第1章物联网及嵌入式概述

这一章节主要解决四个问题：物联网是什么、物联网系统怎么组成、常见通信技术有哪些、为什么物联网设备离不开嵌入式和操作系统。

一、本章总体框架

这章可以分成三大块：

物联网概述 讲物联网的定义、内涵、应用场景、体系架构和四大基本要素。
物联网通信技术 讲短距离无线通信技术和长距离无线通信技术，例如蓝牙、Wi-Fi、ZigBee、LoRa、NB-IoT 等。
物联网与嵌入式系统 讲嵌入式系统是什么，嵌入式操作系统是什么，以及裸机开发和操作系统开发的区别。

考试通常会围绕最后一页习题来考： 物联网定义和内涵、体系架构和四大要素、低功耗广域物联网技术对比、裸机开发与操作系统开发区别。

二、物联网是什么？

1. 物联网的定义

物联网英文是 Internet of Things，IoT。

可以从狭义和广义两个角度理解。

狭义物联网

狭义上，物联网就是：

把物品和物品连接起来的网络，实现物品的智能识别和管理。

这里重点是物与物相连。比如共享单车、智能门锁、智能电表、智能水表、物流追踪设备等，它们都可以自动采集状态，并通过网络上传数据。

广义物联网

广义上，物联网是：

信息空间和物理空间的融合。

也就是说，把现实世界中的各种对象数字化、网络化，让现实中的设备、环境、人和系统之间可以交换信息。

举个例子：

现实中的温度、湿度、位置、运动状态、电量、设备故障等，本来是物理世界的信息。通过传感器采集后，这些信息变成数字数据，再上传到云平台进行处理，这就是物理世界进入信息空间。

所以，物联网不是简单地“联网”，而是要实现：

感知现实 → 传输数据 → 分析处理 → 控制现实。

三、物联网的核心内涵：物物相连，物人相连

物联网的内涵是：

物物相连，物人相连。

也可以理解为两类关系：

1. M2M： Machine to Machine

即机器与机器之间通信。

例如：

智慧物流
智慧农业
智慧能源
智能制造
车联网

这些场景中，很多数据交换并不需要人直接参与。比如农业传感器检测到土壤湿度过低后，系统自动控制灌溉设备开始浇水，这就是典型的 M2M。

2. M2P： Machine to Person

即机器与人之间通信。

例如：

智能手环
移动医疗
智能家居
健康监测设备

比如智能手环检测到心率异常，然后提醒用户注意身体，这就是物与人的交互。

复习时要记住： 物联网的本质不是“人上网”，而是“物主动产生数据，并参与信息交互”。

四、物联网的应用场景

举几个生活中的例子：

共享单车
智能手环
智能家居

这些例子都体现了物联网的共同特点：

有感知设备，比如传感器、GPS、智能锁；
有通信方式，比如蓝牙、蜂窝网络、NB-IoT；
有平台处理，比如云服务器；
有应用服务，比如手机 App、计费系统、健康提醒系统。

