北京航空航天大學(xué) 何立民

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代微控制器的服務(wù)轉(zhuǎn)型

北京航空航天大學(xué) 何立民

40年來,微控制器發(fā)展經(jīng)歷了單片機(jī)時(shí)代、嵌入式系統(tǒng)時(shí)代,如今又進(jìn)入到物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。單片機(jī)時(shí)代是微電子學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科合作的傳統(tǒng)電子智能化改造時(shí)代;嵌入式系統(tǒng)時(shí)代是微電子學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科、計(jì)算機(jī)學(xué)科交叉融合的智能電子創(chuàng)新時(shí)代;物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代是微電子學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科、計(jì)算機(jī)學(xué)科、信息學(xué)科高度融合的大科技時(shí)代。單片機(jī)時(shí)代、嵌入式系統(tǒng)時(shí)代,微控制器形成了人工智能領(lǐng)域獨(dú)立的、有巨大市場(chǎng)影響力的產(chǎn)業(yè)部門。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,微控制器進(jìn)入到嵌入式系統(tǒng)的服務(wù)時(shí)代。屆時(shí),嵌入式系統(tǒng)將以形形色色的器件平臺(tái)、技術(shù)平臺(tái)、產(chǎn)品平臺(tái)、開發(fā)平臺(tái)、服務(wù)平臺(tái)等平臺(tái)形式實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整合應(yīng)用。

1 回顧微控制器的三個(gè)時(shí)代

當(dāng)微控制器普遍具有網(wǎng)絡(luò)接入功能時(shí),便將互聯(lián)網(wǎng)推進(jìn)到物聯(lián)網(wǎng),因此談及物聯(lián)網(wǎng)時(shí),總要回顧一下微控制器的物聯(lián)發(fā)展史。

回顧微控制器的物聯(lián)發(fā)展史時(shí),都會(huì)論及“單片機(jī)”與“嵌入式系統(tǒng)”。然而,“單片機(jī)”與“嵌入式系統(tǒng)”從來不是一個(gè)科學(xué)的稱謂,它們本質(zhì)上都是微控制器(MicroControllerUnit,MCU)。把微控制器稱做“單片機(jī)”(Single ChipMicrocontroller)是取自它的單片形態(tài),把微控制器稱做“嵌入式系統(tǒng)”(EmbeddedSystems)是看重它的嵌入式應(yīng)用方式。

從1976年MCS 48誕生算起,微控制器已有40年發(fā)展歷程,可以將這40年的發(fā)展歷程劃分成三個(gè)歷史時(shí)代,即MCU1.0、MCU2.0、MCU3.0時(shí)代。

MCU1.0時(shí)代是MCU誕生與傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的智能化改造時(shí)代,也是人工智能的誕生時(shí)代。電子工程師喜歡將微控制器看成是單片微型計(jì)算機(jī),因此,MCU1.0時(shí)代是微電子學(xué)科與電子技術(shù)學(xué)科合作的“單片機(jī)”時(shí)代。

MCU2.0時(shí)代是計(jì)算機(jī)界人士介入控制領(lǐng)域的智能化電子創(chuàng)新時(shí)代。計(jì)算機(jī)專家喜歡將微控制器看成是一個(gè)嵌入到智能電子系統(tǒng)中的智力內(nèi)核,“嵌入式系統(tǒng)”一詞便油然而生,故MCU2.0時(shí)代是微電子學(xué)科、電子技術(shù)學(xué)科與計(jì)算機(jī)學(xué)科交叉融合的多學(xué)科創(chuàng)新時(shí)代。

MCU3.0時(shí)代是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,這時(shí)的微控制器應(yīng)用系統(tǒng)普遍具備上網(wǎng)能力。既往的物聯(lián)史與當(dāng)下的互聯(lián)網(wǎng)接入能力相結(jié)合,將互聯(lián)網(wǎng)推進(jìn)到物聯(lián)網(wǎng)。故MCU3.0是微電子學(xué)科、電子學(xué)科、計(jì)算機(jī)學(xué)科、信息學(xué)科交叉融合的大科技時(shí)代,是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的創(chuàng)新服務(wù)時(shí)代,微控制器作為獨(dú)立產(chǎn)業(yè)逐漸淡出。

