[物联网] 3.2 物联网设备结构

基本结构 物联网设备的种类五花八门，但其结构一般都如图 3.3 所示。物联网设备跟普通的机械产品一样，都包含用于检测用户操作和设备周边环境变化的输入设备，提示某些信息或者直接作用于环境的输出设备，以及作为设备的大脑来负责控制机器的微控制器等。另外，物联网服务还有一个不可或缺的条件，那就是连接网络。接下来将为大家简单介绍这些要素。

微控制器 微控制器是微型控制器（ Micro Controller）的略称，是一块控制机器的 IC（ Integrated Circuit，集成电路）芯片。它能够编写程序，并根据描述的处理读取端子状态，或者向连接上的电路输出特定信号。 微控制器由内存（用于存储程序和保存临时数据）、 CPU（用于执行运算处理和控制）以及外围电路（包含与外部的接口，以及计时器等必要的功能）构成。（图 3.4）

在实际使用微控制器时，需要串行端口和 USB 等各种接口以及电路等。如果想自己制作设备，那么通过使用微控制器，以及安装了以上要素、名为“微控制器主板”的电路板，就能很轻松地开发硬件了。虽说每种产品的规格各有不同，但基本上是以图 3.5 所示的流程进行开发的。

现在大部分电子产品都搭载有微控制器。打个比方，请想象一个冰箱（图 3.6）。冰箱内部能够达到某个目标温度，是因为微控制器里写有一个程序，这个程序的作用就是监视连接在微控制器输入端子上的温度传感器的状态，并控制制冷机以达到目标温度。利用传感器测量和判别信息就叫作感测。

物联网的流行跟微控制器主板的变化也有关系。过去，为了把微控制器主板连接到网络，需要每个开发者独立实现接口，而近年来微控制器主板的种类逐渐增多，包括以外部连接模块来提供连接网络功能的微控制器主板，以及标配型微控制器主板。这样一来，开发出的设备就能轻松连接到网络。这种开发环境的完善正在不断进行。如果利用这种微控制器主板，即使没有开发过硬件的人，也能够向设备开发发起挑战。下一节将详细介绍微控制器主板的类型和用法。 输入设备 为了让设备获取周边情况和用户操作等信息，必须在机器上实现传感器和按钮等元件（电子器件）。 举个例子，假设有台智能手机，那么这台手机都搭载了什么样的传感器呢？各位读者应该注意到了，实际上它搭载了触摸屏、按钮、相机、加速度传感器、照度传感器等相当多的感测设备（图 3.7）。这些传感设备能帮助我们更详细且精细地掌握周边的情况。反言之，又因为传感器的类型和精度极限在一定程度上决定着机器的性能，所以在设备开发过程中，传感器的选择是非常重要的一步。

输出设备 物联网想要实现的不只是感测状态，将状态“可视化”。对人类和环境进行干涉，控制世界令其向目标状态发展才是其真实目的。 在需要向用户反馈某些信息时，显示器、喇叭、 LED 这些用于输出信息的设备就会发挥作用（图 3.8）。就像前文说的那样，物联网设备重在小型和简便。如何配置这些输出设备能让其高效地把信息传达给用户，无疑是设计阶段非常重要的课题。 还有一个方法是在设备上安装驱动器，让驱动器物理性地作用于环境。驱动器是通过输入信号来实现控制的驱动装置的统称。例如具有代表性的伺服电机，它能够根据输入的电子信号把电机转动到任意的角度。这个方法和机器人技术有着密切的联系，与网络联动“运行”的设备属于当今最受瞩目的领域之一（第 8 章会讲到机器人）。