所以判断一个系统是不是物联网系统，可以看它是否具备：

感知、联网、数据处理、智能控制或服务。

五、物联网体系架构

物联网体系架构分为四层：

感知及控制层
网络层
平台服务层
应用服务层

这部分非常重要，容易考简答题。

1. 感知及控制层

这是物联网系统的最底层，负责从现实世界获取信息，或者对现实世界进行控制。

典型设备包括：

摄像头
温湿度传感器
声光电传感器
RFID
GPS
智能锁
执行器

它的作用可以概括为两个字：

感知。

例如：

智能手环感知心率，智能水表感知用水量，共享单车智能锁感知锁是否关闭。

2. 网络层

网络层负责把感知层采集到的数据传输到平台或云端。

它包括：

接入网
核心网

接入网主要涉及各种通信技术，比如：

蓝牙
Wi-Fi
ZigBee
4G/5G
NB-IoT
LoRa

核心网主要是互联网，比如 IPv4、IPv6 网络。

简单理解：

感知层负责“采集”，网络层负责“传输”。

3. 平台服务层

平台服务层通常就是云平台，例如：

阿里云
华为云
腾讯云

它负责对海量数据进行：

存储
分析
管理
设备管理
数据管理
空间信息管理

这一层相当于物联网系统的大脑之一。

例如共享单车把锁车信息上传到云端后，云平台需要判断用户是否还车成功、计算费用、记录位置等。

4. 应用服务层

应用服务层直接面向用户，提供具体服务。

例如：

智慧交通
环境监测
健康检测
医疗方案建议
智能家居控制
共享单车 App

用户看到的手机 App、后台管理平台、监测预警系统，一般都属于应用服务层。

5. 四层之间的关系

可以这样理解：

感知及控制层采集数据 → 网络层传输数据 → 平台服务层处理数据 → 应用服务层提供服务 → 再通过网络层反馈控制感知设备。

这是一条完整闭环。

六、物联网四大基本要素：感、联、知、控

用共享单车说明物联网的四大基本要素：

1. 感

即感知。

设备要能感知现实世界状态。比如共享单车智能锁检测到“锁已关闭”。

2. 联

即连接。

设备要能通过网络把数据传出去。比如智能锁通过 NB-IoT 向云端发送还车信息。

3. 知

即认知、分析、处理。

云平台收到数据后，要进行判断和处理。比如判断用户是否还车成功，并进行费用结算。

4. 控

即控制。

系统根据处理结果，对设备或用户做出反馈。比如 App 显示还车成功，或者云端下发开锁指令。

所以可以背成：

物联网的四大基本要素是：感、联、知、控。即感知信息、连接传输、智能处理、反馈控制。

七、共享单车关锁案例

用共享单车关锁过程说明物联网系统如何运行。

过程大致如下：

用户手动关锁；
智能锁检测到锁已关闭；
智能锁向云端报告还车成功；
云端进行费用结算；
GPS 向云端报告车辆位置；
手机 App 显示还车状态。

在这个过程中，不同部分对应不同层次：

组成部分	所属层次
智能锁、GPS	感知及控制层
蓝牙、NB-IoT、蜂窝网络	网络层
云服务器	平台服务层
手机 App	应用服务层

其中涉及多种通信技术：

手机和智能锁之间：蓝牙；
智能锁和云端之间：NB-IoT；
手机和云端之间：蜂窝移动通信。

这个案例很适合用于简答题，因为它可以把体系架构、通信技术、四大要素都串起来。

八、物联网无线通信技术分类

物联网无线通信技术分为两大类：

短距离无线通信技术；
长距离无线通信技术。

分类依据主要是传输距离。

九、短距离无线通信技术

短距离通信一般用于几十米范围内，常见技术包括：

蓝牙 Bluetooth
Wi-Fi
ZigBee
NFC

1. 蓝牙 Bluetooth

蓝牙适合短距离、低功耗设备连接。

常见应用：

无线耳机
鼠标
键盘
手机
智能手环

优点：

速率较快；
功耗较低；
