎng)的廣域網(wǎng)

互聯(lián)網(wǎng)是全球性無限時空、無限通達的廣域網(wǎng)。互聯(lián)網(wǎng)通信沒有時空限制，也不受局部通信鏈路故障的影響。互聯(lián)網(wǎng)的全球性特征還表現(xiàn)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，也無法把互聯(lián)網(wǎng)封閉在一個國家之內(nèi)。互聯(lián)網(wǎng)的根本作用是為人們的交流服務(wù)，而不單純是用來計算。

構(gòu)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)，與物理對象沒有直接聯(lián)系。

(2)嵌入式系統(tǒng)的局域物聯(lián)網(wǎng)

嵌入式系統(tǒng)的局域物聯(lián)網(wǎng)，是以嵌入式系統(tǒng)為核心，與物理對象相連，局部地區(qū)應(yīng)用環(huán)境下，滿足TCP/IP的傳輸協(xié)議要求，具有網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，動態(tài)路由的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

早期的單片機沒有通信總線，單片機應(yīng)用系統(tǒng)都是單個的系統(tǒng)。1982年前后，Intel公司為UPI-44系列單片機配置了BIT BUS總線，其后各種總線層出不窮，如早期的BIT BUS、STD 總線，后來的RS422/485總線、現(xiàn)場總線、CAN 總線等。通過這些總線將一個個嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)連接成嵌入式系統(tǒng)的局域分布式物聯(lián)系統(tǒng)，如CAN 總線的汽車電子、機器人、工業(yè)控制、智能家居等局域物聯(lián)系統(tǒng)。無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)(如ZigBee)推出后，嵌入式系統(tǒng)才有了真正的局域物聯(lián)網(wǎng)，它既滿足了局域網(wǎng)的協(xié)議要求以及網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、動態(tài)路由的數(shù)據(jù)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(tǒng)的局域物聯(lián)系統(tǒng)或局域物聯(lián)網(wǎng)受地域環(huán)境限制，與無限時空、無限通達的互聯(lián)網(wǎng)連接后，便形成了無限通達、無限時空應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)。例如，由CAN 總線構(gòu)成的汽車電子系統(tǒng)是局限在一輛汽車中的局域物聯(lián)系統(tǒng)，當(dāng)延伸到互聯(lián)網(wǎng)后，便可將單輛汽車納入城市交管的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中。物聯(lián)網(wǎng)交管系統(tǒng)可隨時隨地實時地了解車輛狀況、行駛狀態(tài)、違章事件等。又如，當(dāng)一個智能家居延伸到互聯(lián)網(wǎng)后，成為無限時空、無限通達的物聯(lián)網(wǎng)家居后，家居主人可以在任何時間、任何地點與家居中的物聯(lián)對象實時交互。

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。通過局域物聯(lián)網(wǎng)中主控節(jié)點內(nèi)含的互聯(lián)網(wǎng)接口，或在外部擴展一個互聯(lián)網(wǎng)接口芯片，與互聯(lián)網(wǎng)相聯(lián)。

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