物聯網時代微控制器的服務轉型

北京航空航天大學 何立民

物聯網時代微控制器的服務轉型

北京航空航天大學 何立民

40年來,微控制器發展經歷了單片機時代、嵌入式系統時代,如今又進入到物聯網時代。單片機時代是微電子學科、電子技術學科合作的傳統電子智能化改造時代;嵌入式系統時代是微電子學科、電子技術學科、計算機學科交叉融合的智能電子創新時代;物聯網時代是微電子學科、電子技術學科、計算機學科、信息學科高度融合的大科技時代。單片機時代、嵌入式系統時代,微控制器形成了人工智能領域獨立的、有巨大市場影響力的產業部門。物聯網時代,微控制器進入到嵌入式系統的服務時代。屆時,嵌入式系統將以形形色色的器件平臺、技術平臺、產品平臺、開發平臺、服務平臺等平臺形式實現物聯網系統的整合應用。

1 回顧微控制器的三個時代

當微控制器普遍具有網絡接入功能時,便將互聯網推進到物聯網,因此談及物聯網時,總要回顧一下微控制器的物聯發展史。

回顧微控制器的物聯發展史時,都會論及“單片機”與“嵌入式系統”。然而,“單片機”與“嵌入式系統”從來不是一個科學的稱謂,它們本質上都是微控制器(MicroControllerUnit,MCU)。把微控制器稱做“單片機”(Single ChipMicrocontroller)是取自它的單片形態,把微控制器稱做“嵌入式系統”(EmbeddedSystems)是看重它的嵌入式應用方式。

從1976年MCS 48誕生算起,微控制器已有40年發展歷程,可以將這40年的發展歷程劃分成三個歷史時代,即MCU1.0、MCU2.0、MCU3.0時代。

MCU1.0時代是MCU誕生與傳統電子系統的智能化改造時代,也是人工智能的誕生時代。電子工程師喜歡將微控制器看成是單片微型計算機,因此,MCU1.0時代是微電子學科與電子技術學科合作的“單片機”時代。

MCU2.0時代是計算機界人士介入控制領域的智能化電子創新時代。計算機專家喜歡將微控制器看成是一個嵌入到智能電子系統中的智力內核,“嵌入式系統”一詞便油然而生,故MCU2.0時代是微電子學科、電子技術學科與計算機學科交叉融合的多學科創新時代。

MCU3.0時代是物聯網時代,這時的微控制器應用系統普遍具備上網能力。既往的物聯史與當下的互聯網接入能力相結合,將互聯網推進到物聯網。故MCU3.0是微電子學科、電子學科、計算機學科、信息學科交叉融合的大科技時代,是物聯網系統的創新服務時代,微控制器作為獨立產業逐漸淡出。

2 微控制器的服務時代悄然到來

無論是單片機時代還是嵌入式系統時代,微控制器都是獨立的產業體系,有獨立的產品、獨立的領域、獨立的市場、獨立的產業大軍。物聯網時代到來后,嵌入式系統產業大軍大肆進軍物聯網應用領域,力圖以最佳的服務引領物聯網應用大潮,一個微控制器的服務時代悄然到來。以電子血壓計為例,嵌入式系統時代,廠家獨立開發產品,在市場上獨立營銷產品;物聯網時代,電子血壓計添加了上網功能,與手機的專用APP相結合,融入到智慧醫療系統中,實現遠程監控,成為智慧醫療體系的一個組成部分,完善了智慧醫療體系服務。又如,物聯網時代,高校中的嵌入式系統實驗室教學體系,開始從孤立的實驗室體系變革到近程、遠程、虛實交互的云計算教學實驗服務體系。

可以看出,物聯網誕生時,微控制器技術已經歷了30多年的發展歷程。無論是產品體系結構、微電子技術儲備、集成開發環境,還是產業大軍,都為物聯網應用提供了雄厚的物質基礎。物聯網誕生后,大批嵌入式應用領域人士開始轉戰物聯網應用領域。因此物聯網時代,是微控制器為物聯網應用服務的一個黃金時代。

