物联网时代微控制器的服务转型

北京航空航天大学 何立民

物联网时代微控制器的服务转型

北京航空航天大学 何立民

40年来,微控制器发展经历了单片机时代、嵌入式系统时代,如今又进入到物联网时代。单片机时代是微电子学科、电子技术学科合作的传统电子智能化改造时代;嵌入式系统时代是微电子学科、电子技术学科、计算机学科交叉融合的智能电子创新时代;物联网时代是微电子学科、电子技术学科、计算机学科、信息学科高度融合的大科技时代。单片机时代、嵌入式系统时代,微控制器形成了人工智能领域独立的、有巨大市场影响力的产业部门。物联网时代,微控制器进入到嵌入式系统的服务时代。届时,嵌入式系统将以形形色色的器件平台、技术平台、产品平台、开发平台、服务平台等平台形式实现物联网系统的整合应用。

1 回顾微控制器的三个时代

当微控制器普遍具有网络接入功能时,便将互联网推进到物联网,因此谈及物联网时,总要回顾一下微控制器的物联发展史。

回顾微控制器的物联发展史时,都会论及“单片机”与“嵌入式系统”。然而,“单片机”与“嵌入式系统”从来不是一个科学的称谓,它们本质上都是微控制器(MicroControllerUnit,MCU)。把微控制器称做“单片机”(Single ChipMicrocontroller)是取自它的单片形态,把微控制器称做“嵌入式系统”(EmbeddedSystems)是看重它的嵌入式应用方式。

从1976年MCS 48诞生算起,微控制器已有40年发展历程,可以将这40年的发展历程划分成三个历史时代,即MCU1.0、MCU2.0、MCU3.0时代。

MCU1.0时代是MCU诞生与传统电子系统的智能化改造时代,也是人工智能的诞生时代。电子工程师喜欢将微控制器看成是单片微型计算机,因此,MCU1.0时代是微电子学科与电子技术学科合作的“单片机”时代。

MCU2.0时代是计算机界人士介入控制领域的智能化电子创新时代。计算机专家喜欢将微控制器看成是一个嵌入到智能电子系统中的智力内核,“嵌入式系统”一词便油然而生,故MCU2.0时代是微电子学科、电子技术学科与计算机学科交叉融合的多学科创新时代。

MCU3.0时代是物联网时代,这时的微控制器应用系统普遍具备上网能力。既往的物联史与当下的互联网接入能力相结合,将互联网推进到物联网。故MCU3.0是微电子学科、电子学科、计算机学科、信息学科交叉融合的大科技时代,是物联网系统的创新服务时代,微控制器作为独立产业逐渐淡出。

2 微控制器的服务时代悄然到来

无论是单片机时代还是嵌入式系统时代,微控制器都是独立的产业体系,有独立的产品、独立的领域、独立的市场、独立的产业大军。物联网时代到来后,嵌入式系统产业大军大肆进军物联网应用领域,力图以最佳的服务引领物联网应用大潮,一个微控制器的服务时代悄然到来。以电子血压计为例,嵌入式系统时代,厂家独立开发产品,在市场上独立营销产品;物联网时代,电子血压计添加了上网功能,与手机的专用APP相结合,融入到智慧医疗系统中,实现远程监控,成为智慧医疗体系的一个组成部分,完善了智慧医疗体系服务。又如,物联网时代,高校中的嵌入式系统实验室教学体系,开始从孤立的实验室体系变革到近程、远程、虚实交互的云计算教学实验服务体系。

可以看出,物联网诞生时,微控制器技术已经历了30多年的发展历程。无论是产品体系结构、微电子技术储备、集成开发环境,还是产业大军,都为物联网应用提供了雄厚的物质基础。物联网诞生后,大批嵌入式应用领域人士开始转战物联网应用领域。因此物联网时代,是微控制器为物联网应用服务的一个黄金时代。