安全性较高；
成本较低。

缺点：

网络节点数量较少；
组网能力较弱；
不太适合大规模多点布控。

复习时可以这样记：

蓝牙适合个人设备之间的短距离连接，属于典型个域网技术。

2. Wi-Fi

Wi-Fi 是无线局域网技术，适合办公室、家庭、校园等场景。

常见应用：

家庭上网
办公网络
视频传输
智能摄像头
大数据量传输设备

优点：

传输速率高；
覆盖范围较广；
使用方便。

缺点：

功耗相对较高；
稳定性和安全性需要额外保障；
对低功耗物联网终端不一定友好。

复习时要记住：

Wi-Fi 的特点是速度快，但功耗较高。

3. ZigBee

ZigBee 是物联网中非常典型的低功耗组网技术。

常见应用：

智能家居
工业控制
安防监控
楼宇自动化
远程控制

优点：

功耗低；
安全性较高；
组网能力强；
支持自组网；
容量大；
电池寿命长。

缺点：

通信距离较短；
成本较高；
抗干扰能力相对有限；
协议生态不如 Wi-Fi 普及。

考试中经常会问： 为什么 ZigBee 适合智能家居？

可以答：

因为 ZigBee 功耗低、支持自组网和路由，适合大量低速率、低功耗设备组成网络。

4. NFC

NFC 是近场通信技术，由 RFID 和互连技术发展而来。

特点：

距离非常近；
功耗低；
成本低；
保密性较好；
传输速率和传输距离都不如蓝牙。

常见应用：

刷公交卡
门禁卡
手机支付
近距离身份识别

记忆关键词：

NFC：距离近，安全性好，适合近距离识别和支付。

十、长距离无线通信技术

长距离通信一般用于上百米到数十千米范围，主要包括：

蜂窝移动通信技术；
低功耗广域网 LPWAN 技术。

1. 蜂窝移动通信技术

包括：

它们的特点是覆盖范围广、基础设施成熟，适合需要广域覆盖的物联网应用。

但传统蜂窝通信对一些小数据、低功耗、低成本设备来说可能过于复杂，所以出现了专门面向物联网的低功耗广域技术。

2. LPWAN：低功耗广域网

LPWAN 全称是：

Low Power Wide Area Network

即低功耗广域网络。

它的目标是满足物联网设备的几个需求：

传输距离远；
功耗低；
成本低；
连接数量多；
数据速率不需要太高。

典型技术包括：

SigFox
LoRa
NB-IoT

十一、SigFox、LoRa、NB-IoT 对比

这部分很容易考。

1. SigFox

SigFox 采用超窄带 UNB 技术，工作在免授权频谱。

优点：

免授权；
功耗低；
数据传输稳定。

缺点：

数据速率很低，约 100 bps。

适合小数据量、低频次上传的场景。

2. LoRa

LoRa 是一种低功耗广域网技术，工作在 sub-GHz 免授权频段。

优点：

传输距离远；
功耗低；
节点数量多；
适合大规模部署。

缺点：

数据传输速率低，约 0.3–50 kbps。

常见应用：

智慧农业
智能建筑
物流追踪
环境监测

3. NB-IoT

NB-IoT 是窄带物联网技术，基于蜂窝网络。

特点：

使用授权频段；
在蜂窝网络中占用约 180 kHz 带宽；
覆盖广；
连接数量多；
功耗低；
部署成本较低。

常见应用：

智能水表
智能停车
烟雾报警
垃圾桶监测
宠物跟踪

与 LoRa、SigFox 相比，NB-IoT 的一个重要特点是：

NB-IoT 依托运营商蜂窝网络，使用授权频谱，网络质量和管理能力更强。

4. 三者简要对比

技术	频谱	优点	缺点	典型场景
SigFox	免授权频谱	功耗低、稳定	速率极低	小数据远程监控
LoRa	免授权频谱	距离远、功耗低、节点多	速率低	农业、建筑、物流
NB-IoT	授权频谱	覆盖广、连接多、运营商支持	速率不高	水表、停车、报警

