【IoT智能】一款基于涂鴉智能IoT云平臺的新型智能藍(lán)牙水杯

1 前言

近些年來，隨著科技的更新迭代，IoT行業(yè)迎來了一個快速膨脹發(fā)展的窗口期，我們隨之可見的是，越來越多的智能化產(chǎn)品進(jìn)入到了我們的日常生活中，包括發(fā)展比較早的智能家居類產(chǎn)品、智能家電類產(chǎn)品，還有近些年非?；馃岬?strong>智能穿戴類產(chǎn)品，這些都得到了市場很好的反饋。

在都市日常生活工作中，通常的節(jié)奏都比較快，有數(shù)據(jù)統(tǒng)計中國有近75%的人都處于 “亞健康” 狀態(tài)，每個人都或多或少會有這樣那樣的健康問題。隨著大家對健康問題的關(guān)注度提高，在智能IoT領(lǐng)域，也出現(xiàn)了越來越多有關(guān)運(yùn)動健康類的智能單品，這些單品的功能核心都是針對某個日常的健康隱患，提供一套智能化的解決方案，使得人們在享受科技便捷的同時，也提升了自己的健康狀態(tài)。

PS：本項目所需要開發(fā)資料和相關(guān)硬件物料可以戳 這里 .

2 產(chǎn)品構(gòu)思

結(jié)合當(dāng)下的市場需求，綜合分析各類健康問題的相關(guān)數(shù)據(jù)，我認(rèn)為日常 健康飲水 問題，是一個具有可觀前景的智能化單品方向。一方面涉及飲水問題，這是每個人每天都繞不開的話題，所以這是一個有群眾基礎(chǔ)的產(chǎn)品；另一方面，的確有很多人包括我自己會因為各種各樣的原因，使得沒法保證每一天的飲水?dāng)z入量，這個在一定程度上會加劇一些慢性病的爆發(fā)。

隨著大家對健康意識的蘇醒和認(rèn)知的提升，越來越多的人愿意為自己的健康問題買單。正是基于這樣的市場調(diào)研考慮，我的想法是設(shè)計一款新型智能化水杯，著重解決人們?nèi)粘５娘嬎】祮栴}。

2.1 產(chǎn)品名稱

飲水健康類的智能單品：一款基于藍(lán)牙通訊的新型智能化水杯

2.2 產(chǎn)品主要解決的問題

主要解決辦公室白領(lǐng)、年輕情侶及獨(dú)居老人的健康飲水問題：

• 作為辦公室白領(lǐng)，由于工作性質(zhì)屬于比較忙的那一種，常常會因為 忙，而忘記補(bǔ)充一定量的飲水，這樣導(dǎo)致的問題就是每天無法保證攝入足量的水分，加上辦公室環(huán)境本身就是一個 久坐 的姿態(tài)，長此以往容易引發(fā)健康問題；
• 作為獨(dú)居老人，往往年紀(jì)比較大，記性較差，時常會忘記喝水；同時可能眼睛不好使或者耳朵不好使，對普通水杯的容量和溫度不容易判斷，因此引入智能水杯的智能功能很有必要，有助于幫忙獨(dú)居老人在一定程度上解決喝水的健康問題；
• 作為情侶，時常需要使用各種秀恩愛的手段來表達(dá)愛意，智能水杯獨(dú)創(chuàng)的情侶模式，可以很好地解決這個問題。

2.3 產(chǎn)品的創(chuàng)新功能點(diǎn)

• 支持自定義定時提醒喝水的功能；
• 支持聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)計分析，智能分析一段時間內(nèi)的飲水健康問題；
• 支持屏顯水容量和水溫；
• 支持語音播報水容量和水溫；
• 支持用戶群體設(shè)定（老年人、辦公室白領(lǐng)、兒童等人群分類）；
• 首創(chuàng)關(guān)懷模式，智能水杯可以在子女和老人的賬戶下共享，當(dāng)關(guān)懷模式開始時，子女的賬戶可遠(yuǎn)程操作APP達(dá)到及時查看并提醒老人喝水的功能；
• 關(guān)懷模式的升級版本：情侶模式，主要適用于年輕的情侶直接，支持一方直接發(fā)起即時語音提醒，達(dá)到秀恩愛的目的。