2 微控制器的服務(wù)時(shí)代悄然到來

無論是單片機(jī)時(shí)代還是嵌入式系統(tǒng)時(shí)代,微控制器都是獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)體系,有獨(dú)立的產(chǎn)品、獨(dú)立的領(lǐng)域、獨(dú)立的市場(chǎng)、獨(dú)立的產(chǎn)業(yè)大軍。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代到來后,嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)大軍大肆進(jìn)軍物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域,力圖以最佳的服務(wù)引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用大潮,一個(gè)微控制器的服務(wù)時(shí)代悄然到來。以電子血壓計(jì)為例,嵌入式系統(tǒng)時(shí)代,廠家獨(dú)立開發(fā)產(chǎn)品,在市場(chǎng)上獨(dú)立營銷產(chǎn)品;物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,電子血壓計(jì)添加了上網(wǎng)功能,與手機(jī)的專用APP相結(jié)合,融入到智慧醫(yī)療系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,成為智慧醫(yī)療體系的一個(gè)組成部分,完善了智慧醫(yī)療體系服務(wù)。又如,物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,高校中的嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)體系,開始從孤立的實(shí)驗(yàn)室體系變革到近程、遠(yuǎn)程、虛實(shí)交互的云計(jì)算教學(xué)實(shí)驗(yàn)服務(wù)體系。

可以看出,物聯(lián)網(wǎng)誕生時(shí),微控制器技術(shù)已經(jīng)歷了30多年的發(fā)展歷程。無論是產(chǎn)品體系結(jié)構(gòu)、微電子技術(shù)儲(chǔ)備、集成開發(fā)環(huán)境,還是產(chǎn)業(yè)大軍,都為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了雄厚的物質(zhì)基礎(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)誕生后,大批嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域人士開始轉(zhuǎn)戰(zhàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域。因此物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,是微控制器為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)的一個(gè)黃金時(shí)代。

3 MCU的“上天落地”應(yīng)用特征

用“上天落地”一詞更好地形容了物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代MCU應(yīng)用服務(wù)的基本特征。“上天”是指MCU產(chǎn)品體系與互聯(lián)網(wǎng)的“互聯(lián)”,“落地”是指MCU產(chǎn)品體系與物理對(duì)象的“物聯(lián)”,這是所有物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不可缺少的兩個(gè)方面。小到車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)超市、智慧家居、智慧交通,大到智慧社區(qū)、智慧城市、企業(yè)智慧服務(wù)體系等。

MCU全面、成熟的互聯(lián)技術(shù),體現(xiàn)在任何一個(gè)MCU應(yīng)用系統(tǒng)中,它們?nèi)Q于MCU經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)中普遍具有的相互接口通道。無論是單機(jī)、分布式多機(jī)、總線多機(jī)、局域集群網(wǎng)絡(luò),以及近程、遠(yuǎn)程的MCU應(yīng)用系統(tǒng),都有全面、靈活多樣、可選擇在任意節(jié)點(diǎn)接入互聯(lián)網(wǎng)的接口技術(shù)。如智能家居中的智能家電、生產(chǎn)線上的現(xiàn)場(chǎng)總線、智慧家居的區(qū)域互聯(lián)、智慧城市的跨境互聯(lián)、巨型制造企業(yè)全球化服務(wù)體系的遠(yuǎn)程互聯(lián)體系中,都有可滿足任何服務(wù)需求,靈活多樣的互聯(lián)網(wǎng)接入手段。

MCU服務(wù)時(shí)代,MCU全面、成熟的物聯(lián)技術(shù),也是由MCU經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)決定的。每個(gè)MCU應(yīng)用系統(tǒng)中,都有傳感器接入、伺服控制輸出、人機(jī)交互、系統(tǒng)互聯(lián)的接口通道,具有可以與物理對(duì)象靈活多樣的連接方式。

目前,在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中,不少人對(duì)物聯(lián)技術(shù)較為陌生,只有長期在MCU領(lǐng)域工作的工程師們較為熟悉,因?yàn)檫@是它們的專業(yè)領(lǐng)域。記得智能電網(wǎng)興起時(shí),有個(gè)智能電網(wǎng)老總,要我?guī)兔ふ夜饫w入戶后,有關(guān)儀表、電器、鍵盤、顯示器等接入技術(shù)的合作伙伴。

物聯(lián)技術(shù)對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用至關(guān)重要。例如,現(xiàn)有的城市交管系統(tǒng)只能查處車輛違章,無法查及違章駕駛員,由此產(chǎn)生諸多弊端。未來先進(jìn)的城市智慧交管系統(tǒng)中,加入駕駛員駕駛認(rèn)證、汽車行駛記錄儀等物聯(lián)技術(shù),可以確定違章車輛的真實(shí)駕駛責(zé)任。又如,現(xiàn)有多數(shù)大企業(yè)的全球化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體系多為客服體系,未來,先進(jìn)的全球化物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)體系,將網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體系與售出的產(chǎn)品體系連接起來,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)行監(jiān)測(cè)、預(yù)警、故障處理,以及軟件的遠(yuǎn)程升級(jí)服務(wù),大大地提升了產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力,提升了企業(yè)的智慧服務(wù)水平。