复习时可以这样背：

LoRa 和 SigFox 是免授权频谱；NB-IoT 是授权频谱。三者都属于低功耗广域物联网技术（LPWAN），特点是低功耗、广覆盖、低速率。

十二、物联网与嵌入式系统的关系

一句话概括：

物联网就是嵌入式产品的网络化。

这句话很适合作为考试回答的核心句。

为什么这么说？

因为物联网系统中的很多终端设备，本质上都是嵌入式设备。

比如：

智能锁
智能手环
智能水表
智能摄像头
传感器节点
车载终端
工业控制器

这些设备都需要完成：

数据采集；
控制操作；
简单计算；
通信传输；
低功耗运行。

这些功能都是通过嵌入式系统实现的。

所以：

物联网提供应用场景和网络连接，嵌入式系统提供底层设备控制和数据处理能力。

十三、什么是嵌入式系统？

定义：

嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等特殊要求的专用计算机系统。

这个定义比较长，复习时可以拆成几个关键词：

1. 以应用为中心

嵌入式系统不是通用电脑，而是为了某个具体应用设计的。

例如：

洗衣机控制系统；
汽车发动机控制系统；
智能手环系统；
无人机飞控系统。

它们不是为了什么都能做，而是为了把某个特定任务做好。

2. 以计算机技术为基础

嵌入式系统本质上仍然是计算机系统，有处理器、存储器、输入输出接口和软件程序。

3. 软硬件可裁剪

这是嵌入式系统的重要特点。

通用电脑功能很多，但嵌入式系统要根据需求进行裁剪。

比如一个温度传感器节点可能只需要：

一个 MCU；
一个温度传感器；
一个通信模块；
少量存储；
简单程序。

不需要屏幕、键盘、大容量硬盘等。

4. 满足特殊要求

嵌入式系统通常对以下方面有严格要求：

功能；
可靠性；
成本；
体积；
功耗；
实时性。

例如智能手环必须低功耗，小型设备必须体积小，工业控制系统必须可靠。

十四、嵌入式系统的三个基本要素

三个基本要素：

嵌入性；
专用性；
计算机系统。

1. 嵌入性

嵌入式系统通常嵌入到某个对象或设备中。

例如嵌入到汽车、空调、手环、机器人、传感器中。

它不是独立作为一台电脑存在，而是成为设备的一部分。

2. 专用性

嵌入式系统通常只完成特定任务。

例如电饭煲中的控制系统主要负责加热控制，智能水表中的系统主要负责计量和上传数据。

3. 计算机系统

虽然它小，但它仍然是计算机系统。

它有处理器，有程序，有输入输出，有控制逻辑。

十五、嵌入式系统的分类

按形态将嵌入式系统分为三级：

1. 芯片级

例如：

这是最底层的嵌入式形态。

MCU 就是单片机，SoC 是系统级芯片。

2. 板级

例如：

单板机
模块

比如开发板、通信模块、控制板。

3. 设备级

例如：

工控机
智能终端
完整嵌入式设备

这是已经形成具体产品的层次。

十六、嵌入式系统的典型组成

典型嵌入式系统组成结构，自底向上包括：

嵌入式硬件系统；
硬件适配层；
操作系统层；
应用软件层。

1. 嵌入式硬件系统

包括 MCU、存储器、传感器、通信模块、输入输出接口等。

它是整个系统的物理基础。

2. 硬件适配层

用于屏蔽底层硬件差异，让上层软件可以更方便地使用硬件。

例如驱动程序、板级支持包等。

3. 操作系统层

操作系统负责管理任务、内存、中断、时间、设备等资源。

在物联网操作系统课程中，这一层非常重要。

后面学习 LiteOS，就是在学习嵌入式操作系统如何管理资源。

4. 应用软件层

这是直接实现业务功能的程序。

例如：

温度采集程序；
蓝牙通信程序；
设备上报程序；
智能家居控制程序。

十七、嵌入式操作系统是什么？

嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的软件。

它通常包括：

底层驱动软件；
系统内核；
设备驱动接口；
通信协议；
图形用户界面；
标准化浏览器等。

当然，并不是所有嵌入式系统都有完整 GUI 或浏览器，小型物联网设备可能只需要很轻量的内核和通信组件。

常见嵌入式操作系统

比如：

嵌入式 Linux
Symbian 塞班
Android 安卓
VxWorks
μC/OS-II
LiteOS

本课程后面重点学习的是 LiteOS。

LiteOS 是华为开发的面向物联网场景的操作系统，特点是简单易用、组件丰富，适合快速构建物联网产品。

十八、为什么要学习 RTOS？

RTOS 是：

Real Time Operating System，实时操作系统。

单片机编程通常是裸机编程，也就是不加入实时操作系统。

但是随着产品功能越来越复杂，裸机程序会越来越难维护。这时引入 RTOS，可以实现多任务管理，降低开发难度。

简单来说：

功能少时，裸机开发还能应付；功能多时，使用 RTOS 更清晰、更可靠。

例如一个智能设备同时要完成：

采集传感器数据；
刷新显示屏；
处理按键；
进行无线通信；
低功耗管理；
异常报警。

如果全部写在一个 while 循环里，程序会变得非常混乱。如果使用 RTOS，就可以把这些功能拆成多个任务：

传感器任务；
显示任务；
通信任务；
按键任务；
报警任务。

由操作系统统一调度。

十九、裸机开发与操作系统开发的区别

这是本章最重要的考点之一。

1. 裸机开发是什么？

裸机开发通常是前后台系统。

常见结构是：

中断服务程序 ISR 负责响应事件；
主循环 while(1) 不断轮询标志位；
如果标志位被置 1，就执行对应功能。

例如：

int flag1;
int flag2;

