嵌入式物联网系统设计与实践

◆ 物联网的边界，由系统定义；系统的未来，由架构驱动

◆ 这不是一本手册，而是一张进入下一代物联网开发的准入证

◆ 当嵌入式遇见开源，当端侧连通云端，真正的创新始于对底层的深度理解

◆ 让Arm 到RISC-V 的开发者，轻松搭建物联网系统

物联网技术（IoT）作为新一代信息技术的重要组成部分，能够将物理设备（如传感器、执行器）与网络系统相连，实现信息的全球共享。物联网在智能交通、智能电网、智能家居、智慧医疗、工业和农业等领域应用广泛，与我们的生活越发密不可分。同时，云服务在各行业的应用迅速增长，物联网服务从终端向云端的拓展，显著提升了服务的可用性和可达性。随着物联网技术的飞速发展和广泛应用，市场规模持续扩大，预计到2030年全球物联网市场将达到1.15万亿美元，中国市场占比约25%。

本书依托北京邮电大学电子工程学院开设的同名实验课程，力求兼顾嵌入式开发的核心知识与物联网的典型应用。我们希望读者通过书中的实训案例，不仅能掌握物联网的基本架构，还能利用传感器和嵌入式硬件，根据实际需求动手搭建物联网应用原型。

Arm架构具有技术成熟、指令集简单、功耗低等优势，长期主导移动设备市场。近年来，RISC-V架构凭借开源、灵活和低成本等优势迅速崛起，其增长速度惊人，2020—2024年复合年增长率达到75%，预计到2030年，RISC-V在全球32位MCU的渗透率将达到9.5%，中国地区将达到12.2%。RISC-V不仅在MCU领域被采用，还逐步向高端发展，其应用领域广泛，包括FPGA平台、专用集成电路平台等，预计将成为芯片核及加速器市场的主流架构。本书兼顾Arm与RISC-V架构，旨在帮助初学者和高校学生理解现代处理器核心原理，掌握物联网开发基础。再版在原有的Arm Cortex-M4内容基础上，增加了以RISC-V玄铁处理器为核心的嵌入式开发相关内容，依托CH2601芯片及RVB2601开发板的应用实例，系统地补充了RISC-V架构物联网系统开发方法。全书主要内容涵盖Arm与RISC-V两类处理器的体系结构、嵌入式处理器芯片构成、关键功能模块及开发实例。实践案例部分包括GPIO、中断、串口通信、模数转换器、低功耗蓝牙技术、传感器模块、小型物联网系统和简单的云服务系统等，旨在帮助读者循序渐进地掌握从模块到物联网系统的完整开发流程。

本书相关课程的开发得到了北京邮电大学电子工程学院实践教学课程开发环境的支撑，感谢张民院长和刘迎华老师对研究生实验教学的长期大力支持。本书扩展的RISC-V部分的内容源于与阿里云开展的教育部产学合作计划，借助阿里云平台和平头哥资助的硬件，本实验室开展了历时3年的实验开发及实践教学活动，并将这部分工作汇入本书。同时，感谢中国水利水电出版社副总编辑杨庆川、编辑刘铭茗的大力支持。博士生王济舟、顾岩淞参与了本书的资料查找、代码调试及校对工作。本书的编写参考了大量的同类型教材及平头哥芯片开发者社区和CSDN等博客内容，在此对所有提到的单位和个人表示感谢。