物聯(lián)技術(shù)是嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域工程師的強(qiáng)項(xiàng),也是MCU領(lǐng)域?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)的重點(diǎn)內(nèi)容。

4 MCU的服務(wù)系統(tǒng)意識(shí)轉(zhuǎn)變

MCU服務(wù)系統(tǒng)意識(shí)轉(zhuǎn)變,是指從“互聯(lián)網(wǎng)為我服務(wù)”到“我為互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)”的意識(shí)轉(zhuǎn)變。

在物聯(lián)網(wǎng)誕生前的十多年間,已出現(xiàn)過眾多具有互聯(lián)網(wǎng)接入功能的智能電子系統(tǒng),如智能家居、汽車電子、醫(yī)療電子等。這些智能電子系統(tǒng)引入互聯(lián)網(wǎng)接入的目的是提升系統(tǒng)的智能水平,如遠(yuǎn)程監(jiān)控、軟件升級(jí)等。這是一種“互聯(lián)網(wǎng)為我服務(wù)”的獨(dú)立產(chǎn)業(yè)意識(shí),目的是為了提升MCU產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力。

物聯(lián)網(wǎng)誕生后,MCU智能系統(tǒng)將互聯(lián)網(wǎng)從信息領(lǐng)域變革到可控制萬物的一個(gè)全新的應(yīng)用領(lǐng)域。MCU智能系統(tǒng)的物聯(lián)技術(shù),使城市交管系統(tǒng)從查處車輛違章拓展到查處駕駛員違章;使企業(yè)的全球服務(wù)體系從網(wǎng)絡(luò)化信息管理提升到產(chǎn)品監(jiān)控、維修、升級(jí)的高級(jí)智慧體系。

眾多成熟的MCU智能系統(tǒng)物聯(lián)技術(shù),可大大提升物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用水平。然而,在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中,多數(shù)從業(yè)人員并不了解40多年來MCU智能系統(tǒng)物聯(lián)技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r。在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的行家看來,將城市交管系統(tǒng)的監(jiān)控能力延伸到車輛內(nèi)部,為超市研制智慧購物小車,將智能電網(wǎng)從強(qiáng)電領(lǐng)域的智能變電站延伸到智能電表的家庭家居管控中心,將智慧醫(yī)療系統(tǒng)從咨詢、顧問系統(tǒng)轉(zhuǎn)變到臨床、治療、化驗(yàn)、手術(shù)等物聯(lián)智慧醫(yī)療體系等,并不困難。但在原先互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域從業(yè)者看來,似乎有不可克服的障礙。

造成這種狀況的原因,一是隔行如隔山,二是40多年來MCU一直處于IT產(chǎn)業(yè)的后臺(tái),少為人知,由此造成物聯(lián)應(yīng)用中的障礙。例如,多年來在智能電網(wǎng)建設(shè)上取得了巨大進(jìn)展的國家電網(wǎng),縱有強(qiáng)大、可靠、完備的可直接入戶的光纖通信網(wǎng),卻在智能電表關(guān)口止步不前。如果能在智能電表入口后,以智能電表為平臺(tái),建立起智能家居的信息中心、管控中心、智慧用電中心,就有可能建立起一個(gè)比電信網(wǎng)、廣播網(wǎng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)更加安全可靠、可高度集中管理的國家互聯(lián)網(wǎng)與國家物聯(lián)網(wǎng)。

5 嵌入式系統(tǒng)的平臺(tái)服務(wù)模式

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,嵌入式系統(tǒng)技術(shù)全面成熟,并不意味著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的停滯,而是向平臺(tái)模式轉(zhuǎn)型。在向平臺(tái)模式轉(zhuǎn)型時(shí),應(yīng)把服務(wù)觀念放在首位,把方法、方向放在重要位置。有了觀念、方法、方向,技術(shù)只是實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的整合而已。