int main()
{
    for(;;)
    {
        if(flag1 == 1)
        {
            dosomethingforIsr1();
        }

        if(flag2 == 1)
        {
            dosomethingforIsr2();
        }
    }
}

void isr1(void)
{
    flag1 = 1;
    dosomething();
}

void isr2(void)
{
    flag2 = 1;
    dosomething();
}

这个结构的核心是：

中断置标志，主循环轮询处理。

2. 裸机开发的问题

裸机开发在小项目中简单直接，但功能复杂后会出现很多问题。

例如：

所有功能都挤在一个主循环里；
模块之间耦合严重；
某个函数执行时间过长会影响其他功能；
实时性难以保证；
程序结构越来越乱；
后期维护困难。

比如主循环正在执行一个耗时任务，这时另一个重要任务可能无法及时处理。

3. 操作系统开发是什么？

带操作系统开发时，程序会被拆分成多个任务 Task。

每个任务负责一类功能，例如：

任务1：采集传感器；
任务2：无线通信；
任务3：显示刷新；
任务4：按键检测；
任务5：报警控制。

RTOS 负责对这些任务进行调度。

这样看起来像多个任务同时执行，实际上是 CPU 在不同任务之间快速切换。

4. 裸机开发与操作系统开发对比

对比项	裸机开发	带操作系统开发
执行方式	串行执行	多任务调度，高并发
程序结构	高耦合	模块化
CPU利用率	较低	较高
实时性	较差，难保证	实时性更有保证
生态	基本无生态	组件和生态丰富
开发效率	较低，容易重复开发	较高，可移植性好
适用场景	小型简单项目	复杂项目、大项目

复习时可以总结为：

裸机开发适合简单、小规模系统；操作系统开发适合任务多、实时性要求高、结构复杂的系统。

二十、物联网系统架构与嵌入式系统架构的不同

物联网与普通嵌入式系统架构有两点不同。

1. 物联网设备不一定有完整操作系统层

有些轻量级物联网设备资源非常有限，可能没有完整操作系统，只运行简单程序。

例如一些超低功耗传感器节点，可能只负责采集数据并上传。

也有一些设备直接和简化的 RTOS 交互，没有复杂中间件层。

2. 物联网的硬件、操作系统和应用可能物理分离

传统嵌入式系统通常硬件、操作系统和应用都在同一个设备上。

但物联网系统中，很多时候：

终端设备只负责采集和简单控制；
应用运行在手机 App 或云服务器上；
数据分析和业务逻辑由远程平台完成。

例如共享单车：

智能锁在车上；
App 在用户手机上；
计费系统在云端。

它们共同组成完整系统，但并不在同一个物理设备上。

二十一、本章重点背诵版

下面这部分适合考前直接背。

1. 物联网定义

物联网是 Internet of Things，狭义上是连接物品到物品的网络，实现物品的智能化识别和管理；广义上是信息空间与物理空间的融合，通过感知、通信、平台和应用实现物与物、物与人之间的信息交互。

2. 物联网内涵

物联网的核心内涵是：

物物相连，物人相连。

包括：

M2M：物与物通信，如智慧物流、智慧农业、车联网；
M2P：物与人通信，如智能手环、移动医疗、智能家居。

3. 物联网体系架构

物联网体系架构包括四层：

感知及控制层：负责数据采集和控制；
网络层：负责数据传输；
平台服务层：负责数据存储、分析和管理；
应用服务层：负责提供具体应用服务。

4. 物联网四大基本要素

物联网四大基本要素是：

感、联、知、控。

含义分别是：

感：感知现实世界信息；
联：通过网络连接和传输；
知：对数据进行分析处理；
控：根据处理结果进行反馈控制。

5. 短距离无线通信技术

常见短距离无线通信技术包括：

蓝牙：低功耗、低成本，适合个域网；
Wi-Fi：速率高，但功耗较高；
ZigBee：低功耗，组网能力强，适合智能家居和工业控制；
NFC：近距离、安全性好，适合支付和身份识别。

