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1、译者序 近年来,物联网(IoT)技术得到了广泛的关注,物联网不仅仅涉及计算机,还包括智能手机、家用电器、个人穿戴产品等设备,现今已呈现出万物联网的 趋势。在物联网系统的构建过程中,对于低成本的、低功耗的嵌入式存储器的需求变得越来越大。针对多种不同的应用场景,例如智能家居、自动驾驶、穿戴 设备等,本书将基础科学与物联网存储技术相结合,给出了最先进并且实用的物联网存储器解决方案。本书还描述了可用于物联网设备的超低功耗存储器,讲 述了用于医疗电子等特殊应用的塑料电路和聚合物电路。探讨了可用于智能控制的具有嵌入式存储器的微控制器。物联网中会产生大量数据,本书针对人工智 能与深度学习应用,对采用FeRA
2、M、RRAM和MRAM技术的神经形态存储器进行了分析,给出了对物联网硬件产生的大量数据进行收集、处理及深度学习等 的方案。针对至关重要的物联网安全性问题,给出了片上安全系统的设计方案。为了节省开发成本,本书讲述的重点内容是与CMOS兼容的存储器技术,包括 嵌入式浮栅和电荷捕获EEPROM/闪存以及FeRAM、FeFET、MRAM和RRAM。 本书适合从事电子系统和半导体行业的电气工程师和工程经理阅读。同时,对于对集成电路器件和系统的最新发展感兴趣的研究生和高年级本科生,它也 是不可或缺的参考书。 前言 物联网(Internet of Things,IoT)是从“机器通信”这一旧有概念演化而来的
3、,它工作在不需要人工干预的环境下,由负责发送和接收数据的专用网络 部件组成。物联网概念指的是具有网络连接的日常物品,这些物品可以发送、接收和分析数据。智能物联网不但可以发送、接收和分析数据,并且能够根据数 据的分析结果进行干预。我们希望,个别的专用网络能将其知识传递给其他网络,从而提升整个社会范围内网络的功能。 这样的物联网网络无处不在。在零售商店里,早期的条码提供了商品的扫描信息,包括库存、价格以及来源。在高端零售商店,可提供商品状态信息的 RFID标签已取代了条形码。例如,酒瓶上的温度监测器可以检测温度,并记录其所经历的最高温度。这些信息可以通过无线电从标签发送到附近的接收器,接 收器可以
4、分析库存的状态,并对定价或退货提出建议。这些建议也会被记录在原始的RFID标签上。 还有一些其他可相互通信的系统构成智能网络的例子。可穿戴医疗设备可以采集数据,并定期将数据传输到医疗服务提供者节点,辅助实现对患者的医疗 监控和评估。医疗服务提供者节点还可以根据原始输入数据,将推荐的治疗方法反馈到可穿戴设备上,从而实现相关的医疗实践。为了迅速形成成功的新疗 法,可采用类似的数据来收集治疗的结果。 另一个例子是智能家居网络。传感器可以检测运动、火灾、烟雾、门锁状态;控制摄像机或音频设备记录以上信息,并依据智能网络控制器发出的指令打 开/关闭家用电器。一旦检测到温度升高或烟雾,表示发生了火灾,此时智
5、能家居网络可以打开已安装的喷水灭火系统,同时启动火警,通知消防部门,并向应 急人员通报建筑物内人员的存在和位置。通过沿着路缘安装的传感器,“智慧城市”交通管理系统中的网络可以记录汽车的位置,并检测汽车速度,使用嵌入 式智能技术来控制交通信号灯,以改善交通流量。如果检测到超速,这些传感器还可以向交通监控器进行标示。作为可以提升人类生活质量的交互式网络,智 慧城市将在第1章中进行讨论。 不同的物联网应用对微处理器(MCU)的要求差别很大,并会影响MCU使用的嵌入式非易失性存储器的类型。对不同的应用,嵌入式存储器可能需要考 虑的因素包括:待机功率、有源功率、耐久性、编程电压、擦除电压、读写速度和数据
6、保持时间。还可选择使用的嵌入式存储器技术的类型。 人们感兴趣的应用程序包括:用于能量采集的超低功耗MCU、用于电池供电应用的超低功耗MCU、具有非易失性阵列和电源门控的处理器、用于间歇性 操作的处理器和通信处理器。汽车网络应用中使用的处理器对嵌入式存储器有不同的要求。第2章讨论了不同物联网应用中处理器及其嵌入式存储器的不同特 性。 想要低成本大容量地制造物联网处理器,就需要在标准CMOS逻辑工艺生产线上大批量生产处理器中的存储器。目前,大多数晶圆制造领域具有简单的传 统嵌入式闪存宏和EEPROM宏,可作为在其工艺生产线上运行的MCU中的IP。随着对物联网处理器的需求不断增加,已经开发出易于理解