從單片機(jī)時(shí)代到嵌入式系統(tǒng)時(shí)代,微電子提供“芯片化解決方法”,計(jì)算機(jī)提供“集成開發(fā)環(huán)境”,電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)“智能化應(yīng)用”。這種多學(xué)科的交叉融合,開創(chuàng)了一種先進(jìn)的平臺(tái)開發(fā)模式。芯片化解決方法為嵌入式系統(tǒng)提供了“器件平臺(tái)”的應(yīng)用模式;集成開發(fā)環(huán)境為產(chǎn)品研發(fā)提供了“開發(fā)平臺(tái)”的應(yīng)用模式。在“器件平臺(tái)”、“開發(fā)平臺(tái)”基礎(chǔ)上,開始了嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品創(chuàng)新的飛速發(fā)展時(shí)代。

平臺(tái)模式,是一種先進(jìn)的應(yīng)用模式,它將知識(shí)原理與知識(shí)應(yīng)用、知識(shí)創(chuàng)新與創(chuàng)新知識(shí)應(yīng)用徹底分離。不論是“器件平臺(tái)”還是“開發(fā)平臺(tái)”,它們都有知識(shí)原理與應(yīng)用界面兩個(gè)部分。在平臺(tái)基礎(chǔ)上開發(fā)智能產(chǎn)品時(shí),只要了解應(yīng)用界面,不必了解其中的知識(shí)原理就能實(shí)現(xiàn)知識(shí)創(chuàng)新應(yīng)用。例如,沒有時(shí)鐘計(jì)時(shí)原理知識(shí),不懂A/D轉(zhuǎn)換原理,有了時(shí)鐘芯片、A/D轉(zhuǎn)換器件及其應(yīng)用說明書,就能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中的日歷時(shí)鐘計(jì)時(shí)與模擬信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換應(yīng)用。另外,微電子專家將知識(shí)成果轉(zhuǎn)化成器件后,不介入器件應(yīng)用;計(jì)算機(jī)專家構(gòu)建集成開發(fā)環(huán)境后,并不從事產(chǎn)品開發(fā)。這種知、用分離的平臺(tái)模式,最大化地降低了產(chǎn)品的開發(fā)難度,平臺(tái)的巨大扇出效應(yīng)(即一個(gè)精英團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的平臺(tái)可迅速實(shí)現(xiàn)全球應(yīng)用)還大大地節(jié)約了社會(huì)智力資源。

受器件平臺(tái)、開發(fā)平臺(tái)影響,嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)中也不斷引入平臺(tái)模式。在模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上,各種軟硬件的“產(chǎn)品平臺(tái)”應(yīng)運(yùn)而生,使嵌入式產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)入到一個(gè)軟硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上的整合創(chuàng)新時(shí)代。因此,在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代,為了應(yīng)對(duì)形形色色的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,應(yīng)不斷強(qiáng)化與提升這種先進(jìn)的平臺(tái)應(yīng)用模式,為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供形形色色的平臺(tái)化技術(shù)與平臺(tái)化產(chǎn)品,最終實(shí)現(xiàn)平臺(tái)整合下的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用模式。

平臺(tái)化是一種先進(jìn)理念,是一種最佳的應(yīng)用模式。形形色色的平臺(tái)為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用提供了最簡捷、最快速的整合應(yīng)用。如為物聯(lián)網(wǎng)終端提供形形色色白產(chǎn)品系統(tǒng)(通用產(chǎn)品系統(tǒng))應(yīng)用的產(chǎn)品平臺(tái);為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)交互界面提供標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化解決方案的各種形式的交互平臺(tái);將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用中的軟硬件技術(shù)實(shí)現(xiàn)器件轉(zhuǎn)化的器件平臺(tái);不斷簡化操作系統(tǒng)、簡化軟件應(yīng)用界面,實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傻瓜化開發(fā)應(yīng)用的開發(fā)平臺(tái);為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供軟硬件技術(shù)支持的OEM軟硬件平臺(tái)等?？傊?無論是成熟的,還是創(chuàng)新的嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品與技術(shù),都應(yīng)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的平臺(tái),實(shí)現(xiàn)平臺(tái)整合下的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

[1]何立民.嵌入式系統(tǒng)支柱學(xué)科的交叉與融合[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2008(5).

[2]何立民.嵌入式系統(tǒng)的知識(shí)平臺(tái)與平臺(tái)模式[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2008(9).

[3]何立民.物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的嵌入式系統(tǒng)機(jī)遇[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2011(3).

[4]何立民.從三個(gè)時(shí)代變遷看物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的MCU[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2015(4).

[5]何立民.從人工智能的源頭說起[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2016(8).

[6]何立民.人工智能的兩個(gè)領(lǐng)域[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2016(9).

[7]何立民.知識(shí)學(xué)視角的人工智能[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2016(10).

薛士然

2016-09-22)