3 MCU的“上天落地”應用特征

用“上天落地”一詞更好地形容了物聯網時代MCU應用服務的基本特征。“上天”是指MCU產品體系與互聯網的“互聯”,“落地”是指MCU產品體系與物理對象的“物聯”,這是所有物聯網應用不可缺少的兩個方面。小到車聯網、物聯網超市、智慧家居、智慧交通,大到智慧社區、智慧城市、企業智慧服務體系等。

MCU全面、成熟的互聯技術,體現在任何一個MCU應用系統中,它們取決于MCU經典體系結構中普遍具有的相互接口通道。無論是單機、分布式多機、總線多機、局域集群網絡,以及近程、遠程的MCU應用系統,都有全面、靈活多樣、可選擇在任意節點接入互聯網的接口技術。如智能家居中的智能家電、生產線上的現場總線、智慧家居的區域互聯、智慧城市的跨境互聯、巨型制造企業全球化服務體系的遠程互聯體系中,都有可滿足任何服務需求,靈活多樣的互聯網接入手段。

MCU服務時代,MCU全面、成熟的物聯技術,也是由MCU經典體系結構決定的。每個MCU應用系統中,都有傳感器接入、伺服控制輸出、人機交互、系統互聯的接口通道,具有可以與物理對象靈活多樣的連接方式。

目前,在物聯網應用中,不少人對物聯技術較為陌生,只有長期在MCU領域工作的工程師們較為熟悉,因為這是它們的專業領域。記得智能電網興起時,有個智能電網老總,要我幫忙尋找光纖入戶后,有關儀表、電器、鍵盤、顯示器等接入技術的合作伙伴。

物聯技術對于物聯網應用至關重要。例如,現有的城市交管系統只能查處車輛違章,無法查及違章駕駛員,由此產生諸多弊端。未來先進的城市智慧交管系統中,加入駕駛員駕駛認證、汽車行駛記錄儀等物聯技術,可以確定違章車輛的真實駕駛責任。又如,現有多數大企業的全球化網絡服務體系多為客服體系,未來,先進的全球化物聯網服務體系,將網絡服務體系與售出的產品體系連接起來,實現遠程運行監測、預警、故障處理,以及軟件的遠程升級服務,大大地提升了產品的市場競爭力,提升了企業的智慧服務水平。

物聯技術是嵌入式系統領域工程師的強項,也是MCU領域為物聯網應用服務的重點內容。

4 MCU的服務系統意識轉變

MCU服務系統意識轉變,是指從“互聯網為我服務”到“我為互聯網服務”的意識轉變。

在物聯網誕生前的十多年間,已出現過眾多具有互聯網接入功能的智能電子系統,如智能家居、汽車電子、醫療電子等。這些智能電子系統引入互聯網接入的目的是提升系統的智能水平,如遠程監控、軟件升級等。這是一種“互聯網為我服務”的獨立產業意識,目的是為了提升MCU產品的市場競爭力。

物聯網誕生后,MCU智能系統將互聯網從信息領域變革到可控制萬物的一個全新的應用領域。MCU智能系統的物聯技術,使城市交管系統從查處車輛違章拓展到查處駕駛員違章;使企業的全球服務體系從網絡化信息管理提升到產品監控、維修、升級的高級智慧體系。

眾多成熟的MCU智能系統物聯技術,可大大提升物聯網的應用水平。然而,在互聯網領域中,多數從業人員并不了解40多年來MCU智能系統物聯技術發展狀況。在嵌入式應用領域的行家看來,將城市交管系統的監控能力延伸到車輛內部,為超市研制智慧購物小車,將智能電網從強電領域的智能變電站延伸到智能電表的家庭家居管控中心,將智慧醫療系統從咨詢、顧問系統轉變到臨床、治療、化驗、手術等物聯智慧醫療體系等,并不困難。但在原先互聯網技術領域從業者看來,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產業的后臺,少為人知,由此造成物聯應用中的障礙。例如,多年來在智能電網建設上取得了巨大進展的國家電網,縱有強大、可靠、完備的可直接入戶的光纖通信網,卻在智能電表關口止步不前。如果能在智能電表入口后,以智能電表為平臺,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比電信網、廣播網、計算機網更加安全可靠、可高度集中管理的國家互聯網與國家物聯網。