7、的逻辑兼容存储器的 新配置。第3章讨论嵌入式浮栅闪存和EEPROM存储器的现状与发展,以及CMOS逻辑兼容的电荷捕获存储器。 对电池供电或能量采集的传感器来说,对存储器和处理器的要求是具有非常低的功耗和非常低的成本。对可穿戴设备,电路必须是柔性的。在没有半导体 处理开销的情况下,大批量制造电路可以降低成本,因此在铁电、电荷捕获和电阻存储器的研制中投入了大量工作,这些存储器可以通过喷墨印刷或丝网印刷 制成,并且还可以形成逻辑电路。第4章讨论了,为实现物联网中低功耗、低成本的柔性存储器,行业技术所经历的演变过程,并且讨论了由柔性基板上安装的 薄硅芯片制成的高性能柔性电路。 位于互联网边缘的局域网(
8、Local Area Network,LAN)可能会使用基于记忆的神经形态计算机,这些计算机目前正处在一个初期水平。使用这些本地智 能节点意味着可以分析本地数据,并将结果发送到云端。这可以提供更高级别的数据安全性。第5章讨论了这些基于记忆的神经形态计算机的发展。 由诸多传感器节点收集的大量数据和这些节点的标识数据必须存储到广泛可用的地方,通常存储在构成互联网云的服务器组中。这些服务器中存储器的层 次结构对于系统的高效运行至关重要。与云服务器相关的复杂搜索引擎需要达到新的人工智能水平,目前仍处于研发阶段。第6章讨论了一些此类的人工智能系 统。 第7章讨论涉及存储器设备的因特网安全的各个方面,还介
9、绍了基于新兴存储器设备(如MRAM和RRAM)的物理不可克隆功能(Physical Unclonable Function,PUF)的使用。 第1章 智慧城市智能物联网的原型 1.1 概述 智能物联网(Internet of Things,IoT)正处于发展过程中,这种智能交互式的人文环境已经取得了长足的进步,后续将会取得更深远的发展。重要的预 言性概念已浮出水面,导致了人们对这些未来概念中内在的夸张的普遍厌恶。这并不影响已经取得的和未来将会取得的重大进展。本章将尝试展望未来,并同 时具体论述智能物联网的当前发展和近期的未来趋势。 第1章 智慧城市智能物联网的原型 1.1 概述 智能物联网(I
10、nternet of Things,IoT)正处于发展过程中,这种智能交互式的人文环境已经取得了长足的进步,后续将会取得更深远的发展。重要的预 言性概念已浮出水面,导致了人们对这些未来概念中内在的夸张的普遍厌恶。这并不影响已经取得的和未来将会取得的重大进展。本章将尝试展望未来,并同 时具体论述智能物联网的当前发展和近期的未来趋势。 1.2 智慧城市 在发达国家的城市化地区,智能物联网最为发达,这些地区研制出了必要的商务、交通、公共设施、住宅和生活必需品的高效网络。 目前所设想的这些智能网络的概览,可以通过智慧城市的概念进行构建,如图1-1所示。 图1-1 智慧城市中的元素,包括交通、商务、公共
11、服务、住宅和公共设施的连接网络 人们使用的许多网络都可以认为是智慧城市的元素,包括以下模式的网络:交通、商务、服务、住宅和公共设施。 1.3 智能商务智慧城市的要素 1.3.1 智能库存控制 最初的库存控制标签是条形码,它以机器可读的形式通过改变平行线的宽度和间距来提供基本的库存数据。继条形码之后是QR码光学标签,其中包括其所 附物品的相关信息。QR码的信息具有快速可读性,比条形码更丰富,并且可以使用智能手机进行读取。它通常会链接至一个包含产品信息的网页。 智能商务始于早期的机器对机器(Machine-to-Machine,M-to-M)通信设备。早期,射频识别(Radio Frequency
12、 IDentification,RFID)标签被应 用于工厂和零售库存,如图1-2所示。唯一的ID代码可以先存储在本地,稍后存储在云端。这些设备的来源以及它们的制造和运输记录,甚至环境的影响,都 可以在需要时进行保存并传输。在本地,可以对价格进行定价、存储和更改处理。 图1-2 零售商品上的RFID标签,标示出了其中的天线和芯片。照片由B.Prince提供 RFID是通信协议的早期实现,也研发了其他的远程通信协议标准,例如:近场通信(Near Field Communication,NFC)和蓝牙。USB、SPI和I2C等通 信协议被用于互联系统中。利用特定频率,WiFi还可以将电子设备连接到