本书在如此快速发展的背景下编写而成，尽管时间紧迫，我们力求内容准确和完整，同时恳请同行及广大读者批评指正。

编 者

2026年2月

第1章 嵌入式物联网开发绪论 1
1.1 物联网的基本概念 1
1.1.1 物联网的定义与特征 1
1.1.2 物联网的应用 2
1.2 物联网的体系架构 3
1.2.1 感知层 3
1.2.2 网络层 4
1.2.3 应用层 4
1.3 嵌入式系统 5
1.3.1 嵌入式系统简介 5
1.3.2 嵌入式系统的组成 6
1.3.3 物联网与嵌入式系统的关系 9
1.3.4 嵌入式系统开发软件Keil 10
1.3.5 嵌入式系统开发软件剑池CDK 11
本章小结 13
思考题 14
第2章 嵌入式处理器架构 15
2.1 嵌入式系统架构 15
2.1.1 Arm历史版本架构 15
2.1.2 RISC-V历史版本架构 17
2.2 Arm Cortex-M4核心技术 17
2.2.1 Cortex-M内部架构 17
2.2.2 Thumb-2指令集 18
2.2.3 寄存器 19
2.2.4 工作模式 21
2.2.5 异常 22
2.3 RISC-V核心技术 23
2.3.1 RISC-V内部架构 23
2.3.2 Compress指令集 25
2.3.3 寄存器 26
2.3.4 工作模式 29
2.3.5 异常 30
本章小结 36
思考题 36
第3章 嵌入式处理器芯片 37
3.1 嵌入式处理器芯片结构分析 37
3.1.1 处理器核心 37
3.1.2 片上存储器 37
3.1.3 片上外部设备 37
3.2 STM32F401架构 38
3.2.1 片内结构 38
3.2.2 功能单元描述 38
3.2.3 封装与引脚说明 41
3.3 CH2601架构 45
3.3.1 片内结构 45
3.3.2 功能单元描述 46
3.3.3 封装与引脚说明 49
本章小结 52
思考题 53
第4章 功能模块与通用I/O口设计 54
4.1 嵌入式系统功能模块介绍 54
4.2 STM32F401电源模块 54
4.2.1 电源 54
4.2.2 电源监控器 55
4.2.3 低功耗模式 57
4.2.4 电源控制寄存器 59
4.3 STM32F401复位模块 63
4.3.1 系统复位 64
4.3.2 电源复位 64
4.3.3 备份域复位 65
4.4 STM32F401时钟管理模块 65
4.4.1 HSE与HSI时钟 66
4.4.2 PLL配置 67
4.4.3 LSE与LSI时钟 68
4.4.4 系统时钟（SYSCLK）选择 68
4.5 STM32F401通用I/O接口描述 68
4.5.1 GPIO端口 68
4.5.2 输入输出多路复用器和映射 69
4.5.3 I/O端口寄存器 69
4.5.4 GPIO模式 70
4.6 CH2601电源模块 71
4.6.1 电源模块概述 71
4.6.2 电源模块原理图 71
4.6.3 相关注意事项 72
4.7 CH2601时钟模块 72
4.7.1 时钟系统概述 72
4.7.2 外部时钟介绍 73
4.7.3 内部时钟介绍 73
4.8 CH2601复位模块 74
4.8.1 复位模块概述 74
4.8.2 外部复位介绍 74
4.8.3 内部复位介绍 74
4.9 CH2601通用I/O口描述 75
4.9.1 CH2601 GPIO通用基础知识 75
4.9.2 芯片GPIO管脚说明 75
4.9.3 GPIO构件API 75
4.9.4 GPIO构件制作过程 77
4.10 应用实例：炫彩呼吸灯 77
4.10.1 开发环境与实验目的 77
4.10.2 实现方案 78
本章小结 79
思考题 80
第5章 中断机制 81
5.1 嵌入式系统中断机制 81
5.2 STM32F401中断控制 81
5.2.1 基本概念 81
5.2.2 中断优先级 82
5.2.3 中断控制位 82
5.2.4 中断过程 83
5.2.5 外部中断/事件控制器（EXTI） 83
5.2.6 外部中断/事件线映射 85
5.3 STM32F401应用实例 86
5.3.1 开发环境与实例说明 86
5.3.2 中断实例代码 86
5.3.3 测试结果及分析 88
5.4 CH2601中断源 89
5.4.1 中断源基本概念 89
5.4.2 中断源种类介绍 90
5.4.3 RISC-V非内核模块中断编程结构 91
5.5 CH2601中断应用实例 93
5.5.1 开发环境与实例说明 93
5.5.2 按键中断实例代码 93
5.5.3 实例验证结果及分析 96
本章小结 96
思考题 97
第6章 串行通信 98
6.1 嵌入式设备串行通信方式 98
6.1.1 I2C原理介绍 98
6.1.2 UART原理介绍 99
6.2 STM32F401串行通信 100
6.2.1 USART结构 101
6.2.2 USART字符描述 101
6.2.3 发送器 103
6.2.4 接收器 106
6.2.5 多处理器通信 109
6.2.6 LIN（局域互联网络）模式 109
6.2.7 USART同步模式 110
6.2.8 单线半双工通信 111
6.2.9 应用实例 111
6.3 CH2601串行通信 116
6.3.1 CH2601 UART串行通信方法 116
6.3.2 JTAG接口 118
6.4 应用实例：串口打印 120
6.4.1 开发环境与实例说明 120
6.4.2 实现方案 121
本章小结 123
思考题 124
第7章 AD转换器 125
7.1 AD转换功能描述 125
7.1.1 模拟量、数字量及模/数转换器的基本含义 125
7.1.2 与A/D转换编程直接相关的技术指标 125
7.1.3 与A/D转换编程关联度较弱的技术指标 126
7.1.4 最简单的A/D转换采样电路举例 127
7.2 AD转换器实例 128
7.2.1 STM32F401 AD转换器 128
7.2.2 CH2601 AD转换器 154
本章小结 165
思考题 166
第8章 短距离通信模块 167
8.1 短距离通信功能描述 167
8.1.1 蓝牙技术 167
8.1.2 BlueNRG 174
8.1.3 BALF-NRG-01D3 174
8.1.4 Wi-Fi技术 175
8.2 STM32F401蓝牙模块 177
8.2.1 功能描述 177
8.2.2 蓝牙模块配置 178
8.2.3 应用实例 181
8.3 CH2601 Wi-Fi/蓝牙双模模块 184
8.3.1 W800介绍 184
8.3.2 基于RVB2601的网络播放器控制实现 187
本章小结 189
思考题 190
第9章 传感器模块 191
9.1 传感器介绍和选择 191
9.1.1 温度传感器 191
9.1.2 温湿度传感器 192
9.1.3 超声波传感器 193
9.1.4 烟雾传感器 194
9.1.5 声音传感器 195
9.1.6 光敏传感器 196
9.2 基于STM32F401的应用实例 197
9.2.1 传感器模块配置 203
9.2.2 应用实例 206
9.3 基于CH2601的应用实例 208
9.3.1 光敏传感器配置示例 208
9.3.2 温湿度传感器配置实例 209
9.3.3 指纹传感器配置示例 214
本章小结 215
思考题 215
第10章 物联网和云 216
10.1 云计算的概念与作用 216
10.1.1 云计算 216
10.1.2 云计算的基本概念术语 217
10.1.3 云计算的安全 223
10.2 物联网与云的结合 224
10.2.1 物联网的端到云 225
10.2.2 物联网与云计算结合的模式分类 225
10.2.3 物联网与云计算的分阶段融合 226
10.2.4 物联网与云计算的结合优势 226
10.2.5 物联网与云的结合实例 228
10.3 使用Bluemix连接设备实例 229
10.3.1 开发环境与实例说明 231
10.3.2 测试结果及分析 236
10.4 应用实例：云端控制LED灯 237
10.4.1 开发环境与实例说明 237
10.4.2 实现方案 238
10.4.3 Wi-Fi智能灯控实例代码 241
本章小结 246
思考题 247
第11章 嵌入式物联网系统设计与实例 248
11.1 蓝牙气象站实例 248
11.1.1 开发环境与实例说明 248
11.1.2 蓝牙气象站实例代码 249
11.1.3 测试结果及分析 259
11.2 物联网智能家居系统设计 259
11.2.1 开发环境与实例说明 260
11.2.2 设计要求 262
11.2.3 参考方案 263
11.3 设计建议 273
本章小结 274
思考题 275
附录1 Keil软件使用详细教程 276
附录2 剑池CDK软件使用详细教程 287
附录3 Mbed编程实例代码 304
参考文献 321