3 產(chǎn)品原型

一個好的產(chǎn)品點(diǎn)子從腦海中誕生，到真正能夠以最快的速度打入市場，并能夠獲得不錯的口碑，它的原型設(shè)計就顯得非常重要；同時，這個產(chǎn)品搭在一個什么樣的平臺上，也是一個非常值得調(diào)研和考究的問題。

3.1 云平臺選型

在國內(nèi)主流的IoT云平臺有阿里云平臺、騰訊云平臺、京東云平臺、小米云平臺、華為云平臺，還有就是涂鴉云平臺。

每家云平臺各具特色，各有千秋，這其中阿里云平臺相對創(chuàng)立較早，發(fā)展也較為成熟，主要是圍繞天貓精靈為核心打造全景式智能方案。

相對于阿里云平臺，涂鴉云平臺的最大特色是采取 標(biāo)準(zhǔn)模塊化開發(fā)規(guī)則，實現(xiàn)行業(yè)標(biāo)品的標(biāo)準(zhǔn)化；這樣的好處對于產(chǎn)品開發(fā)者來說，可以大幅降低研發(fā)成本和周期，同時也大大降低開發(fā)門檻，快速實現(xiàn)產(chǎn)品智能化。

正是基于這種標(biāo)品的開發(fā)能力，我們可以看到在涂鴉的開發(fā)者云平臺上可以看到大量的行業(yè)標(biāo)品，幾乎覆蓋到了我們所能見到的智能單品，這無疑給開發(fā)者帶了極大的便利。同時，涂鴉開發(fā)者云平臺上，具有非常豐富的開發(fā)文檔，包括設(shè)備終端側(cè)的SDK、手機(jī)APP端側(cè)的SDK、云端的SDK等等都有完備的支持，這對于看重二次開發(fā)的開發(fā)者也是一個非常不錯的福音。

IoT領(lǐng)域的智能單品正在爆發(fā)式發(fā)展，隨之帶來的問題就是，產(chǎn)品功能、品質(zhì)無法建立標(biāo)準(zhǔn)化，而涂鴉智能的出現(xiàn)，正是為了很好地解決這個痛點(diǎn)，我們也希望這個方向能夠持續(xù)深化下去，讓我們能夠在涂鴉云平臺能夠看到更多的標(biāo)品，這樣我們就有更多的思路和方向去打造屬于自己的智能單品。

綜上的幾個因素，我這個智能水杯單品，我就選用了 涂鴉IoT云平臺。

3.2 智能單品的創(chuàng)建

選定了涂鴉IoT云平臺之后，我就可以在涂鴉的 IoT云平臺 可以快速地 創(chuàng)建 我需要的智能單品：

更多的介紹文檔，大家可以參考 這里，更多的智能單品案例，可以從 這里 多一份了解。

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4 產(chǎn)品開發(fā)

整個產(chǎn)品開發(fā)分為兩大部分：硬件部分和軟件部分。在硬件部分呢，由于涂鴉只提供標(biāo)準(zhǔn)化的模組（Wi-Fi模塊或藍(lán)牙模組等），它并不提供具體的MCU選型以及對應(yīng)傳感器相關(guān)的選型，這些就需要智能單品開發(fā)根據(jù)自己的實際情況，自行完成選型。

4.1 硬件設(shè)計

有了基本的IoT云平臺選型之后，下一步著重要進(jìn)行的就是硬件部分的選型。

硬件選型遵循的原則應(yīng)該是：盡可能選用成熟的硬件方案，選用的硬件型號應(yīng)略高于滿足你的功能需求，即留有冗余空間，盡可能考慮使用易開發(fā)的組件。