13、无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)。 在零售环境中,标记的库存小到单个物品,可以被跟踪、定价和重定价,并测量和存储其环境信息。例如,带有热探测器的传感器可以追踪昂贵的葡萄酒 或药物的环境,以确保物品持续地保存在允许的温度范围内。 1.3 智能商务智慧城市的要素 1.3.1 智能库存控制 最初的库存控制标签是条形码,它以机器可读的形式通过改变平行线的宽度和间距来提供基本的库存数据。继条形码之后是QR码光学标签,其中包括其所 附物品的相关信息。QR码的信息具有快速可读性,比条形码更丰富,并且可以使用智能手机进行读取。它通常会链接至一个包含产品信息的网页。
14、 智能商务始于早期的机器对机器(Machine-to-Machine,M-to-M)通信设备。早期,射频识别(Radio Frequency IDentification,RFID)标签被应 用于工厂和零售库存,如图1-2所示。唯一的ID代码可以先存储在本地,稍后存储在云端。这些设备的来源以及它们的制造和运输记录,甚至环境的影响,都 可以在需要时进行保存并传输。在本地,可以对价格进行定价、存储和更改处理。 图1-2 零售商品上的RFID标签,标示出了其中的天线和芯片。照片由B.Prince提供 RFID是通信协议的早期实现,也研发了其他的远程通信协议标准,例如:近场通信(Near Field
15、Communication,NFC)和蓝牙。USB、SPI和I2C等通 信协议被用于互联系统中。利用特定频率,WiFi还可以将电子设备连接到无线局域网(Wireless Local Area Network,WLAN)。 在零售环境中,标记的库存小到单个物品,可以被跟踪、定价和重定价,并测量和存储其环境信息。例如,带有热探测器的传感器可以追踪昂贵的葡萄酒 或药物的环境,以确保物品持续地保存在允许的温度范围内。 1.3.2 智能配送 定时配送已成为日常现实,使用互联的报告系统,在线商店可以利用代理商网络实现按时配送。配送无人机(如图1-3所示)尽管尚未成为日常,但正在进 行试点研究。亚马逊于20
16、16年12月表示,已经使用一架无人机向英国剑桥的客户配送了第一个包裹,该无人机的续航里程为10英里(1英里=1609.344米), 最大载重为5磅(1磅0.453千克)1。 图1-3 配备摄像头的商用无人机和控制器。照片由B.Prince 拍摄 1.3.3 利用人工智能进行智能营销 人工智能可以调查个人的历史兴趣和购买行为,并能预测消费者的偏好。具有传输功能的智能标签(称为“信标”),通过将具有针对性的广告投放到手 机上来吸引潜在的消费者。这些智能标签还可以用于在受控环境中,使用固定跟踪信标来追踪移动物体。 1.4 智能住宅 智能互联家居 智能家居物联网可能包括:环境控制、外部访问和安全控制、
17、视觉系统、照明控制、舒适控制(自动调节床和椅子)、信息控制、娱乐控制、健康和医疗 警报、食物和水控制、安全警报(龙卷风、火灾、洪水)、动物出入和护理,以及儿童监测和护理。最初,这些系统可以由所有者远程进行控制。最终,这些 系统将实现自动化,自动满足所有者的需求。图1-4显示了智能互联家居的概念。 在智能家居中,控制设备可以是所有者的移动手持电脑(智能手机),可以用于监视智能设备,并在需要修改设置时进行控制。通常,智能家居传感器可 实现无须人工干预的自动运行。 一个自动化家居可根据所有者电话的GPS定位来预测其到达时间,通过所有者的生物输入以确保安全进入。当主人不在家时,恒温器可根据时间将温度保
18、 持在一个预设的水平。恒温器的设置也可由住户的智能手机远程修改。当房屋被使用时,住户的可穿戴式监视器可以与恒温器进行通信,为住户自动调整照明 和舒适度。用于控制空调网络的微型恒温器可根据用户的位置和要求实现温度个性化的设置。光传感器可以在适当的时间打开和关闭百叶窗,并根据需要打开 室外照明,这些功能都可以按需进行控制和编程。家用电器的打开和关闭控制可由远程的所有者或家庭网络中的预设控制器实现。 如图1-5所示,智能冰箱网络通过读取物品上智能标签的信息来获取每件物品的状况和数量,自动生成购物清单并发送到商店2。根据清单,商店可以找到 所需物品,准备好让用户来取或送至家中。 图1-4 智能互联家居
19、概念 图1-5 自动添补食品清单的例子,传感器感知牛奶量不足,NFC将牛奶传输到食品清单,WiFi将购买请求传输到食品商店,然后牛奶被配送至家中 使用智能电表的自主系统可以监控电量情况,并调整用电设备的运行时间以满足低能耗的要求。运动传感器可实现安全保障。现今,上述功能都可利用适 当的设备来实现。随着时间的推移,还可以监测住户的健康、饮食以及食品数量,食品购物清单可自动更新2。 1.5 人智能互联家居的中心 1.5.1 可穿戴电子产品 智能家居中的人已成为物联网的另一个中心。可穿戴的运动和健康监测电子设备就形成这样一个网络。简单地说,可穿戴电子设备是机器对机器(M2M) 的网络。身体上所佩戴的
