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STM32 —— 嵌入式系统、通用计算机系统、物联网三层架构

目录

一、嵌入式系统的概念

二、通用计算机系统与嵌入式系统的比较

用途

硬件

软件

性能与功耗

开发与维护

三、嵌入式系统与物联网的关系

四、物联网的三层架构

1. 感知层(Perception Layer)

2. 网络层(Network Layer)

3. 应用层(Application Layer)

三层架构的协作流程


一、嵌入式系统的概念

        嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及应用程序等4部分组成,并且分为4个层次:硬件层、中间层、软件层和应用层。

        嵌入式系统是一种专用的计算机系统,通常嵌入在更大的设备或系统中,用于执行特定的任务。它通常由硬件和软件组成,硬件包括处理器、存储器、输入/输出接口等,软件则包括操作系统(通常是实时操作系统RTOS)和应用程序。嵌入式系统的设计目标是高效、可靠、实时响应,并且通常具有低功耗、小体积和低成本的特点。

二、通用计算机系统与嵌入式系统的比较

  1. 用途

    • 通用计算机系统:用于多种用途,如办公、娱乐、编程等,具有较强的通用性和灵活性。

    • 嵌入式系统:用于特定任务,如家电控制、汽车电子、工业自动化等,具有专用性和针对性。

  2. 硬件

    • 通用计算机系统:通常使用高性能的通用处理器(如Intel、AMD),具有较大的存储容量和丰富的外设接口。

    • 嵌入式系统:通常使用低功耗、专用的处理器(如ARM、MIPS),存储容量较小,外设接口根据具体需求定制。

  3. 软件

    • 通用计算机系统:运行通用操作系统(如Windows、Linux),支持多任务、多用户操作,软件生态丰富。

    • 嵌入式系统:通常运行实时操作系统(RTOS)或无操作系统,软件针对特定任务优化,资源占用少。

  4. 性能与功耗

    • 通用计算机系统:追求高性能,功耗较高。

    • 嵌入式系统:追求低功耗和高效率,性能满足特定需求即可。

  5. 开发与维护

    • 通用计算机系统:开发工具和环境成熟,维护相对简单。

    • 嵌入式系统:开发工具和环境可能较为复杂,维护需要考虑硬件和软件的紧密结合。

通用计算机系统嵌入式系统
硬件主机(CPU、主板、内存条、显卡等)MCU/MPU(将CPU、存储器、I/O集成在一个芯片上,形成芯片级计算机)
硬件显示器(屏幕尺寸大,分辨率高)显示屏(LCD/OLED,尺寸小)
软件相对独立,用户可安装、卸载集成/固化在芯片中,用户不能更改
操作系统Windows、Mac OS不开源,内核不可裁剪μC/OS-II、Linux、WinCE、Tiny OS、Android等,内核可裁剪

三、嵌入式系统与物联网的关系

        物联网(IoT)是指通过互联网将各种设备、传感器、系统等连接起来,实现数据交换和智能控制。嵌入式系统在物联网中扮演着核心角色,具体体现在以下几个方面:

  1. 终端设备:物联网中的终端设备(如智能家居设备、工业传感器、可穿戴设备)通常都是嵌入式系统,负责数据采集、处理和传输。

  2. 实时性与可靠性:嵌入式系统的实时性和可靠性是物联网应用的重要保障,特别是在工业自动化和智能交通等领域。

  3. 低功耗与小型化:物联网设备通常需要长时间运行且体积小巧,嵌入式系统的低功耗和小型化特点非常适合这些需求。

  4. 通信与协议:嵌入式系统通常集成了各种通信模块(如Wi-Fi、蓝牙、Zigbee等),支持物联网中的多种通信协议,实现设备间的互联互通。

  5. 数据处理与边缘计算:随着物联网的发展,嵌入式系统不仅负责数据采集,还承担了部分数据处理和边缘计算的任务,减少云端负担,提高响应速度。

四、物联网的三层架构

        物联网(IoT)的三层架构是物联网系统的基本框架,通常分为感知层网络层应用层。每一层都有其特定的功能和组成部分,共同协作实现物联网的数据采集、传输和处理。以下是三层架构的详细说明:


1. 感知层(Perception Layer)

        感知层是物联网的最底层,主要负责数据采集物理世界的感知。它是物联网与物理世界直接交互的部分。

  • 功能

    • 采集物理世界的数据(如温度、湿度、光照、位置等)。

    • 控制执行器(如开关、电机等)以执行特定操作。

    • 将采集的数据转换为数字信号,供上层处理。

  • 主要设备

    • 传感器:用于采集环境数据(如温度传感器、湿度传感器、加速度传感器等)。

    • 执行器:用于执行操作(如电机、继电器、LED灯等)。

    • 嵌入式设备:如单片机(MCU)、嵌入式处理器等,负责控制传感器和执行器。

    • RFID标签:用于物体识别和跟踪。

    • 摄像头:用于图像或视频采集。

  • 特点

    • 低功耗、小型化、低成本。

    • 通常部署在物理环境中,可能面临恶劣条件(如高温、高湿、震动等)。


2. 网络层(Network Layer)

        网络层是物联网的中间层,主要负责数据传输通信。它将感知层采集的数据传输到应用层,同时实现设备之间的互联互通。

  • 功能

    • 提供可靠的数据传输通道。

    • 支持多种通信协议和网络技术。

    • 实现设备与云端、设备与设备之间的通信。

  • 主要技术

    • 有线通信:如以太网、RS-485等。

    • 无线通信

      • 短距离通信:蓝牙(Bluetooth)、Zigbee、Wi-Fi、Z-Wave等。

      • 长距离通信:LoRa、NB-IoT、4G/5G等。

    • 网络协议

      • 互联网协议:TCP/IP、HTTP、MQTT、CoAP等。

      • 物联网专用协议:如MQTT-SN、AMQP等。

  • 特点

    • 高可靠性、低延迟、广覆盖。

    • 支持海量设备接入和数据传输。


3. 应用层(Application Layer)

应用层是物联网的最上层,主要负责数据处理分析和应用。它将网络层传输的数据转化为有价值的信息,并提供具体的物联网服务。

  • 功能

    • 数据存储、处理和分析。

    • 提供用户界面和交互功能。

    • 实现具体的物联网应用(如智能家居、智慧城市、工业自动化等)。

  • 主要技术

    • 云计算:用于大规模数据存储和计算。

    • 大数据分析:用于从海量数据中提取有价值的信息。

    • 人工智能(AI):用于数据预测、模式识别和智能决策。

    • 用户界面:如移动应用、Web应用、仪表盘等。

  • 典型应用场景

    • 智能家居:远程控制家电、安防监控。

    • 智慧城市:智能交通、环境监测。

    • 工业物联网(IIoT):设备监控、预测性维护。

    • 智慧医疗:远程医疗、健康监测。

  • 特点

    • 高度定制化,根据不同需求提供特定服务。

    • 强调数据的安全性和隐私保护。


三层架构的协作流程

  1. 感知层采集物理世界的数据(如温度、湿度等)。

  2. 网络层将采集的数据通过有线或无线方式传输到云端或本地服务器。

  3. 应用层对数据进行分析和处理,提供具体的服务(如报警、控制、决策支持等)。


http://www.kler.cn/a/587245.html

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