Arm®Mbed™与物联网：技术解析与生活变革

### Arm® Mbed™与物联网：技术解析与生活变革 #### 1. Arm® Mbed™开发板介绍 在嵌入式系统和物联网的开发领域，有几款基于Arm® Mbed™的开发板备受关注，它们各自具有独特的特性和应用场景。 ##### 1.1 LPC11U24开发板 LPC11U24开发板是一款性能稳定且功能丰富的开发板，以下是其主要特性： - **硬件参数**：运行频率达48 MHz，拥有8 KB RAM和32 KB flash，能够满足基本的程序运行和数据存储需求。 - **接口类型**：具备USB device、2×SPI、I2C、UART、6×ADC、GPIO等多种接口，方便与各种外部设备进行连接和通信。 - **封装与尺寸**：采用40 - pin 0.1" pitch DIP封装，尺寸为54×26mm，便于进行原型设计。 - **供电方式**：支持5V USB、4.5–9V电源或2.4–3.3V电池供电，供电方式灵活多样。 - **编程与开发**：内置USB drag ‘n’ drop flash programmer，方便进行程序烧录；依托mbed.org开发者网站，提供轻量级在线编译器、高级C/C++ SDK以及丰富的已发布库和项目，为开发者提供了便捷的开发环境。 更多关于LPC11U24的信息可参考： - https://os.mbed.com/platforms/mbed - LPC11U24/ - http://www.nxp.com/products/microcontrollers - and - processors/arm - processors/lpc - cortex - m - mcus/lpc1100 - cortex - m0 - plus - m0/arm - mbed - lpc11u24 - board:OM13032 ##### 1.2 BBC Micro:bit开发板 BBC Micro:bit是一款口袋大小、可编码的计算机，由BBC与31个组织合作开发，包括ARM®、NXP、element14、Microsoft和Cisco等。它为用户提供了一个富有创意的技术探索平台，BBC还向英国所有7年级（11或12岁）的孩子免费捐赠了该开发板。 其主要特性如下： - **硬件核心**：基于Nordic nRF51822 MCU，拥有16K RAM和256K Flash，还集成了飞思卡尔的加速度计和磁力计。 - **编程方式**：可通过BBC网站（http://www.microbit.co.uk/create - code）上的高级在线IDE进行编程，支持Microsoft TouchDevelop IDE、Microsoft Blocks、CodeKingdoms Javascript、MicroPython等多种编程环境。同时支持mbed开发，在developer.mbed.org上有在线IDE，提供易于使用的C/C++ SDK和兰卡斯特大学开发的专用micro:bit运行时库，便于快速开发。 - **通信与功能模块**：Nordic nRF51822多协议蓝牙® 4.0低功耗/2.4GHz RF SoC，具备32 - bit ARM® Cortex M0处理器（16MHz），支持蓝牙低功耗主/从模式。输入/输出方面，拥有25 LED矩阵、飞思卡尔MMA8652 3 - 轴加速度计、飞思卡尔MAG3110 3 - 轴磁力计（电子罗盘）、2个按钮、USB和边缘连接器串行I/O、2/3可重新配置的PWM输出、5个香蕉/鳄鱼夹连接器、边缘连接器、6个模拟输入、6 - 17个GPIO（取决于配置）、SPI和i2c等。此外，还配备USB Micro B连接器和JST电源连接器（3v）。 更多关于Micro:bit的信息可参考： - https://www.microbit.co.uk/ - https://os.mbed.com/platforms/Microbit/ ##### 1.3 Arm® Mbed™以太网物联网（IoT）入门套件 该入门套件包含Arm® Mbed™ Freedom FRDM - K64F开发板和mbed应用屏蔽板，专为IBM IoT Foundation设计，旨在为用户提供流畅的开发体验，尤其适合没有嵌入式或Web开发经验的开发者，可帮助他们学习新概念并创建工作原型。 