20、传感器记录诸如心率或温度等参数,记录测量数据后再传输到一个负责监视和记录读数的设备(例如智能电话)。这些信息还可以传 输至健康专家,会得到自动生成的建议或处方。 智能连接可穿戴电子设备的一个例子是一个可感测、记录、传输、分析、指导以及由人或设备进行响应的系统。另一个例子是可穿戴血糖检测器,它与一 个可穿戴胰岛素泵和分析装置相关联。该葡萄糖检测器可以测量并记录用户的血糖水平,并将其报告给记录和分析(R&A)设备,该R&A设备可能是智能电话 中的一个应用。R&A设备可以记录葡萄糖水平,并将其与正常水平进行比较。如果它高于一定的水平,R&A设备可以与胰岛素泵通信,胰岛素泵将向血液中注 入一定量的胰岛
21、素。这种可穿戴式葡萄糖检测器及与其组合使用的可穿戴式胰岛素泵当前已经投入使用了3-5。两者都可以作为臂带佩戴,如图1-6所示。其他 智能可穿戴设备可能包括人体能力的增强,例如雷达增视或声音的色彩增强。 图1-6 未来可能的可穿戴系统示意图带有智能监视器和连接胰岛素泵的可穿戴血糖检测网络 可穿戴电子设备是具有超低待机功耗系统的一个例子,可穿戴设备通常有两种供电方式:第一种是由小型纽扣电池供电,纽扣电池可以提供较低的电流, 并且可以供电相当长的时间;第二种是由某种能量采集方法提供电力。这些低功耗系统需要超低功耗微控制器,并且其中的嵌入式存储器在低待机功率和低负 载功率条件下均是非易失性的。 1.5
22、 人智能互联家居的中心 1.5.1 可穿戴电子产品 智能家居中的人已成为物联网的另一个中心。可穿戴的运动和健康监测电子设备就形成这样一个网络。简单地说,可穿戴电子设备是机器对机器(M2M) 的网络。身体上所佩戴的传感器记录诸如心率或温度等参数,记录测量数据后再传输到一个负责监视和记录读数的设备(例如智能电话)。这些信息还可以传 输至健康专家,会得到自动生成的建议或处方。 智能连接可穿戴电子设备的一个例子是一个可感测、记录、传输、分析、指导以及由人或设备进行响应的系统。另一个例子是可穿戴血糖检测器,它与一 个可穿戴胰岛素泵和分析装置相关联。该葡萄糖检测器可以测量并记录用户的血糖水平,并将其报告给
23、记录和分析(R&A)设备,该R&A设备可能是智能电话 中的一个应用。R&A设备可以记录葡萄糖水平,并将其与正常水平进行比较。如果它高于一定的水平,R&A设备可以与胰岛素泵通信,胰岛素泵将向血液中注 入一定量的胰岛素。这种可穿戴式葡萄糖检测器及与其组合使用的可穿戴式胰岛素泵当前已经投入使用了3-5。两者都可以作为臂带佩戴,如图1-6所示。其他 智能可穿戴设备可能包括人体能力的增强,例如雷达增视或声音的色彩增强。 图1-6 未来可能的可穿戴系统示意图带有智能监视器和连接胰岛素泵的可穿戴血糖检测网络 可穿戴电子设备是具有超低待机功耗系统的一个例子,可穿戴设备通常有两种供电方式:第一种是由小型纽扣电池
24、供电,纽扣电池可以提供较低的电流, 并且可以供电相当长的时间;第二种是由某种能量采集方法提供电力。这些低功耗系统需要超低功耗微控制器,并且其中的嵌入式存储器在低待机功率和低负 载功率条件下均是非易失性的。 1.5.2 控制电子设备 无论住户是在家中还是外出,他们都希望能够对家中的所有功能进行简单的自动控制。现在已经实现了对许多功能的控制,如摄像头、照明、窗帘、安全 监视器和报警系统。家用电器和公用设施的控制实现也将紧随其后。所有这些控制都将由手持或穿戴设备进行,目前是由智能手机进行控制。 1.6 智能个人交通 1.6.1 智能汽车概述 汽车是智能物联网应用的另一个例子。现代高端汽车中安装的微控
25、制器超过了100个6。这些微控制器可以分为以下几类:车身处理器、信息娱乐处理 器、驾驶辅助系统和发动机处理器,如图1-7所示6。 1.6 智能个人交通 1.6.1 智能汽车概述 汽车是智能物联网应用的另一个例子。现代高端汽车中安装的微控制器超过了100个6。这些微控制器可以分为以下几类:车身处理器、信息娱乐处理 器、驾驶辅助系统和发动机处理器,如图1-7所示6。 1.6.2 驾驶辅助系统 在驾驶辅助系统的智能应用中,一个早期的例子是汽车的“防抱死”制动系统,其中车轮速度传感器可以检测在制动时一个或多个车轮是否出现锁死。如 果车轮试图锁死,一套液压阀会限制该车轮上的制动并启动油泵,这有助于在最短