5 嵌入式系統的平臺服務模式

物聯網時代,嵌入式系統技術全面成熟,并不意味著嵌入式系統技術發展的停滯,而是向平臺模式轉型。在向平臺模式轉型時,應把服務觀念放在首位,把方法、方向放在重要位置。有了觀念、方法、方向,技術只是實現平臺的整合而已。

從單片機時代到嵌入式系統時代,微電子提供“芯片化解決方法”,計算機提供“集成開發環境”,電子技術實現“智能化應用”。這種多學科的交叉融合,開創了一種先進的平臺開發模式。芯片化解決方法為嵌入式系統提供了“器件平臺”的應用模式;集成開發環境為產品研發提供了“開發平臺”的應用模式。在“器件平臺”、“開發平臺”基礎上,開始了嵌入式系統產品創新的飛速發展時代。

平臺模式,是一種先進的應用模式,它將知識原理與知識應用、知識創新與創新知識應用徹底分離。不論是“器件平臺”還是“開發平臺”,它們都有知識原理與應用界面兩個部分。在平臺基礎上開發智能產品時,只要了解應用界面,不必了解其中的知識原理就能實現知識創新應用。例如,沒有時鐘計時原理知識,不懂A/D轉換原理,有了時鐘芯片、A/D轉換器件及其應用說明書,就能實現系統中的日歷時鐘計時與模擬信號的數字轉換應用。另外,微電子專家將知識成果轉化成器件后,不介入器件應用;計算機專家構建集成開發環境后,并不從事產品開發。這種知、用分離的平臺模式,最大化地降低了產品的開發難度,平臺的巨大扇出效應(即一個精英團隊創建的平臺可迅速實現全球應用)還大大地節約了社會智力資源。

受器件平臺、開發平臺影響,嵌入式系統產品開發中也不斷引入平臺模式。在模塊化、標準化基礎上,各種軟硬件的“產品平臺”應運而生,使嵌入式產品開發進入到一個軟硬件平臺基礎上的整合創新時代。因此,在物聯網時代,為了應對形形色色的物聯網應用,應不斷強化與提升這種先進的平臺應用模式,為物聯網應用提供形形色色的平臺化技術與平臺化產品,最終實現平臺整合下的物聯網應用模式。

平臺化是一種先進理念,是一種最佳的應用模式。形形色色的平臺為物聯網系統應用提供了最簡捷、最快速的整合應用。如為物聯網終端提供形形色色白產品系統(通用產品系統)應用的產品平臺;為物聯網系統交互界面提供標準化、模塊化解決方案的各種形式的交互平臺;將物聯網系統應用中的軟硬件技術實現器件轉化的器件平臺;不斷簡化操作系統、簡化軟件應用界面,實現物聯網傻瓜化開發應用的開發平臺;為物聯網系統提供軟硬件技術支持的OEM軟硬件平臺等。總之,無論是成熟的,還是創新的嵌入式系統產品與技術,都應轉化成相應的平臺,實現平臺整合下的物聯網應用。

[1]何立民.嵌入式系統支柱學科的交叉與融合[J].單片機與嵌入式系統應用,2008(5).

[2]何立民.嵌入式系統的知識平臺與平臺模式[J].單片機與嵌入式系統應用,2008(9).

[3]何立民.物聯網時代的嵌入式系統機遇[J].單片機與嵌入式系統應用,2011(3).

[4]何立民.從三個時代變遷看物聯網時代的MCU[J].單片機與嵌入式系統應用,2015(4).

[5]何立民.從人工智能的源頭說起[J].單片機與嵌入式系統應用,2016(8).

[6]何立民.人工智能的兩個領域[J].單片機與嵌入式系統應用,2016(9).

[7]何立民.知識學視角的人工智能[J].單片機與嵌入式系統應用,2016(10).

薛士然

2016-09-22)