以下是其详细信息： | 组件 | 详情 | | --- | --- | | Mbed Enabled NXP K64F开发板 | - NXP K64F Kinetis K64 MCU（MK64FN1M0VLL12）<br> - 高性能ARM® Cortex™ - M4核心，带有浮点单元和DSP<br> - 运行频率120 MHz，256 KB RAM，1 MB flash | | mbed应用屏蔽板 | - 128×32图形LCD<br> - 5向操纵杆<br> - 2个电位器<br> - 扬声器，PWM连接<br> - 3 - 轴±1.5 g加速度计<br> - RGB LED，PWM连接<br> - 温度传感器<br> - XBee（ZigBee）或RN - XV（WiFi）插槽 | MCU特性： - **性能表现**：Kinetis MK64FN1M0VLL12采用100LQFP封装，ARM® Cortex™ - M4 32 - bit核心，带有DSP指令和浮点单元（FPU），最大CPU频率120 MHz。 - **存储与接口**：拥有1024 KB程序闪存、256 KB RAM和FlexBus外部总线接口。 - **系统外设**：具备多种低功耗模式和低泄漏唤醒单元，以及16通道DMA控制器。 - **时钟系统**：有3个内部参考时钟（32 KHz、4 MHz和48 MHz）、2个晶体输入（3 - 32 MHz（XTAL0）和32 kHz（XTAL32/RTC））、PLL和FL。 - **模拟模块**：2个16 - bit SAR ADC（最高800 ksps，12 - bit模式）、2个12 - bit DAC、3个模拟比较器和1.13 V电压参考。 - **通信接口**：支持1个10/100 Mbit/s以太网MAC控制器（MII/RMII接口，支持IEEE1588）、1个USB 2.0全/低速设备/主机/OTG控制器（嵌入式3.3V/120mA Vreg，无晶体USB设备操作）、1个控制器局域网（CAN）模块、3个SPI模块、3个I2C模块（支持最高1 Mbit/s）、6个UART模块、1个安全数字主机控制器（SDHC）和1个I2S模块。 - **定时器**：包括2个8通道Flex - 定时器（PWM/电机控制）、2个2通道Flex - 定时器（PWM/Quad解码器）、32 - bit PITs和16 - bit低功耗定时器、实时时钟（RTC）和可编程延迟块。 - **安全与完整性模块**：具备硬件CRC和随机数生成器模块，支持DES、3DES、AES、MD5、SHA - 1和SHA - 256等硬件加密算法。 - **工作特性**：电压范围为1.71至3.6 V，闪存写入电压范围相同。 开发板特性： - **板载组件**：FXOS8700CQ 6 - 轴组合传感器（加速度计和磁力计）、2个用户按钮和RGB LED。 - **连接性**：USB全/低速OTG/主机/设备控制器（片上收发器，5 V至3.3 V调节器和微型USB连接器）、以太网10/100控制器（板载收发器和RJ45连接器）、最多5个UART、2个SPI、2个I2C和1个CAN连接到引脚头（复用外设）。 - **扩展接口**：Micro SD卡插槽、与Arduino R3屏蔽兼容的引脚头（32引脚/外排）、专用屏蔽的引脚头（32引脚/内排）。 - **模拟和数字I/O**：最多2个16位分辨率的ADC，28个模拟I/O引脚连接到引脚头；最多3个定时器，18个PWM信号可从引脚头访问；最多6个比较器输入或1个DAC输出；最多40个MCU I/O引脚连接到引脚头（3.3 V，每个4 mA，最大总电流400 mA）。 - **电源供应**：支持USB调试5 V、USB目标5 V、Arduino引脚头5 - 9 V Vin、5 V PWR输入和硬币电池3.3 V，板载5至3.3 V调节器。 - **调试与编程**：集成开放SDA USB调试和编程适配器，支持多种行业标准调试接口（PEmicro、CMSIS - DAP、JLink），支持拖放式MSD闪存编程和虚拟USB转串口。 - **尺寸与软件**：外形尺寸为3.2" × 2.1"（81 mm × 53 mm），支持mbed HDK & SDK，提供在线开发工具、易于使用的C/C++ SDK、大量已发布的库和项目，还有NXP免费KDS（编译器工具链）和KSDK库/示例等离线开发选项。 常用引脚如下： - RGB LED：LED1（LED_RED）、LED2（LED_GREEN）、LED3（LED_BLUE）、LED4（LED_RED） - 数字输入/输出：D0, D1, D2, …, D15 - 模拟输入：A0, A1, A2, A3, A4, A5 - 模拟输出：DAC0_OUT - PWM（脉冲宽度调制）：A4, A5, D3, D5, D6, …, D13 更多关于FRDM - K64F的信息可参考： - https://os.mbed.com/platforms/IBMEthernetKit/ - https://os.mbed.com/platforms/FRDM - K64F/ - https://os.mbed.com/components/mbed - Application - Shield/ - http://www.nxp.com/frdm - k64f #### 2. 