26、的时间内让车辆安全停下而不打滑。 图1-7 汽车物联网处理器网络包括:车身处理器、信息娱乐处理器、驾驶辅助系统和发动机处理器。来源:参考文献6 智能物联网应用的另一个例子是驾驶辅助设备,它可能是备用摄像头或雷达(它能探测到汽车路径上的障碍物,通知制动系统进行制动)、换道警告装置 或盲点警告。上述系统连同牵引控制、巡航控制和防撞系统目前已经投入使用。当前可用的系统如图1-8所示。 图1-8 目前可用的汽车安全辅助装置 正在开发的驾驶辅助应用程序,可以增加对驾驶风险、道路状况和交通情况的了解,并提高驾驶员处理这些交通环境状况的技能。例如,汽车上安装的摄 像头和雷达,在任何特定的时间,可以扩展驾驶员
27、对汽车周围环境的了解。驾驶辅助应用程序还包括了自动停车系统和自动拖车备用系统。 驾驶辅助系统向驾驶员提供的反馈必须是快速的、可立即理解的、明确无误的,并且所需要的响应是显而易见或自发的。因此快速的传感器和视听辅助设 备是必需的,相应地就需要快速处理的大容量存储器。高性能图形处理器可用于实现这些驾驶辅助系统。 1.6.3 发动机处理器 发动机控制单元负责控制汽车驱动的电气系统,其中包括了以下控制系统:动力传动、动力转向、变速器或发动机计时。发动机处理器的输入来自各种传 感器,主要用于发动机管理和发动机性能。发动机处理器倾向于自主运行,无须驾驶员干预,主要对驾驶员做出提示。例如,如果其中一个发动机
28、传感器发生 故障,可能导致“检查发动机”灯亮起。针对发动机控制单元的主要标准包括了高温性能和高可靠性。由于汽车发动机变热,发动机舱内的电子元件的功能温 度要求通常为-40+150,甚至可能高达170。 1.6.4 车身处理器 车身处理器包括:座椅控制单元、自动锁控制器、车门模块、座椅模块、车身中央、车身、智能接线盒、镜子调节、空调、照明、安全带传感器和气囊控 制器。这些处理器中将包括容量高达MB的非易失性存储器。气囊控制器需要具有很短的响应时间。正在对这些智能车身处理器增加安全特性。 1.6.5 信息娱乐处理器 为了减少当前高速公路上的交通事故,汽车的视觉信息处理器是至关重要的,它可以辅助驾驶
29、人,提高他们对汽车外部和内部环境的了解。具有极宽视 场、可全天候增强驾驶人视觉的自动投影系统正在研发中。该光学系统将包括速度、导航、障碍识别和规避、夜间雷达的视觉增强,以及驾驶人的视野增强。 停车辅助是另一个正在开发中的驾驶人支持系统。该系统可以使用多个具有360度视角的摄像头和可发声的距离传感器来辅助停车或者全自动化停车。拖 车的停车辅助服务现在也投入使用了。 1.6.6 自动驾驶汽车 自动驾驶汽车正处于不同的发展阶段,自动驾驶汽车自动接收环境状况的通知并采取相应的动作。全自动驾驶需要考虑优先级,也就是说,价值判断汽车 需要利用人工智能来进行分析和采取行动。应用程序(如智能制动)的准则是快速
30、感知和处理速度,因为要在事故发生前启动制动。自动制动系统的输入设备 可以是汽车上的摄像头或雷达,两种方式都能感知障碍物。在无人驾驶应用中,汽车是由计算机来操纵的,它接收有关道路状况的信息,驱动汽车避开障碍 物,到达预定目的地。 汽车网络并不要求超低功率待机,因为各种处理器可由汽车电池供电。但是,为了满足处理速度和读写速度,高性能MCU是必要的。 如果自动驾驶的汽车和驾驶员控制的汽车在不同的车道或高速公路上行驶,那么交通可能会更安全。也许最初城市内部区域可用于自动驾驶汽车行驶,因 为在这些区域自动驾驶汽车的推广得到了更多的欢迎。或者,将传统的公共交通网络扩展至城市中心。 1.7 智能交通网络 1
31、.7.1 智能公共运输网络 公共交通网络(如火车和公共汽车等)也是能以M2M方式运行的智能交通的例子。列车可以按照预定的时刻表自动运行。火车上或轨道上有传感器,可以 探测到其他列车并调整速度以免发生碰撞。列车的智能网络会设定优先级,调整行进的速度和路线以实现智能网络的优先级。智能控制器可以运行整个网络, 只需本地的人工监控。 1.7 智能交通网络 1.7.1 智能公共运输网络 公共交通网络(如火车和公共汽车等)也是能以M2M方式运行的智能交通的例子。列车可以按照预定的时刻表自动运行。火车上或轨道上有传感器,可以 探测到其他列车并调整速度以免发生碰撞。列车的智能网络会设定优先级,调整行进的速度和
