面向Wi-Fi客戶(hù)機的低端微控制器

Wi-Fi這種可以讓各類(lèi)裝置與互聯(lián)網(wǎng)、WLAN相連的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接技術(shù)，在過(guò)去幾年中作為一種互聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)已經(jīng)變得越來(lái)越重要。Wi-Fi現在可以讓移動(dòng)工作者和旅行者在任何能找到接入點(diǎn)的地方都能夠連接到這一全球性的網(wǎng)絡(luò )上。

Wi-Fi網(wǎng)絡(luò )利用了由IEEE802.11a、b、g所定義的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，以提供快速、可靠的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接。它是一種小型化、緊湊的移動(dòng)客戶(hù)機裝置，也是一種工業(yè)、辦公室和家庭無(wú)線(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)，這種技術(shù)可以廣泛使用具有Wi－Fi能力的8位微控制器來(lái)作為一種節約成本和降低功耗的替代方案。

 WLAN可以按端到端(專(zhuān)設模式)或者客戶(hù)機/服務(wù)器(基礎架構或者BSS模式)的配置形式建立。本文將討論客戶(hù)機/服務(wù)器型的WLAN實(shí)現。

客戶(hù)機/服務(wù)器基礎架構

客戶(hù)機/服務(wù)器 WLAN架構由兩端組成：一個(gè)接入點(diǎn)和一個(gè)客戶(hù)站(client station)(見(jiàn)圖1)。接下來(lái)的討論將對每一端及相應的技術(shù)作出定義。

圖1  客戶(hù)機/服務(wù)器 WLAN架構 

接入點(diǎn)(AP)—無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)(AP)可以擔當無(wú)線(xiàn)客戶(hù)機和WLAN或者互聯(lián)網(wǎng)之間的橋梁的角色。AP需要功能強大的硬件，以便完成處理和分發(fā)。AP必須完成一個(gè)無(wú)線(xiàn)接口到另一個(gè)無(wú)線(xiàn)接口的橋接，或在一個(gè)包含多個(gè)站、AP和集成的LAN的ESS中橋接到一個(gè)有線(xiàn)的接口。它還必須與附近其他的AP進(jìn)行通信，對信道交換進(jìn)行管理，以避免AP間的干擾。 

AP所需要的能力只有一個(gè)32位的高速處理器才能提供。但是，低端的、8位的微處理器在Wi-Fi模式的客戶(hù)站部分也可以發(fā)揮重要的作用。

客戶(hù)站—客戶(hù)站裝置的類(lèi)型從小的手持式一直到膝上機、PC和帶有Wi－Fi能力的車(chē)輛?？蛻?hù)站是WLAN數據網(wǎng)絡(luò )的末端，因此也無(wú)需橋接。類(lèi)似的，它也無(wú)需為信道交換或者其他通信管理功能而操心。

因為Wi－Fi網(wǎng)絡(luò )的客戶(hù)站部分具有內在的簡(jiǎn)單性，因此它是8位技術(shù)的一種理想應用對象?；诔墒旌土畠r(jià)的8位處理器，如Z80，是一種巧妙的解決方案。此類(lèi)的處理器建立在經(jīng)過(guò)增強的Z80內核之上，可以高達50MHz的速度運行。這些處理器可以讓小的客戶(hù)站應用具備嵌入式的、訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)的能力，同時(shí)維持性能和吞吐量方面的目標，在這些小的客戶(hù)站應用中，低功耗、成本經(jīng)濟性和設計的簡(jiǎn)單與緊湊性，都是關(guān)鍵要素。緊湊的客戶(hù)站可以在車(chē)載導航系統、便攜式娛樂(lè )裝置、工業(yè)、辦公和家庭自動(dòng)化控制器以及消費類(lèi)產(chǎn)品等應用中找到自己的歸宿?；?位處理器的設計能滿(mǎn)足通信處理的需求的話(huà)，則此類(lèi)應用是理想的目標。

如今的8位微處理器和處理機具有價(jià)格低廉的優(yōu)勢，但它們的功能也足以完成復雜的任務(wù)。這些裝置目前被用于、而且一段時(shí)間以來(lái)一直就被用于數據的網(wǎng)絡(luò )傳輸和通信應用，它們服務(wù)于那些需要具備無(wú)線(xiàn)連接能力的應用也有一段時(shí)間了。

