STM32 —— 嵌入式系統、通用計算機系統、物聯網三層架構

目錄

一、嵌入式系統的概念

二、通用計算機系統與嵌入式系統的比較

用途

硬件

軟件

性能與功耗

開發與維護

三、嵌入式系統與物聯網的關系

四、物聯網的三層架構

1.?感知層（Perception Layer）

2.?網絡層（Network Layer）

3.?應用層（Application Layer）

三層架構的協作流程

一、嵌入式系統的概念

????????嵌入式系統一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統以及應用程序等4部分組成，并且分為4個層次：硬件層、中間層、軟件層和應用層。

????????嵌入式系統是一種專用的計算機系統，通常嵌入在更大的設備或系統中，用于執行特定的任務。它通常由硬件和軟件組成，硬件包括處理器、存儲器、輸入/輸出接口等，軟件則包括操作系統（通常是實時操作系統RTOS）和應用程序。嵌入式系統的設計目標是高效、可靠、實時響應，并且通常具有低功耗、小體積和低成本的特點。

二、通用計算機系統與嵌入式系統的比較

  1. 用途

    • 通用計算機系統：用于多種用途，如辦公、娛樂、編程等，具有較強的通用性和靈活性。

    • 嵌入式系統：用于特定任務，如家電控制、汽車電子、工業自動化等，具有專用性和針對性。

  2. 硬件

    • 通用計算機系統：通常使用高性能的通用處理器（如Intel、AMD），具有較大的存儲容量和豐富的外設接口。

    • 嵌入式系統：通常使用低功耗、專用的處理器（如ARM、MIPS），存儲容量較小，外設接口根據具體需求定制。

  3. 軟件

    • 通用計算機系統：運行通用操作系統（如Windows、Linux），支持多任務、多用戶操作，軟件生態豐富。

    • 嵌入式系統：通常運行實時操作系統（RTOS）或無操作系統，軟件針對特定任務優化，資源占用少。

  4. 性能與功耗

    • 通用計算機系統：追求高性能，功耗較高。

    • 嵌入式系統：追求低功耗和高效率，性能滿足特定需求即可。

  5. 開發與維護

    • 通用計算機系統：開發工具和環境成熟，維護相對簡單。

    • 嵌入式系統：開發工具和環境可能較為復雜，維護需要考慮硬件和軟件的緊密結合。

通用計算機系統嵌入式系統
硬件主機(CPU、主板、內存條、顯卡等)MCU/MPU(將CPU、存儲器、I/O集成在一個芯片上，形成芯片級計算機)
硬件顯示器（屏幕尺寸大，分辨率高）顯示屏（LCD/OLED，尺寸小）
軟件相對獨立，用戶可安裝、卸載集成/固化在芯片中，用戶不能更改
操作系統Windows、Mac OS不開源，內核不可裁剪μC/OS-II、Linux、WinCE、Tiny OS、Android等，內核可裁剪

三、嵌入式系統與物聯網的關系

????????物聯網（IoT）是指通過互聯網將各種設備、傳感器、系統等連接起來，實現數據交換和智能控制。嵌入式系統在物聯網中扮演著核心角色，具體體現在以下幾個方面：

  1. 終端設備：物聯網中的終端設備（如智能家居設備、工業傳感器、可穿戴設備）通常都是嵌入式系統，負責數據采集、處理和傳輸。

  2. 實時性與可靠性：嵌入式系統的實時性和可靠性是物聯網應用的重要保障，特別是在工業自動化和智能交通等領域。

  3. 低功耗與小型化：物聯網設備通常需要長時間運行且體積小巧，嵌入式系統的低功耗和小型化特點非常適合這些需求。

  4. 通信與協議：嵌入式系統通常集成了各種通信模塊（如Wi-Fi、藍牙、Zigbee等），支持物聯網中的多種通信協議，實現設備間的互聯互通。

  5. 數據處理與邊緣計算：隨著物聯網的發展，嵌入式系統不僅負責數據采集，還承擔了部分數據處理和邊緣計算的任務，減少云端負擔，提高響應速度。

四、物聯網的三層架構

????????物聯網（IoT）的三層架構是物聯網系統的基本框架，通常分為感知層、網絡層和應用層。每一層都有其特定的功能和組成部分，共同協作實現物聯網的數據采集、傳輸和處理。以下是三層架構的詳細說明：

1.?感知層（Perception Layer）

????????感知層是物聯網的最底層，主要負責數據采集和物理世界的感知。它是物聯網與物理世界直接交互的部分。

  • 功能：

    • 采集物理世界的數據（如溫度、濕度、光照、位置等）。

    • 控制執行器（如開關、電機等）以執行特定操作。

    • 將采集的數據轉換為數字信號，供上層處理。

  • 主要設備：

    • 傳感器：用于采集環境數據（如溫度傳感器、濕度傳感器、加速度傳感器等）。

    • 執行器：用于執行操作（如電機、繼電器、LED燈等）。

    • 嵌入式設備：如單片機（MCU）、嵌入式處理器等，負責控制傳感器和執行器。

    • RFID標簽：用于物體識別和跟蹤。

    • 攝像頭：用于圖像或視頻采集。

  • 特點：

    • 低功耗、小型化、低成本。

    • 通常部署在物理環境中，可能面臨惡劣條件（如高溫、高濕、震動等）。

2.?網絡層（Network Layer）

????????網絡層是物聯網的中間層，主要負責數據傳輸和通信。它將感知層采集的數據傳輸到應用層，同時實現設備之間的互聯互通。

  • 功能：

    • 提供可靠的數據傳輸通道。

    • 支持多種通信協議和網絡技術。

    • 實現設備與云端、設備與設備之間的通信。

  • 主要技術：

    • 有線通信：如以太網、RS-485等。

    • 無線通信：

      • 短距離通信：藍牙（Bluetooth）、Zigbee、Wi-Fi、Z-Wave等。

      • 長距離通信：LoRa、NB-IoT、4G/5G等。

    • 網絡協議：

      • 互聯網協議：TCP/IP、HTTP、MQTT、CoAP等。

      • 物聯網專用協議：如MQTT-SN、AMQP等。

  • 特點：

    • 高可靠性、低延遲、廣覆蓋。

    • 支持海量設備接入和數據傳輸。

3.?應用層（Application Layer）

應用層是物聯網的最上層，主要負責數據處理、分析和應用。它將網絡層傳輸的數據轉化為有價值的信息，并提供具體的物聯網服務。

  • 功能：

    • 數據存儲、處理和分析。

    • 提供用戶界面和交互功能。

    • 實現具體的物聯網應用（如智能家居、智慧城市、工業自動化等）。

  • 主要技術：

    • 云計算：用于大規模數據存儲和計算。

    • 大數據分析：用于從海量數據中提取有價值的信息。

    • 人工智能（AI）：用于數據預測、模式識別和智能決策。

    • 用戶界面：如移動應用、Web應用、儀表盤等。

  • 典型應用場景：

    • 智能家居：遠程控制家電、安防監控。

    • 智慧城市：智能交通、環境監測。

    • 工業物聯網（IIoT）：設備監控、預測性維護。

    • 智慧醫療：遠程醫療、健康監測。

  • 特點：

    • 高度定制化，根據不同需求提供特定服務。

    • 強調數據的安全性和隱私保護。

三層架構的協作流程

  1. 感知層采集物理世界的數據（如溫度、濕度等）。

  2. 網絡層將采集的數據通過有線或無線方式傳輸到云端或本地服務器。

  3. 應用層對數據進行分析和處理，提供具體的服務（如報警、控制、決策支持等）。

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