32、路线以实现智能网络的优先级。智能控制器可以运行整个网络, 只需本地的人工监控。 1.7.2 个人汽车交通管理 用于售票的智能卡已经使用多年,安装在汽车挡风玻璃上的收费标签也被广泛使用。这些标签可以进行远程查询。得克萨斯州使用的EZ标签系统就是的一 个例子7。使用该系统时,用户需要在汽车风窗玻璃内侧贴一个小型射频(RFID)应答器,如图1-9所示。当通过收费器时,专门配备的传感器可以读取EZ标 签发射器的数据,在每次使用后,卡上的金额会被扣除,对卡的充值可在终端上实现。 图1-9 贴在风窗玻璃上的得克萨斯州EZ RFID标签贴纸。照片由B.Prince提供 标签还可用于生成供公众使用的实时交通信
33、息。由于所采集的仅是一般交通密度和动态的数据,因此不会暴露客户个人信息。 因为EZ标签对特定汽车进行ID识别,可以想象,在一个特定的时间,通过利用兼容的传感器进行监测,该系统还可以用于定位一个地区的所有居民。这取 决于是否有足够密度的传感器来探测特定区域道路上的所有车辆。通过记录连续标签读数之间的时间,该系统还可以确定特定车辆的速度。 1.7.3 智能高速公路 智能高速公路应该能够协调交通,确保交通畅通、消除拥堵,并且各个车辆可以在最短的时间内安全抵达目的地。交通灯协调并不少见,但它应灵活地适 应现有的交通配置。高速公路的方向也可以根据时间的不同而改变,这样主导方向的交通就会有更多的车道。进入
34、高速车道可以收取不同的费用,以确保每辆 车都可以按照用户设定的速度行驶。道路上的传感器应能够感知到汽车,并通过计算连续读数之间的时间来确定它们的速度。高速公路可以通过感知单个车辆 的速度和位置并与每辆车辆进行通信,以确保车辆之间保持最小距离,从而帮助确保交通安全。 高架道路和地下道路被用于扩大平面上可用的车道空间,在波士顿和许多其他城市中均使用了这样的道路。通往高速公路的有限通道提供了更平稳的交通 流量,就像在高速公路上的入口坡道一样。事故检测系统可最大限度地减少因事故而降低的平均速度。该系统还可以向当局通报事故的发生,并确定所涉及的 车辆和可能的目击证人的身份。美国各地的收费标签系统在汽车通
35、过道路标志传感器时,可检测并识别出装有标签的汽车。 1.8 智能能源网络 1.8.1 智能电表 电表可以将用户连接到电力公司,接收能源并确定其费用。它可以连接到智能住宅或商业楼宇中的设备以确定必要系统的用电,并在高能源成本期间减少 非必要系统的用电或将必要系统的用电移至低能源成本时间。如果在一些特殊位置可获得电能,例如屋顶上的太阳电池阵列,则在能源使用峰值期间,智能电 表可将这些额外能源输送到电网中。在一天中最热的时段,空调系统使用率是最高的,这时所使用的电能是由当地太阳能系统所产生的。这有助于减少高峰时 段所需的高成本能源的数量。智能电表可记录进出特定位置的电能。 智能电表可以频繁地记录用电
36、数据。鉴于EEPROM的低成本、低功耗和标准封装特性,传统智能电表的数据通常记录到串行EEPROM中。先进的计量基础 设施(AMI)的出现促进了高效的发电、输电和配电。智能电表可以每隔几秒或甚至以毫秒为间隔记录电力参数。由于频繁的数据采集,电表性能会受到非易 失性存储器写入速度慢和耐久性周期有限的影响。出于这个原因,在AMI智能电表中使用一些替代的存储器技术,例如铁电RAM、电池备份SRAM和非易失性 SRAM。这些存储器技术往往具有更高的耐用性和更快的写入速度8。 智能电表可以连接到建筑物的耗能设备上,在用电高峰时将这些设备下线,此时电力需求和价格最高,而系统最容易出现轮流停电的风险。这既节
37、省了建 筑业主的钱,又帮助电力公司避免停电。对于智能电表来说,安全性是一个重要的问题。智能电表在电力公司和消费者之间可以实现双向通信。图1-10是一个 智能电表的示例,该仪表连接着建筑物中的太阳能阵列,并连接到一个包含各种电源(如水力发电机、太阳能发电机、燃煤发电机和风力发电厂)的电网中央 控制。 1.8 智能能源网络 1.8.1 智能电表 电表可以将用户连接到电力公司,接收能源并确定其费用。它可以连接到智能住宅或商业楼宇中的设备以确定必要系统的用电,并在高能源成本期间减少 非必要系统的用电或将必要系统的用电移至低能源成本时间。如果在一些特殊位置可获得电能,例如屋顶上的太阳电池阵列,则在能源使