物联网（IoT）概述 ##### 2.1 什么是物联网（IoT） 物联网（IoT）指的是物理对象的网络，它正快速发展，目前已有数十亿设备连接其中。与当前主要由计算机（包括手机和平板电脑）组成的互联网不同，物联网中的“物”可以是从家用电器、机器、货物、建筑物、车辆到人类、动物和植物等任何事物。通过物联网，所有物理对象相互连接，能够在无需人工干预的情况下相互交换数据，并且可以进行远程访问和控制，这将彻底改变我们的生活，具有革命性的意义。 连接设备的概念并非新鲜事物。早在1982年，卡内基梅隆大学的一台可乐机就成为了首个连接到互联网的设备，它可以跟踪库存和饮料是否冷藏。自那时起，设备连接性在普适计算、机器对机器（M2M）通信和设备对设备（D2D）通信等领域得到了极大的扩展。然而，“物联网”这一术语是由英国企业家凯文·阿什顿（Kevin Ashton）在1999年向宝洁公司的一次演讲中提出的，当时他是麻省理工学院自动识别中心的联合创始人兼执行董事，物联网的愿景基于射频识别（RFID）技术。近年来，由于微控制器、传感器、无线通信、嵌入式系统和微机电系统（MEMS）等多种使能技术的融合，物联网不断发展并日益普及。 如今，物联网被广泛视为互联网的未来发展方向。据互联网协会预测，到2025年，将有约1000亿个物联网设备，全球市场规模将超过11万亿美元，其发展速度将如同约二十年前互联网的指数级增长一样迅猛。 更多关于物联网的信息可参考： - http://internetofthingswiki.com/ - http://www.theinternetofthings.eu/ - http://www.computerweekly.com/resources/Internet - of - Things - IoT - http://www.ibm.com/Watson/IoT - https://www.microsoft.com/en - gb/internet - of - things/ - http://www.cisco.com/c/en_uk/solutions/internet - of - things/overview.html ##### 2.2 物联网如何工作 要使物联网正常工作，需要以下几个步骤： ```mermaid graph LR A[唯一身份] --> B[通信能力] B --> C[传感器] C --> D[微控制器] D --> E[云服务] ``` 1. **唯一身份**：物联网中的每个“物”都必须有一个唯一的身份标识。借助IPv6地址（128位的下一代互联网协议地址），每平方米大约可提供6.7 × 10²³个不同的地址，这使得为地球上的每个物理对象分配唯一ID成为可能。 2. **通信能力**：每个“物”必须具备通信能力，现代无线技术如WiFi、蓝牙低功耗、近场通信（NFC）、RFID、ZigBee、Z - Wave和6LoWPAN（低功耗无线个人区域网络上的IPv6）等，为设备之间的通信提供了支持。 3. **传感器**：每个“物”需要配备传感器，以便获取其相关信息。传感器类型包括温度、湿度、光照、运动、压力、红外、超声波传感器等，并且新型传感器正变得越来越小、成本更低且更耐用。 4. **微控制器**：每个“物”需要一个微控制器（或微处理器）来管理传感器和通信，并执行相应的任务。基于ARM®的微控制器无疑是其中最具影响力的之一，本文主要关注基于Arm® Mbed™的微控制器。 5. **云服务**：需要云服务来存储、分析和显示数据，以便通过手机应用程序了解设备状态并采取相应行动。目前已有许多大公司涉足这一领域，如IBM的IBM Watson、谷歌的谷歌云平台、微软的Azure和甲骨文的甲骨文云等。Arm® Mbed™也在开发自己的云服务（https://cloud.mbed.com/），但截至目前，它仍处于首次发布阶段，仅向部分工业领先合作伙伴开放。 ### Arm® Mbed™与物联网：技术解析与生活变革 #### 3. 物联网对生活的变革 物联网将从多个方面深刻改变我们的生活和与世界的互动方式，以下是一些具体的体现。 ##### 3.1 智能门禁与身份识别 我们都有过“钥匙在哪里”的困扰，而在物联网的世界里，钥匙可能不再是必需品。