纵论物联网（四）：物联网终端设备

导语

之前的几篇文章我们已经介绍过物联网的各种无线技术，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。

结语

在后面的文章，我们会和大家详细介绍各种目前应用比较广泛的嵌入式操作系统，这些操作系统都可以用于各种各样的物联网终端节点中，不过具体如何选择，还要结合整体方案综合考虑。