38、用峰值期间,智能电 表可将这些额外能源输送到电网中。在一天中最热的时段,空调系统使用率是最高的,这时所使用的电能是由当地太阳能系统所产生的。这有助于减少高峰时 段所需的高成本能源的数量。智能电表可记录进出特定位置的电能。 智能电表可以频繁地记录用电数据。鉴于EEPROM的低成本、低功耗和标准封装特性,传统智能电表的数据通常记录到串行EEPROM中。先进的计量基础 设施(AMI)的出现促进了高效的发电、输电和配电。智能电表可以每隔几秒或甚至以毫秒为间隔记录电力参数。由于频繁的数据采集,电表性能会受到非易 失性存储器写入速度慢和耐久性周期有限的影响。出于这个原因,在AMI智能电表中使用一些替代的存
39、储器技术,例如铁电RAM、电池备份SRAM和非易失性 SRAM。这些存储器技术往往具有更高的耐用性和更快的写入速度8。 智能电表可以连接到建筑物的耗能设备上,在用电高峰时将这些设备下线,此时电力需求和价格最高,而系统最容易出现轮流停电的风险。这既节省了建 筑业主的钱,又帮助电力公司避免停电。对于智能电表来说,安全性是一个重要的问题。智能电表在电力公司和消费者之间可以实现双向通信。图1-10是一个 智能电表的示例,该仪表连接着建筑物中的太阳能阵列,并连接到一个包含各种电源(如水力发电机、太阳能发电机、燃煤发电机和风力发电厂)的电网中央 控制。 1.8.2 智能电网 电网是向城市供应能源的控制网络
40、。电网可以连接到一个由各种能源构成的网络,包括可按需提供能源的燃煤发电厂和燃气发电厂、可间歇性提供能源的 太阳能设施及为长远规划的应急发动机和水电站。 这些能源从稳定能源到间歇能源、按需能源,可从低成本到高成本进行分类。 图1-10 智能电表控制的智能能源网络示意图 1.9 智能互联楼宇 1.9.1 智能办公楼 智能办公楼可以调节其环境,以确保用户的舒适和安全。可以在不同位置感测和调节温度。出于安全目的,运动传感器或热传感器可以监控人员的存 在,ID标签的GPS监视器可以确定建筑物内人员的位置。为了满足用户的舒适度要求,可以调节照明水平,并自动打开或关闭百叶窗。图1-11显示了智能住宅 恒温器
41、的图片。 图1-11 智能楼宇和住宅的NEST恒温器图片。照片由B.Prince提供 在未来,个人佩戴的传感器可以与智能楼宇的环境控制系统进行通信,从而获得可独立进行温控的工作空间。单个的履带机器人可以将用户所要求的材料 送到用户手中,也可以分别为用户准备餐食后自动送达至用户。 为了确保所有居民获取到高质量空气,可对空气质量持续监测。为了确保所有居民的安全,需要感知和隔离当地的毒素。如果发生火灾,在对居民进行检 查后,可以自动隔离某些区域。可以从所有的位置来监听声音,并且每个位置都可以提供信息。声音系统可以根据位置进行维护。 1.9 智能互联楼宇 1.9.1 智能办公楼 智能办公楼可以调节其环
42、境,以确保用户的舒适和安全。可以在不同位置感测和调节温度。出于安全目的,运动传感器或热传感器可以监控人员的存 在,ID标签的GPS监视器可以确定建筑物内人员的位置。为了满足用户的舒适度要求,可以调节照明水平,并自动打开或关闭百叶窗。图1-11显示了智能住宅 恒温器的图片。 图1-11 智能楼宇和住宅的NEST恒温器图片。照片由B.Prince提供 在未来,个人佩戴的传感器可以与智能楼宇的环境控制系统进行通信,从而获得可独立进行温控的工作空间。单个的履带机器人可以将用户所要求的材料 送到用户手中,也可以分别为用户准备餐食后自动送达至用户。 为了确保所有居民获取到高质量空气,可对空气质量持续监测。
43、为了确保所有居民的安全,需要感知和隔离当地的毒素。如果发生火灾,在对居民进行检 查后,可以自动隔离某些区域。可以从所有的位置来监听声音,并且每个位置都可以提供信息。声音系统可以根据位置进行维护。 1.9.2 智能工厂 现今,全自动化工厂已成为现实。拥有全自动装配线的大型半导体工厂由少数工人、维护人员以及能够进行精确操作的精密机器人来进行操作,可对机器 人进行编程并对程序进行远程修改。 自动化工厂自20世纪70年代以来就已经出现了,而真正的智能互联工厂则是最近才出现的。在自动化制造过程的各个阶段,客户可靠性和政府可报告性都 要求保持透明度和交互性。 在每一个阶段,自动监视器都可以生成数据。在装配
44、线上,智能视觉监视器取代了检查员。新的带有传感器的触摸界面可以检测到人的存在,从而提高安 全性。这促进了具有用户友好界面的新一代大型机器人的诞生。这包括了从非常小的物品到非常大的物品的拾取和放置。世界各地的联网机器可以生成实时信 息,就像工业机器人为监视器和调节器生成实时信息一样。 自动检查机器人可以代替工人进行故障检测,并对故障进行识别和报告。机器人可以自我测试和自我修复。在拾取和放置过程中,可以使用视觉系统自动 调整所使用的动作和力的大小。在仓库中,视觉导向的智能机器人可以在托盘上打包和分类材料。物料可以转移到智能小车上进行配送和入库。这些都是智能 机器互动的例子。 一个例子是惠普公司开发