手机可以成为钥匙，甚至我们自身的生物特征信息，如指纹、掌纹、掌静脉、虹膜、视网膜、面部和声音等，都能用于开门。例如，就像《阿里巴巴与四十大盗》的故事中说“芝麻开门”一样，通过语音识别技术，只有你和你的家人能够打开家门，其他人则无法做到。 ##### 3.2 智能家居 物联网让家居变得更加智能。如今，智能锁、智能电表、智能恒温器、智能照明、智能电网和智能汽车等已经逐渐普及。智能家庭可以在早上唤醒你，在你洗澡时启动咖啡机；在你进入房间前打开灯光，离开后立即关闭；你还可以通过语音命令打开电视并切换频道；它能够感知你回家的信息，提前调整恒温器或预热烤箱。借助人工智能的发展，智能家居还能分析和学习你的生活模式，在家时开启暖气或空调，出门时关闭，这对于公共建筑如办公室、剧院、医院和博物馆等，能显著降低每月的水电费支出。 ##### 3.3 健康监测 许多人都有家人遭受中风等疾病折磨的经历，而物联网有望改变这一现状。通过可穿戴或植入式传感器，我们可以实时监测心率、血压、体温、身体质量指数（BMI），甚至血糖或胆固醇水平，实现每周7天、每天24小时的健康监测。利用大数据分析和机器学习，我们可以提前预测和预防中风等疾病，还可能在早期发现癌症等致命疾病，从而及时进行治疗，减少住院需求，让我们更加健康长寿。 ##### 3.4 智能购物 对于有食物过敏或不耐受问题的人来说，日常购物是一项艰巨的任务，需要仔细阅读食品标签以避免过敏原。而在物联网时代，你的手机或其他设备会告诉你哪些食品适合你，这对于节食者和有特殊营养需求的人（如运动员）也非常有帮助。购物结束后，无需排队结账，当你走出超市时，购买的商品会自动结算并从信用卡中扣除费用，收据会发送到你的电子邮件或手机上。如果你不喜欢购买的商品，只需将其放回指定区域，物品会自动检查，若状态良好，将立即退款，无需询问或签名。 ##### 3.5 校园与犯罪预防 校园欺凌是许多学校面临的严重问题，受害者及其家长往往感到无力阻止和证明欺凌事件的发生。物联网可以改变这一状况，受害者可以佩戴传感器，自动记录语音、视频和其他信息并存储在云端，同时向家长和学校发送警告信息。学校能够准确了解欺凌事件发生的时间、地点、涉及人员和具体情况，迅速公正地惩罚欺凌者。同理，物联网也可应用于犯罪预防，许多罪犯从轻微犯罪开始，认为可以逃脱惩罚而逐渐升级犯罪行为。如果他们知道自己的行为一定会被发现，可能就不会犯罪，从而减少犯罪率。 #### 4. 总结与展望 物联网的发展前景广阔，基于Arm® Mbed™的开发板和相关技术为物联网的实现提供了强大的支持。不同的开发板如LPC11U24、BBC Micro:bit和Arm® Mbed™以太网物联网入门套件，各自具有独特的特性和优势，适用于不同的应用场景和开发需求。 随着物联网技术的不断进步，我们的生活将变得更加便捷、智能和安全。然而，物联网的发展也面临一些挑战，如数据安全、隐私保护和标准统一等问题。未来，我们需要不断探索和创新，解决这些问题，推动物联网技术的健康发展，让物联网真正融入我们的生活，为人类带来更多的福祉。 以下是几种开发板关键特性的对比表格： | 开发板名称 | 处理器 | 运行频率 | RAM | Flash | 主要接口 | | --- | --- | --- | --- | --- | --- | | LPC11U24 | 未提及 | 48 MHz | 8 KB | 32 KB | USB device、2×SPI、I2C、UART、6×ADC、GPIO | | BBC Micro:bit | Nordic nRF51822 | 16 MHz | 16 KB | 256 KB | USB、SPI、i2c、蓝牙4.0等 | | Arm® Mbed™以太网物联网入门套件（FRDM - K64F） | NXP K64F Kinetis K64 | 120 MHz | 256 KB | 1 MB | 以太网、USB、CAN、SPI、I2C、UART等 | 通过对比可以看出，不同开发板在性能和接口方面各有特点，开发者可以根据具体项目需求选择合适的开发板。 ```mermaid graph LR A[物联网发展] --> B[技术进步] A --> C[应用拓展] B --> D[芯片性能提升] B --> E[通信技术发展] C --> F[智能家居普及] C --> G[健康监测广泛应用] C --> H[智能购物实现] ``` 这个流程图展示了物联网发展与技术进步、应用拓展之间的关系，以及技术进步和应用拓展各自包含的主要方面。随着时间的推移，我们有理由相信物联网将在更多领域发挥重要作用，改变我们的生活方式。