3 MCU的“上天落地”应用特征

用“上天落地”一词更好地形容了物联网时代MCU应用服务的基本特征。“上天”是指MCU产品体系与互联网的“互联”,“落地”是指MCU产品体系与物理对象的“物联”,这是所有物联网应用不可缺少的两个方面。小到车联网、物联网超市、智慧家居、智慧交通,大到智慧社区、智慧城市、企业智慧服务体系等。

MCU全面、成熟的互联技术,体现在任何一个MCU应用系统中,它们取决于MCU经典体系结构中普遍具有的相互接口通道。无论是单机、分布式多机、总线多机、局域集群网络,以及近程、远程的MCU应用系统,都有全面、灵活多样、可选择在任意节点接入互联网的接口技术。如智能家居中的智能家电、生产线上的现场总线、智慧家居的区域互联、智慧城市的跨境互联、巨型制造企业全球化服务体系的远程互联体系中,都有可满足任何服务需求,灵活多样的互联网接入手段。

MCU服务时代,MCU全面、成熟的物联技术,也是由MCU经典体系结构决定的。每个MCU应用系统中,都有传感器接入、伺服控制输出、人机交互、系统互联的接口通道,具有可以与物理对象灵活多样的连接方式。

目前,在物联网应用中,不少人对物联技术较为陌生,只有长期在MCU领域工作的工程师们较为熟悉,因为这是它们的专业领域。记得智能电网兴起时,有个智能电网老总,要我帮忙寻找光纤入户后,有关仪表、电器、键盘、显示器等接入技术的合作伙伴。

物联技术对于物联网应用至关重要。例如,现有的城市交管系统只能查处车辆违章,无法查及违章驾驶员,由此产生诸多弊端。未来先进的城市智慧交管系统中,加入驾驶员驾驶认证、汽车行驶记录仪等物联技术,可以确定违章车辆的真实驾驶责任。又如,现有多数大企业的全球化网络服务体系多为客服体系,未来,先进的全球化物联网服务体系,将网络服务体系与售出的产品体系连接起来,实现远程运行监测、预警、故障处理,以及软件的远程升级服务,大大地提升了产品的市场竞争力,提升了企业的智慧服务水平。

物联技术是嵌入式系统领域工程师的强项,也是MCU领域为物联网应用服务的重点内容。

4 MCU的服务系统意识转变

MCU服务系统意识转变,是指从“互联网为我服务”到“我为互联网服务”的意识转变。

在物联网诞生前的十多年间,已出现过众多具有互联网接入功能的智能电子系统,如智能家居、汽车电子、医疗电子等。这些智能电子系统引入互联网接入的目的是提升系统的智能水平,如远程监控、软件升级等。这是一种“互联网为我服务”的独立产业意识,目的是为了提升MCU产品的市场竞争力。

物联网诞生后,MCU智能系统将互联网从信息领域变革到可控制万物的一个全新的应用领域。MCU智能系统的物联技术,使城市交管系统从查处车辆违章拓展到查处驾驶员违章;使企业的全球服务体系从网络化信息管理提升到产品监控、维修、升级的高级智慧体系。

众多成熟的MCU智能系统物联技术,可大大提升物联网的应用水平。然而,在互联网领域中,多数从业人员并不了解40多年来MCU智能系统物联技术发展状况。在嵌入式应用领域的行家看来,将城市交管系统的监控能力延伸到车辆内部,为超市研制智慧购物小车,将智能电网从强电领域的智能变电站延伸到智能电表的家庭家居管控中心,将智慧医疗系统从咨询、顾问系统转变到临床、治疗、化验、手术等物联智慧医疗体系等,并不困难。但在原先互联网技术领域从业者看来,似乎有不可克服的障碍。