与网络相连接 关于连通性在物联网设备中的重要性，已经为大家说明过了。物联网设备通过网络与服务器进行通信，积累和分析感测到的信息，通过远程操作控制设备。因此，设备就需要有用于连接网络的接口。 网关机器和设备之间存在无线连接和有线连接两种连接形式，这两种连接形式又存在多种连接方法。 如果制造的设备是需要固定的机器，比如用来监视室内环境的传感器或是相机等，就可以采用有线连接。虽然需要考虑线路的排布问题，不过这种方法通信较为稳定。 如果制造的设备是便携式设备，比如可穿戴设备等，就需要考虑采用无线连接了。比起有线连接，采用无线连接时，设备的应用范围更广，不过使用前还需要考虑到障碍物所导致的通信故障，以及电源的装配等因素。 使用者应该根据不同设备的特性来选择连接形式。关于连接形式的详细内容，我们将会在 3.3 节详细介绍。 微控制器主板的类型和选择方法 选择微控制器主板的出发点 在设备开发中，微控制器主板的选择是一个非常重要的因素。根据开发环境、想制造的设备以及经验的不同，设备“适合”的微控制器主板是不一样的。 就像前文说的那样，微控制器在写入程序之后才可使用，所以硬件本身还能再次利用。如果您是出于原型设计的目的“想做个试试看”而购买了微控制器，那么，为了之后还能将其沿用于其他项目，推荐您先购买具备通用结构的微控制器。 表 3.1 列举的几个关键点可以作为具体的选择标准来参考。

表 3.1 微控制器的选择标准

与设备的变化相呼应，微控制器主板的样式也在不断地推陈出新（图 3.9）。 过去，微控制器主板的目标在于搭载单片机，实现结构的简约性和高通用性。与此相对，能用在移动电话和智能手机上的高性能 CPU、完善的 I/O 端口，以及配备了网络接口的超微型计算机，即单板计算机等设备陆续登场。使用者不但能通过 Linux 操作系统来运行这些单板计算机，还能像控制以往的微控制器那样控制 I/O 引脚（ pin）。微控制器主板和计算机的分界线正在逐渐模糊。

单板计算机给未曾开发过硬件的软件开发者们提供了一个友好的开发环境。这些产品确实在一定程度上降低了开发初期技术上、心理上以及金钱上的难度。 当然，在实现商品化的过程中，为了能够适应大批量生产，需要削减无用的规格，实现价格的低廉化。在这一阶段以及未来，都需要用单片机来实现结构的最小化。也就是说，嵌入式开发自身的难度和需要的知识是没有变化的。不过单板计算机实现了原型设计过程的高速化和不断重复。尤其对于追求创新概念的物联网设备开发来说，重要的是不断地去重复试错。 本节将基于前文介绍的选择标准，来介绍几个具有代表性的微控制器。 H8 型微控制器主板 H8 型微控制器主板是一种单片机主板，它上面安装了瑞萨科技公司制造的 H8 型微控制器系列产品。在秋叶原和邮购电子器件的网站都可以轻易买到这种组装品。它是日本生产的，文档和手册内容充实，对于需要使用微控制器来制作电器的人来说， H8 型微控制器主板是一件标配品，在日本国内长期受到人们的喜爱，且售价 3000 日元，价格适中，初学者也能轻松购入。 与 PC 连接时，一般采用串行通信。近来，很多 PC 上都不设置串行端口了，不过这种情况下，可以采用 USB 串行转换线来连接 PC。在组装品中，有些配件需要使用者自己来安装，比如用于串行通信的端口等。根据数据表，把微控制器主板的接头和 D-SUB 9 针的插口接上就行，并没有什么难度。 虽然大多数情况下，开发是由附带的软件来进行的，不过采用的开发语言一般都是 C 语言。嵌入式开发更是大多都采用 C 语言。这是因为比起一般的计算机，单片机在规格方面（如内存和时钟数等）受到种种制约，从高效运用硬件资源的角度来说，多数情况下需要编写位操作和寻址等接近硬件操作的功能。 把 H8 作为学习嵌入式软件基础的入口是一个非常不错的选择，这样一来就能构建所有类型的硬件了。不过，如果“初学者想在短期内做出能运行的设备”，那么说实话还有些困难，建议大家结合自己的技术背景和学习目的来做选择。