构建下一代物联网智能世界的机遇和挑战

　　物联网 - 微小的眼睛，耳朵和大脑，说一种共同的语言来相互交流，并与更高性能的系统进行通信 - 在过去几年中一直在影响我们的生活。在本专栏系列中，我们将深入探讨使世界“智能”的物联网领域科学技术的快速发展。在这个智能世界中，设备和环境将自动协作地为人们服务。它们的能力范围从照顾人类，宠物甚至植物的个人健康到自动驾驶汽车。它们的数量比我们每年大量生产的传统计算机和智能手机高出几个数量级。本专栏系列探讨了不断发展的物联网技术，以及它如何改变日常工作和生活方式，使其更加高效、便捷、舒适和智能。我们还将讨论构建下一代物联网智能世界的机遇和挑战。

　　以下主题将作为“IoT 初学者包”一章的一部分进行介绍：

　　“我身上没有电线”

　　物联网（IoT）已经存在了很长时间，但物联网这个术语已经存在了16年。当时，这个想法通常被称为“嵌入式互联网”或“普适计算”。信息交换是物联网最重要的方面。电报在19年初改变了机器通信千世纪。第一个无线电语音传输，称为“无线电报”，为发展物联网提供了最重要的组成部分。计算机的发明彻底改变了世界。互联网本身就是物联网的重要组成部分。此后，电话的发明为世界大部分地区提供了基本的通信。

　　现在，物联网已经发展成为一个复杂的系统，从互联网到无线通信，从微电子系统（MEMS）到嵌入式系统。物联网是目前最热门的IT流行语之一。物联网由一个巨大的互联网连接“事物”和设备网络组成，包括几乎所有你能想到的东西，从手机到建筑物维护，再到飞机的喷气发动机。

　　自2000年代以来，发生了什么变化使这一切成为可能？有几个关键因素。它们包括低功耗无线电，MCU技术的进步，网络功能的扩展，数据分析工具的引入以及无线标准的创建/采用，使来自不同供应商的物联网硬件和软件的交互变得更加简单。物联网已经成熟，可以添加新的创意，以添加到已经在使用的应用程序。在创造力方面，这个领域是开放的，有无数种“互连设备”的方式。很快，就很难想象它之前的生活了！

　　大多数物联网节点是传感器、计算和连接的组合，后两者扮演着最重要的角色。虽然，独立的计算机及其网络已经存在了几十年，但要使物联网真正起飞，庞大的计算元素及其有线网络必须消失。快进几年，我们拥有单芯片计算机（MCU）和无线通信技术。持续的硅缩放、高效的架构和低功耗无线电技术使它们更小、更便宜、更节能。这导致了小型电池连接设备的激增，这些设备具有集成计算和连接提供的“智能”。

　　物联网已经到来。“我身上没有电线”回顾了使物联网成为可能的关键技术进步。

　　无线电和计算机

　　很少有计算机制造商再费心支持串行协议，因为它的IT和桌面功能在很大程度上已被USB和无线所取代。越来越难找到一台具有串行端口的新计算机。平板电脑和智能手机甚至更糟。有些甚至没有USB端口;他们在很大程度上依靠无线进行通信。

　　近年来，人们一直在努力改进嵌入式控制器架构，包括提供集成无线电或简化与无线电IC接口的方法。“基于可编程无线传感器的嵌入式控制器”的出现提供了更大的灵活性、易管理和可配置性。配置传感器数据将要求这些系统使用超低功耗无线收发器微控制器，这些微控制器不仅具有极低的功耗待机电流，而且还采用节能技术来延长单个纽扣电池的使用寿命。这些技术可以在硬件或软件中实现，也可以在两者的混合中实现，但显然，在准备选择单个器件之前，设计人员需要考虑许多其他更广泛的因素。

　　当涉及到连接和计算（物联网的两大支柱）时，有许多排列和组合。物联网设备在计算能力和所需带宽方面形成了一系列功能-从计算步数的鞋子到需要流式传输高分辨率图像和视频的数码单反相机。同样，一系列微控制器/SoC架构和无线电技术也可用作这些系统的基础。然而，选择并不总是简单的，有时甚至是违反直觉的。为了平衡能力、功耗和成本，“无线电与计算机”简要介绍了当今和不久的将来可用的计算和无线设备。

　　“是的，但它能运行Linux吗？”

　　感知、组织、分析、演示和决策需要软件。几十年来，我们一直在使用各种平台以不同级别的能力来执行此任务。现在，我们拥有非常小的设备，这些设备由单节电池运行，但具有1990年代后期基于80486的个人计算机的功率。有了裸机，RTOS和像Linux这样的真实操作系统可供选择，我们将遇到在无线电和计算机中探索的类似问题，但从软件的角度来看。

　　成熟的操作系统带来了兼容性和易开发性，但增加了硬件成本和功耗。对于执行有限功能的应用程序，传统的顺序处理循环和状态机就足够了。这种裸机编码方法很难正确，但它提供了出色的效率。当MCU集成更多存储器和外设时，RTOS成为必要手段。RTOS 采用的关键驱动因素是应用程序的复杂性。复杂的物联网应用可能需要更多的中断源、更多的功能和更多的标准通信接口。RTOS可能会用于这种复杂的解决方案。

　　RROS可以充分利用功能丰富的MCU，特别是当提供中间件可以处理复杂任务时，否则将需要真正的操作系统。但是，在软件方面，有许多不重叠的复杂性和功能领域。“是的，但它可以运行Linux吗？”概述了为硬件选择合适的软件基础。

　　定积分

　　MCU将易失性和非易失性存储器集成到一个独立的CPU中。SoC能够将更多的外设、稳压器、时钟和其他组件和功能集成到单个芯片中。我们还没有完成，因为我们可以集成更多的功能，从无线和传感器接口开始。物联网设备的另一个重要先决条件是安全性。数十亿个互连设备带来了重大的安全挑战。基于硬件的安全性是一项在集成到 SoC 中时效果很好的功能。

　　代工厂正在评估为集成物联网控制器量身定制的完全耗尽绝缘体上的硅（FDSOI）技术。然而，随着设备将整个可编程系统集成到单个芯片中，未来可能已经到来。

　　电源为独立的物联网节点带来了另一个独特的挑战。毕竟，系统仅在电池续航时是无线的。有一些方法可以利用环境来利用我们的优势，并从中产生能量 - 从我们自己的太空核反应堆 - 太阳开始。

　　“确定积分”探讨了创建真正的单芯片物联网控制器并从操作环境中收集能量的可行性和优势。

　　除了这个“物联网入门包”之外，还有许多其他章节提供了对物联网世界的令人兴奋的见解！物联网无处不在，保持竞争力至关重要！

　　审核编辑：郭婷