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约 1369 个字 预计阅读时间 7 分钟

Chap 2 | 物联网硬件平台

章节启示录

本章节是物联网基础的第二章。复习的时候应该会标注哪些是非重点。

1.概述

2.关键特性

  1. 低成本与微型化:可以达到更高的部署密度
  2. 功耗/能耗

  3. 运算速度和内存大小:
    1. 运算速度一般用CPU主频来描述
      能耗与主频之间的关系：\(P=CV^2FT\)
    2. 内存：
      1. RAM：存数据，易失性
      2. Flash：存放程序，非易失性，断电后Flash上的程序依然存在

  4. 接口类型

    1. 物理接口：
      1. 引脚：通过杜邦线连接 ，过程复杂且易出错，引脚接错可能会导致程序无法工作，甚至烧坏外设和主板
      2. 连接套接口/Grove port：通过Grove port线连接，外设接入容易、快速且不易出错

    2. 通信协议(6种)：

      1. 模拟信号(Analog): 使用模拟量表示数据的信号, 需要ADC转化
      2. 数字信号(Digital)：使用序列离散值表示数据的信号
      3. PWM(Pulse-width modulation): 基于数字信号的脉冲调制技术
      4. UART(Universal Async Rx/Tx): 用于异步逐位传输数据的全双工通信接口标准
      5. I2C(Inter Integrated Circuit): Phillips公司推出的高性能串行总线
      6. SPI(Serial Peripheral Interface): 高速、全双工、同步的通信总线

    3. UART缓存与波特率：

    4. 可扩展性： 开发板对接入外接设备种类和数量的支持程度
      接口数量和接口类型是评估开发板可扩展性的重要指

3.常见的硬件平台

  1. 传感节点平台

    发展缓慢的三个原因：技术发展不均衡、功耗的制约、成本的制约
    • 主要特点：
      1. 低功耗
      2. 体积小
      3. 集成度高
      4. 低成本

  2. STM32
    STM32系列是由意法半导体公司推出的ARM Cortex-M内核单片机

    1. CPU:作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。
    2. MCI:作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元。

    3. MPU:相比MCU，更侧重于高性能计算和复杂的任务处理，具有更高的时钟速度、更大的内存和更强大的计算能力。

    4. 能耗：以STM32F103为例，三种低功耗模式

      1. 睡眠模式：内核停止运行，外设保持运行状态。一般适用于等待外设的中断时降低功耗。
      2. 停机模式：所有时钟都停止，此模式功耗较低，大概在 20μA 左右。
      3. 待机模式：功耗最低，在2μA左右。关闭所有的时钟，还把1.2V区域的电源也完全关闭了。
    5. 主要特点：
      1. 开发方便
      2. 丰富的通信接口
      3. 调试简单
      4. 低功耗

  3. ESP32:Wi-Fi和蓝牙双模的单芯片方案。（Wifi和蓝牙可共存，但需要分时控制）

    • 能耗：
      1. Active模式：射频处于工作状态
      2. Modem-sleep模式：CPU运行。Wi-Fi/蓝牙基带和射频关闭。
      3. Light-sleep模式：CPU暂停运行。RTC存储器、外设、ULP协处理器运行。唤醒事件（如 定时器或外部中断）会唤醒芯片。
      4. Deep-sleep模式：CPU和大部分外设都会掉电。
      5. Hibernation模式：内置的8 MHz振荡器和ULP协处理器均被禁用。
    • 主要特点：
      1. 性能稳定
      2. 高度集中
      3. 超低功耗
      4. 双模解决方案
  4. Arduino
    • 开发板组成: MCU、USB串口、扩展插座、电源
    • MCU:采用AVR体系结构的Atmega系列处理。
      AVR的存储体系结构是哈佛结构，具有分离的数据寻址空间和程序寻址空间。
    • 扩展接口和盾板：为Arduino提供了非常强大的扩展能力
    • 主要特点：
      1. 上手容易
      2. 开发简单
      3. 可扩展性强
      4. 低功耗
      5. 开源创新
  5. 树莓派：属于高功耗类型
    • 开发板组成：微控制器、扩展接口、USB电源、S卡、HDMI、音频接口、以太网口、USB接口
    • 支持盾板
    • 主要特点：
      1. 开发简单
      2. 上手容易
      3. 功能强大
  6. Jetson：
    • 运算速度：
      1. TOPS：1TOPS代表处理器每秒钟可进行一万亿次（10^12）操作。
      2. TFLOPS：每秒万亿次(10^12)浮点运算。
      3. GFLOPS：即每秒10亿次(10^9)的浮点运算数。
    • 主要特点：
      1. 强大的计算能力
      2. 低功耗设计
      3. 高度集成
      4. 支持多种AI框架:Jetson平台支持TensorFlow、PyTorch、Caffe/Caffe2、Keras、MXNet等多种现代神经网络框架，方便开发者进行AI应用开发。

4.开发案例

4.1 基于Arduino硬件平台开发

  • 步骤1：确定硬件解决方案
  • 步骤2：确定开发环境、IDE
  • 步骤3：编程：Arduino使用setup-loop的代码结构。setup是程序入口函数，仅执行一次，往往用于程序的初始化；loop是循环体，setup返回之后会被重复执行。
  • 步骤4：交叉编译
    1. 在Arduino IDE下，选择工具→开发板→Arduino UNO。
    2. 单击“验证”，开始交叉编译程序
  • 步骤5：烧写程序
  • 步骤6：测试验证：打开串口，设置波特率为9600，查看实时监测的室内环境数据

4.2 基于树莓派4B的开发-室内环境监测

  • 步骤1：确定硬件平台
  • 步骤2：确定开发环境、开发库
  • 步骤3：通过SSH远程登陆，基于Python和GrovePi开发。
  • 步骤4：运行 & 测试验证：运行“Python indoorEnv.py”。

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