4.2 軟件設(shè)計

主控部分的軟件代碼，采用的是STC12C5A60S2這塊增強(qiáng)型的51單片機(jī)，它的軟件開發(fā)完全兼容傳統(tǒng)的51單片機(jī)，它的開發(fā)特定就是易上手，IO口豐富，外設(shè)也相對豐富，基本滿足我需要的功能需求。

在這個項目，我主要使用它的以下幾個部分：定時器、雙串口（一個串口日志調(diào)試、另一個串口與藍(lán)牙通訊）、ADC、標(biāo)準(zhǔn)的GPIO、E2PROM等。至于其他幾個外設(shè)傳感器，均采用的GPIO做通訊協(xié)議的模擬。

值得注意的是，由于我是一個Linux編譯環(huán)境的重度依賴者，我實在沒法忍受KEIL那蛋疼的編譯的IDE環(huán)境，所以我查找網(wǎng)上的資料，自行搭建了基于 SDCC 的編譯環(huán)境，完美實現(xiàn)Linux環(huán)境下編譯51單片機(jī)。這塊相關(guān)的教程，我回頭整理下，再發(fā)出來大家討論討論。

以下便是我的代碼的內(nèi)容的展示，感興趣可以到我的gitee找相關(guān)的開源代碼。

本產(chǎn)品的相關(guān)代碼已 開源 在gitee，感興趣的童鞋，可以 戳這里 獲得更多內(nèi)容。

4.3 功能調(diào)試

• 模擬調(diào)試

涂鴉 模組調(diào)試助手 是一個集成了云模組通訊協(xié)議的串口調(diào)試工具，常用于 MCU 低代碼開發(fā) 方案的開發(fā)調(diào)試。模組調(diào)試助手集成了包括 Wi-Fi、藍(lán)牙、Zigbee、NB-IoT 等云模組常用串口協(xié)議，既可以模擬模組驗證 MCU 代碼邏輯，也可以模擬 MCU 調(diào)試配網(wǎng)功能。

這個助手很好地解決了產(chǎn)品設(shè)計前期的快速落地驗證和原型規(guī)劃，也極大地方便了在實際開發(fā)過程中遇到數(shù)據(jù)通訊問題時的調(diào)試手段，可以比較快地定位和解決問題。

關(guān)于模組調(diào)試助手的詳盡介紹，可以 戳這里 。

• 設(shè)備調(diào)試

有了模擬調(diào)試的基礎(chǔ)之后，就可以在開發(fā)過程中，進(jìn)行真實設(shè)備的功能調(diào)試，這里采用的方式也是先從本地的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)入手，先把本地的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)通，比如水溫的探測、飲水量的檢測、杯中水量的探測等等。

• 聯(lián)網(wǎng)調(diào)試

這里主要驗證智能水杯的聯(lián)網(wǎng)功能，包括與 智能生活A(yù)PP的發(fā)現(xiàn)配對、連接，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的上下行對接，智能場景聯(lián)動等核心功能調(diào)試。

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5 產(chǎn)品功能展示

這里我將展示智能水杯單品的核心功能：設(shè)備發(fā)現(xiàn)、設(shè)備配網(wǎng)、設(shè)備解綁、設(shè)備綁定、設(shè)備連接/斷開、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的屏幕顯示、人機(jī)交互的，數(shù)據(jù)的上下行，設(shè)備與智能APP的聯(lián)動感應(yīng)等等。

產(chǎn)品核心功能的完整演示視頻，可以從這里進(jìn)行觀看，感興趣的戳 這里 。

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6 產(chǎn)品功能拓展

由于時間投入的關(guān)系，本次開發(fā)主要集中在開發(fā)核心的功能特性上，包括基本數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的下發(fā)及對云端數(shù)據(jù)的響應(yīng)等等。

回到最開始我規(guī)劃的幾個特色功能，比如 聯(lián)網(wǎng)分析飲水?dāng)?shù)據(jù)、智能語音播報、設(shè)備共享、多人提醒互動等特色功能，將會在后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)中繼續(xù)保持功能迭代，感興趣的童鞋可以保持關(guān)注。