6. 长距离无线通信技术

长距离无线通信技术包括：

蜂窝通信：2G、3G、4G、5G；
LPWAN：低功耗广域网，包括 SigFox、LoRa、NB-IoT。

其中：

SigFox：免授权频谱，功耗低，速率极低；
LoRa：免授权频谱，距离远，功耗低，速率低；
NB-IoT：授权频谱，基于蜂窝网络，覆盖广，连接多，功耗低。

7. 嵌入式系统定义

嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，满足特定系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等要求的专用计算机系统。

三个基本要素：

嵌入性；
专用性；
计算机系统。

8. 物联网与嵌入式关系

物联网与嵌入式系统密不可分。物联网系统中的感知、控制、数据处理等功能通常由嵌入式系统实现。

可以概括为：

物联网就是嵌入式产品的网络化。

9. 嵌入式操作系统

嵌入式操作系统是支持嵌入式应用的软件系统，通常包括内核、驱动、设备接口、通信协议等。

常见嵌入式操作系统包括：

嵌入式 Linux；
Android；
VxWorks；
μC/OS-II；
LiteOS。

10. 裸机开发与操作系统开发区别

裸机开发是前后台系统，通常通过中断置标志、主循环轮询处理任务。操作系统开发是多任务调度系统，将不同功能拆成多个任务，由 RTOS 统一调度。

核心区别：

裸机开发	操作系统开发
串行执行	多任务并发
高耦合	模块化
CPU利用率低	CPU利用率高
实时性较差	实时性较好
适合小项目	适合复杂项目
开发效率低	开发效率高

二十二、考试可能这样问

题目1：简述物联网的定义和内涵。

答题思路：

物联网是 Internet of Things，狭义上是连接物品到物品的网络，实现物品的智能识别和管理；广义上是信息空间与物理空间的融合。其核心内涵是物物相连和物人相连，即通过传感器、通信网络和平台服务，实现物与物、物与人之间的信息交互。

题目2：简述物联网体系架构。

答题思路：

物联网体系架构包括感知及控制层、网络层、平台服务层和应用服务层。感知及控制层负责采集外部环境信息并执行控制；网络层负责数据传输；平台服务层负责数据存储、分析和管理；应用服务层面向用户提供具体服务。四层共同完成从数据采集、传输、处理到反馈控制的闭环。

题目3：简述物联网四大基本要素。

答题思路：

物联网四大基本要素是感、联、知、控。感是指通过传感器等设备感知现实世界信息；联是指通过通信网络传输数据；知是指对数据进行分析、判断和处理；控是指根据处理结果对设备或环境进行反馈控制。

题目4：举例说明低功耗广域物联网技术。

答题思路：

低功耗广域物联网技术主要包括 SigFox、LoRa 和 NB-IoT。SigFox 和 LoRa 工作在免授权频谱，具有低功耗、远距离、低速率特点；NB-IoT 工作在授权频谱，基于蜂窝网络，具有覆盖广、连接数多、功耗低、部署成本低等特点。它们适合智能水表、智慧农业、物流追踪、远程监控等场景。

题目5：裸机开发与操作系统开发有什么区别？

答题思路：

裸机开发通常采用前后台结构，由中断置标志，主循环轮询处理任务，适合简单小型系统，但存在串行执行、高耦合、CPU利用率低、实时性差和开发效率低等问题。带操作系统开发采用 RTOS 多任务调度机制，可以将功能划分为多个任务，提高模块化程度、CPU利用率、实时性和开发效率，适合复杂项目和大型系统。

二十三、本章一句话总结

这章的核心是：

物联网通过“感、联、知、控”实现物与物、物与人的信息交互；嵌入式系统是物联网终端设备的基础，而嵌入式操作系统，尤其是 RTOS，是复杂物联网设备实现多任务管理和高效开发的重要支撑。