45、的分阶段半导体工厂自动化设计,该设计允许一个半导体工厂集成先进水平的工厂控制软件,以及自动化材料处理系统和实时工 具控制9。 可以将分布式堆叠方式用于具有手动应急操作的仓库中。可靠性考虑因素可以采用分阶段的方法进行分配安装。三维(3D)视觉引导机器人可以处理仓库 中任意的垃圾箱或混乱的托盘。智能相机系统可以进行检查,并向在此过程中需要进一步划分阶段的机器进行报告。可配置的智能机器可以通过引入的视觉系 统进行编程,实现多个过程所需的自动化过程,并将需求传输到适当的机器。智能工厂可根据用户要求,通过机器编程实现不同的可靠性要求并进行检验。 1.9.3 智能医院 智能医院可以接收医生的指示、订购处方
46、、自动进行患者筛查和测试,并将各个领域的专家加入到个体诊断中。可靠性监视器可以检查远程检测人员是否 存在步骤上的错误,并进行自动更正。卫生检测措施可用于防止患者在医院中感染疾病,并可将他们送到能提供最好的保护和护理的区域。 图1-12显示了联网医院可能具有的特征。 例如,柏林的Advantech公司就配置了智能医院,在那里,护理推车可以将药物送到病房,并提供个性化的药物10。患者数据管理系统可以自动处理大量 的在线患者记录和正在进行中的治疗系统。移动手持式医疗助理可以为本地医务人员提供即时记录。根据来自自动监视器和每个病人单独输入的反馈,可以获 得对个人护理的一个全面的了解。单独的房间成像系统
47、可以帮助诊断,在专家不在场的情况下也可以提供专家意见和诊断。 安全检查可以编程到系统中,以双重检查诊断、测试和治疗,以避免错误。自动化的后台校准系统可以检查仪器,自动化的冗余可靠性系统可以检查医院 在手术中的错误。数字胸卡可以实时监控每个工作人员的位置,可以用来跟踪传染病传播或建立医疗决策链。患者的数字胸卡可以监控手术和位置,并检查为 该患者规划的程序。 图1-12 智能医院环境中数字连接系统的示意图 1.9.4 智能公共建筑 公共建筑正在通过联网来增强其功能。法院和图书馆都连接到大型信息中心和大规模的专业资源。博物馆可以提供虚拟影像,将观众带入遥远而充满异国 情调的场景中。正在开发大规模的安
48、全网络以确保人们在大型公共集会中的安全。在未来,虚拟博物馆和虚拟音乐厅可能会为观众带来期望的视听感受,这样 可以减少大型公共集会的需求。 1.10 想法 以上所描述的智能互联世界是可行的,而且一些初期的实现已经出现在我们的身边。这些技术的实施速度较慢,但明显的是,在城市中,更有用的一些应 用已经被快速采用并实践,人口密度有助于更快地观察这些技术的优势。对这些大规模数据的自动、智能的使用将随之而来。 参考文献 第2章 智能物联网存储器应用 2.1 简介 术语“智能物联网(Intelligent Internet of Things,IoT)”用于描述处理系统的智能网络,这些系统相互通信,分析生成
49、的数据,并对分析结论做出响 应。预期这些网络可以改善许多领域中的智能自动化效果。这种彼此通信的智能系统网络的例子有:可穿戴医疗设备,用于采集数据并定期将数据传输到网 络,对患者进行医疗监测和评估;智能住宅网络,用于检测运动、火灾、烟雾、门锁状态,并在智能网络控制器的指导下,控制摄像头或音频设备并开/关家用 设备。在物联网传感器上,通信标签无处不在,它们需要具有非常低的成本,能够以间歇收集到的极低能量进行驱动。在这种无处不在的网络中,更换电池是 不现实的,因此大量传感器需要能量采集。当使用电池时,需要以超低功耗运行。在物联网网络中,许多设备必须以非常低的成本来运行。 智能网络中需要数据存储。收集并处理信息需要存储器。用于物联网的许多微控制器单元(MicroController Unit,MCU)在处理器中嵌入了所需的存储 器。此外,由于处理器大部分时间都处在待机状态下,因此处理器本身的待机功耗必须非常小,接近于零功耗。在某些情况下,它们可能需要在所需的状态下 加电,而无须花费时间和电力来启动。这可以使用非易失性节点来实现,在某些情况下,可使用高耐久性存储器设备,例如对电源门控,节点上采用铁电 RAM(Ferroelectric RAM,FeRAM)或磁阻式RAM(Magnetic R
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