7 結(jié)束語

看似一個簡單的智能單品，但是，從最早的產(chǎn)品孵化再到產(chǎn)品原型的設(shè)計，再到IoT云平臺、硬件模塊的選型，然后進(jìn)行軟件開發(fā)、功能調(diào)試，這一系列的內(nèi)容也是需要經(jīng)過不斷地思考和打磨，方可把這個智能化產(chǎn)品真的的落地。

期間，也遇到了不少之前完全沒有遇到的硬件問題、軟件問題，也使用了一些以前沒有調(diào)試過的傳感器，問題都是一個個去解決。期間也去請教了一些IoT的da神，一些IoT相關(guān)的問題得到了比較好的解決。

另外，這里著重需要感謝的還有 涂鴉智能云平臺，在這里我可以很快地創(chuàng)建我需要的智能單品，也可以很快地把產(chǎn)品原型進(jìn)行落地開發(fā)，它提供了一個出色的開發(fā)者平臺，有各種詳盡的開發(fā)對接文檔，還有技術(shù)工單等反饋渠道，這些都給了我開發(fā)這個智能單品有了更為強(qiáng)大的技術(shù)信心。

若對涂鴉智能云平臺快速創(chuàng)建智能產(chǎn)品想了解更多信息，歡迎從 這里 得到更多了解，智能設(shè)備從這里開始！

這段開發(fā)經(jīng)歷對我來說，最大的收獲并不是說把幾個智能化的核心功能給實現(xiàn)了，反倒是這個智能單品的開發(fā)全流程讓我學(xué)習(xí)到了不少技術(shù)以外的內(nèi)容，這些對于我深入理解IoT領(lǐng)域提供了極大的幫助，我也相信將來會有更多優(yōu)秀的智能單品從這里誕生。

最后，感謝IoT，感謝涂鴉，感謝自己；期待一同進(jìn)步，一同成長。

代碼開源

基礎(chǔ)的應(yīng)用邏輯

這里的基礎(chǔ)應(yīng)用邏輯有包括以下幾點(diǎn)：

• 設(shè)備復(fù)位和設(shè)備配網(wǎng)：當(dāng)按鍵長按3秒以上時，則觸發(fā)藍(lán)牙設(shè)備的解綁，所有本地數(shù)據(jù)都講復(fù)位到默認(rèn)值，同時藍(lán)牙設(shè)備再次發(fā)起廣播，等到手機(jī)APP的自動發(fā)現(xiàn)，以及發(fā)起后續(xù)的設(shè)備配網(wǎng)操作。
• 飲水提醒： 當(dāng)手機(jī)APP端下發(fā)的飲水提醒時間已到，則整個OLED屏幕開始1秒鐘開滅一次，直到檢測到一次新的喝水動作。
• 飲水動作的檢測：當(dāng)水杯水容量，前后的變化銳減20ml以上，則認(rèn)為是一次有效的喝水動作，此時 已喝水量 會增加對應(yīng)的喝水量，同時喝水次數(shù)會加1，且會上報一次全量數(shù)據(jù)。
• 本地數(shù)據(jù)定時上報：本地的數(shù)據(jù)，每個5秒鐘會觸發(fā)上報，同時觀察手機(jī)APP，即可看到數(shù)據(jù)的變化。
• 藍(lán)牙連接狀態(tài)顯示：藍(lán)牙有3種狀態(tài)，0狀態(tài)對應(yīng)的是設(shè)備未綁定，此時藍(lán)牙圖標(biāo)每秒鐘閃爍一次；1狀態(tài)對應(yīng)已綁定但未連接手機(jī)，此時藍(lán)牙圖標(biāo)3秒鐘閃爍一次；2狀態(tài)表示正常已綁定已連接狀態(tài)，測試藍(lán)牙圖標(biāo)常態(tài)化一直顯示。