造成这种状况的原因,一是隔行如隔山,二是40多年来MCU一直处于IT产业的后台,少为人知,由此造成物联应用中的障碍。例如,多年来在智能电网建设上取得了巨大进展的国家电网,纵有强大、可靠、完备的可直接入户的光纤通信网,却在智能电表关口止步不前。如果能在智能电表入口后,以智能电表为平台,建立起智能家居的信息中心、管控中心、智慧用电中心,就有可能建立起一个比电信网、广播网、计算机网更加安全可靠、可高度集中管理的国家互联网与国家物联网。

5 嵌入式系统的平台服务模式

物联网时代,嵌入式系统技术全面成熟,并不意味着嵌入式系统技术发展的停滞,而是向平台模式转型。在向平台模式转型时,应把服务观念放在首位,把方法、方向放在重要位置。有了观念、方法、方向,技术只是实现平台的整合而已。

从单片机时代到嵌入式系统时代,微电子提供“芯片化解决方法”,计算机提供“集成开发环境”,电子技术实现“智能化应用”。这种多学科的交叉融合,开创了一种先进的平台开发模式。芯片化解决方法为嵌入式系统提供了“器件平台”的应用模式;集成开发环境为产品研发提供了“开发平台”的应用模式。在“器件平台”、“开发平台”基础上,开始了嵌入式系统产品创新的飞速发展时代。

平台模式,是一种先进的应用模式,它将知识原理与知识应用、知识创新与创新知识应用彻底分离。不论是“器件平台”还是“开发平台”,它们都有知识原理与应用界面两个部分。在平台基础上开发智能产品时,只要了解应用界面,不必了解其中的知识原理就能实现知识创新应用。例如,没有时钟计时原理知识,不懂A/D转换原理,有了时钟芯片、A/D转换器件及其应用说明书,就能实现系统中的日历时钟计时与模拟信号的数字转换应用。另外,微电子专家将知识成果转化成器件后,不介入器件应用;计算机专家构建集成开发环境后,并不从事产品开发。这种知、用分离的平台模式,最大化地降低了产品的开发难度,平台的巨大扇出效应(即一个精英团队创建的平台可迅速实现全球应用)还大大地节约了社会智力资源。

受器件平台、开发平台影响,嵌入式系统产品开发中也不断引入平台模式。在模块化、标准化基础上,各种软硬件的“产品平台”应运而生,使嵌入式产品开发进入到一个软硬件平台基础上的整合创新时代。因此,在物联网时代,为了应对形形色色的物联网应用,应不断强化与提升这种先进的平台应用模式,为物联网应用提供形形色色的平台化技术与平台化产品,最终实现平台整合下的物联网应用模式。

平台化是一种先进理念,是一种最佳的应用模式。形形色色的平台为物联网系统应用提供了最简捷、最快速的整合应用。如为物联网终端提供形形色色白产品系统(通用产品系统)应用的产品平台;为物联网系统交互界面提供标准化、模块化解决方案的各种形式的交互平台;将物联网系统应用中的软硬件技术实现器件转化的器件平台;不断简化操作系统、简化软件应用界面,实现物联网傻瓜化开发应用的开发平台;为物联网系统提供软硬件技术支持的OEM软硬件平台等。总之,无论是成熟的,还是创新的嵌入式系统产品与技术,都应转化成相应的平台,实现平台整合下的物联网应用。

[1]何立民.嵌入式系统支柱学科的交叉与融合[J].单片机与嵌入式系统应用,2008(5).

[2]何立民.嵌入式系统的知识平台与平台模式[J].单片机与嵌入式系统应用,2008(9).

[3]何立民.物联网时代的嵌入式系统机遇[J].单片机与嵌入式系统应用,2011(3).

[4]何立民.从三个时代变迁看物联网时代的MCU[J].单片机与嵌入式系统应用,2015(4).

[5]何立民.从人工智能的源头说起[J].单片机与嵌入式系统应用,2016(8).

[6]何立民.人工智能的两个领域[J].单片机与嵌入式系统应用,2016(9).

[7]何立民.知识学视角的人工智能[J].单片机与嵌入式系统应用,2016(10).

薛士然

2016-09-22)