1. 光纤通信中的物理现象及应用实例 [钟昆 董加强 著]
2. 数字化转型中高校外语教育创新 [吴丽 著]
3. 中国通信工业协会教育专委会2024年会议论文集 [主编 中国通信工业协会教育专委]
4. 系统规划与管理师真题及模考卷精析（适用机考） [主编 薛大龙]
5. 机械制图习题集 [主编 于景福]
6. 机械制图 [主编 于景福]
7. OPC：多智能体团队搭建与应用指南 [何伟　明鉴　著]
8. OPC：多智能体协同与自动化 [何伟　孟伟坡　著]
9. 统驭工程 [姜汉龙　陈百顺　著]
10. 电子技术（第三版） [主编 江亚群 姜燕]
11. 航空复合材料基础 [主编　杨琴　王磊]
12. 网络工程师案例分析专项特训（适配第6版考纲） [夏杰 编著]
13. IPTV组网技术项目实战 [范国娟 刘兴义]
14. 基于AI的C语言程序设计（微课版） [蒋亚平]
15. 北京冰雪产业发展报告（2024—2025） [邹新娴　刘泽勇　等]
16. 大学体育（职业本科版） [何飞 卢凌涛 苏娟]
17. 数据库技术与应用（SQL Server） [主编 沙有闯 朱小娟]
18. OpenClaw权威指南：从零部署7×24小时AI助理 [何伟　孟伟坡　明鉴]
19. 控制器件（第三版） [主编　鲁兴举]
20. 人工智能与信息素养 [主编 吴华光 房宜汕]
21. 智能多媒体技术 [主编 陈萍 刘灵傲]
22. 云南异龙湖无机碳埋藏的近现代模式研究 [李平 著]
23. 基于多模态的人脸图像生成算法与关键技术 [罗晓东 著]
24. 应用型地方本科高校教师专业发展研究 [吴丽 著]
25. 高维数据特征筛选策略与算法 [陈念 著]
26. 外贸英语从入门到实战：53种实战场景秒变谈判高手 [张乐 廖熠 编著]
27. Python程序设计项目化教程（基于AI） [主编 禹晨 赵金考 王宏斌]
28. 可编程控制器应用项目化教程（三菱FX系列） [主编 姜文雍 李东方]
29. 全球英文电影精选：看电影学英文 [张颖　编译]
30. Python程序设计与网络爬虫 [黄海辉 彭新东]