電池電量檢測

本產(chǎn)品由鋰電池或干錳電池供電，借助MCU側(cè)自帶的ADC通道，可以很快地測出供電電壓。由于STC12C5A60S2的ADC內(nèi)部參考電壓就是供電電壓VCC，所以必須借助2路ADC通道，其中一路外接一個參考電壓，然后根據(jù)等比關(guān)系計算出供電電壓VCC。

比如外部參考電壓是V1 = 1.0V，對應(yīng)這路ADC測量的電壓值為V11；而另一路ADC測量出來的電壓值為V12。他們與VCC的等比關(guān)系是：VCC / V12 = V1 / V11

由此可計算出： VCC = V1 * V12 / V11

再結(jié)合VCC電壓和鋰電池的降壓特性，初步得出當(dāng)前的電量百分比，隨后送到屏幕展示。

基礎(chǔ)外設(shè)

按鍵觸發(fā)

為了簡單處理，本項目中采用的簡單的GPIO實現(xiàn)單點(diǎn)按鍵的功能；同時，為了實現(xiàn)單個按鍵短按和長按的對應(yīng)不同的功能，在按鍵處理代碼中，增加了按鍵狀態(tài)機(jī)的處理模型，有效地區(qū)分按鍵短按和長按狀態(tài)。

OLED顯示

OLED采用的是I2C串行數(shù)據(jù)協(xié)議，考慮到GPIO的分布，本項目采用的是GPIO軟件模擬I2C洗衣的方式，通過對不同寄存器的讀寫封裝，可以實現(xiàn)對OLED區(qū)域的顯示；同時配合字模制作軟件，可以生成中文字模以及自定義的各式各樣的圖形和符號，極大地方便了顯示的多樣性。

溫度傳感器測溫

DS18B20溫度傳感器采用的是單數(shù)據(jù)線串行協(xié)議，切換單數(shù)據(jù)線的電平切換實現(xiàn)對溫度信息的采集，經(jīng)過合理的轉(zhuǎn)換運(yùn)算后，得到一個比較精確的水杯溫度值，用于展示在顯示屏上。

壓力傳感器測水容量

壓力傳感器用于檢測水的容量，這是一個間接的測量方法，先通過壓力（重力）傳感器測得不同水容量下的重量，得出不能容量下的重量分布表；在真正的測量中，將取得的重量數(shù)據(jù)對照水容量表格，大致可以得出對應(yīng)的水容量，從而做水量的數(shù)據(jù)展示。

RTC本地時鐘

RTC時鐘，采用的是自定義的串行數(shù)據(jù)協(xié)議，通過RST、IO、SCK三線的變化，可以準(zhǔn)確地實現(xiàn)對RTC時鐘的讀和寫；同時該模塊是采用紐扣電池長供電的，所以可以長時間保持時鐘的有效性。

涂鴉的MCU側(cè)SDK移植

在涂鴉的IoT云平臺上創(chuàng)建了對應(yīng)的智能單品后，云平臺會自動創(chuàng)建對應(yīng)的MCU側(cè)參考SDK，這個SDK中將對應(yīng)產(chǎn)品的功能屬性、物模型數(shù)據(jù)都固話在里面了，并且SDK內(nèi)部已經(jīng)很好地實現(xiàn)了MCU和藍(lán)牙模組的對接，當(dāng)收到藍(lán)牙模組的數(shù)據(jù)傳遞時，自動進(jìn)行處理。

在適配的過程中，只需要根據(jù)SDK包中的參考文檔，將MCU側(cè)幾個核心的跟串口收發(fā)的接口適配好后，整一個與藍(lán)牙模組的通訊功能就可以跑起來了。

這時，通過SDK包中的mcu_api.h的接口就可以實現(xiàn)對藍(lán)牙模組的各種操作了。

更為詳盡的移植步驟，可以參考這里。

藍(lán)牙通訊

藍(lán)牙通訊這部分的軟件代碼其實分為兩部分：藍(lán)牙模組的固件代碼和MCU側(cè)對接藍(lán)牙模組的軟件代碼。由于我這是在涂鴉云平臺上直接創(chuàng)建產(chǎn)品，模組直接選用的是涂鴉提供的標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙模組，所以藍(lán)牙模組這部分的固件代碼，我是不用開發(fā)的，而需要開發(fā)的僅僅是通過簡單的串口協(xié)議跟藍(lán)牙模塊就能夠?qū)悠饋?。類似下邊這張圖的左半部分所展示的這樣：

關(guān)于這種開發(fā)方式，涂鴉叫 “MCU低代碼開發(fā)”，詳盡的介紹可以參考 這里。

PS：本項目所需要開發(fā)資料和相關(guān)硬件物料可以戳 這里 .

MCU主控

代碼整體框架

壓力傳感器模塊

重力/壓力傳感器主要是用于測量水杯的整體重量，通過密度、體積、質(zhì)量三者的數(shù)量關(guān)系，從而得出水容量的一種方法。

這里我選用的是 HX711：它是一款專為高精度電子秤而設(shè)計的24位A/D轉(zhuǎn)換器芯片與同類型其它芯片相比，該芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時鐘振蕩器等其它同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。降低了電子秤的整機(jī)成本，提高了整機(jī)的性能和可靠性。該芯片與后端MCU 芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號由管腳驅(qū)動，無需對芯片內(nèi)部的寄存器編程。

RTC時鐘模塊

RTC時鐘作為一個本地計時的模塊而存在，我選用的是非常經(jīng)典的RTC模塊：DS1302。

DS1302 是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周、時、分、秒進(jìn)行計時，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.0V～5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。

溫度傳感器模塊

溫度傳感器主要的用途是測量水杯的溫度，以便于展示真實的水溫度。這里我選用的是 DS18B20數(shù)字溫度傳感器。

DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號，具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。 [1] DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，封裝成后可應(yīng)用于多種場合，如管道式，螺紋式，磁鐵吸附式，不銹鋼封裝式，型號多種多樣，有LTM8877，LTM8874等等。

主要根據(jù)應(yīng)用場合的不同而改變其外觀。封裝后的DS18B20可用于電纜溝測溫，高爐水循環(huán)測溫，鍋爐測溫，機(jī)房測溫，農(nóng)業(yè)大棚測溫，潔凈室測溫，彈藥庫測溫等各種非極限溫度場合。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。

按鍵模塊

按鍵這部分相對比較簡單，我直接采用的是點(diǎn)觸式非自鎖開關(guān)；主要是配合應(yīng)用做一些簡單的功能切換；比如短按的時候切換屏幕開和關(guān)，長按的時候復(fù)位藍(lán)牙模組，進(jìn)入配網(wǎng)流程等。

OLED顯示模塊

這里為了在產(chǎn)品中顯示相關(guān)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括當(dāng)前水杯溫度、藍(lán)牙連接狀態(tài)、定時喝水提醒倒計時、電池電量、本地計時、杯中水量、已喝水量、目標(biāo)水量等等。

考慮成本和接口設(shè)計等因素，我采用的是由 SSD1306 芯片驅(qū)動的9.6寸的OLED。

OLED 由于同時具備自發(fā)光，不需背光源、對比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板、使用溫度范圍廣、構(gòu)造及

制程較簡單等優(yōu)異之特性，被認(rèn)為是下一代的平面顯示器新興應(yīng)用技術(shù)。同比之下LCD 都需要背光，而 OLED 不需要，因為它是自發(fā)光的，這樣的話同樣的顯示， OLED 效果要來得好一些。

藍(lán)牙通訊模塊

這里選用的涂鴉的 BT3L 的的藍(lán)牙模組，它極具性價比，在基于藍(lán)牙的智能單品上應(yīng)用非常廣泛，它的基本資料如下：

主控模塊

主控模塊我選用的是開發(fā)者最容易上手的增強(qiáng)型 STC12C5A60S2 ，它是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。對比傳統(tǒng)的51單片機(jī)，它有非常顯著的技術(shù)優(yōu)勢：