無(wú)線(xiàn)自動(dòng)化

考慮一個(gè)完全自動(dòng)化的建筑，在這幢建筑中，空調、煙霧報警器、安全警報和其他高級系統的部署都依賴(lài)微控制器來(lái)完成。在一個(gè)典型的應用中，管理員或者工程師可以在一個(gè)Wi-Fi無(wú)線(xiàn)所覆蓋的區域或者熱點(diǎn)上利用具備Wi-Fi能力的膝上機來(lái)對各種設置進(jìn)行控制與監測。有待控制和監管的裝置都通過(guò)掛在一個(gè)I2C的總線(xiàn)上的或者連接到GPIO上的不同的接口來(lái)連接到微控制器上。

這樣的一個(gè)系統可以是單線(xiàn)程或者多線(xiàn)程的應用，具體則取決于項目要求和系統的復雜性。有些最起碼的硬件要求包括：

一個(gè)帶8位微控制器的定制的板卡，必須具有串行和GPIO接口以及定時(shí)器(要求最少有64~128k的片上閃存，正如EZ80Acclaim系列控制器那樣，以便燒入圖像)

一個(gè)板上的Wi-Fi芯片組或者一個(gè)與WLAN板卡對接的PCMCIA接口。

其他功能特色，如I2C/SPI總線(xiàn)支持，則取決于具體的要求。

軟件方面的要求包括：
 
一個(gè)瘦型TCP/IP軟件套裝；
 
一個(gè)無(wú)線(xiàn)接口驅動(dòng)；

控制具體裝置的驅動(dòng)；

一個(gè)在套裝之上運行的應用，對于某些應用來(lái)說(shuō)，最好是一個(gè)HTTP服務(wù)器；
 
基于實(shí)時(shí)操作系統的技術(shù)，以便支持多任務(wù)操作。

圖2示出了帶有微控制器的空調機的各種部件。該空調機的溫度傳感器和控制器通過(guò)GPIO與微控制器相接口。其驅動(dòng)可以通過(guò)這些GPIO端口讀取數字溫度傳感器的信息或者將信息寫(xiě)入傳感器，用戶(hù)可以通過(guò)一個(gè)HTTP服務(wù)器調用該驅動(dòng)，完成溫度信息的獲取和設定。

圖2  帶微控制器的空調機結構 

一般情況下，建筑物的經(jīng)理或者工程師如果希望監測建筑物的溫度或者改變建筑物的任何一部分的溫度的話(huà)，就會(huì )打開(kāi)他們的膝上計算機，啟動(dòng)一個(gè)HTTP瀏覽器程序，然后連接到一個(gè)特定的控制服務(wù)器上，以便獲取和設定信息。這個(gè)HTTP瀏覽器程序可以是一種定制化的客戶(hù)機，具體則取決于設計、復雜性和其他要求。

一個(gè)請求通過(guò)AP發(fā)到服務(wù)器。而服務(wù)器檢測出需要查詢(xún)當前溫度的請求后，會(huì )調用相應的程序來(lái)從裝置讀取溫度，準備好一個(gè)Web頁(yè)，將溫度信息放在網(wǎng)頁(yè)上，并將其通過(guò)Wi-Fi接口送回客戶(hù)機。

位于控制器之上的HTTP服務(wù)器必須能夠提供靜態(tài)和動(dòng)態(tài)生成的Web網(wǎng)頁(yè)(以便顯示出受控的器件的最新的狀態(tài))。靜態(tài)的網(wǎng)頁(yè)保存在ROM或者閃存中，同時(shí)常結構(Constant-Strucfured)的緩沖器保存著(zhù)文件名、大小和對應的緩沖區。無(wú)需通過(guò)文件系統來(lái)管理這些文件。

如果配置并不能在Web頁(yè)中使用很大的jpg和gif文件，而且如果使用瘦的協(xié)議軟件套裝的話(huà)，整個(gè)圖像的空間占用可以被限制為小于64kb。微控制器的片上的閃存或者ROM可以燒入大到128kb的文件。

類(lèi)似的概念也可以應用到家庭自動(dòng)化方面：從住宅內或者任何Wi-Fi熱點(diǎn)以無(wú)線(xiàn)的方式控制具備Wi-Fi能力的冰箱、微波爐、洗衣機、電子門(mén)鎖系統或者任意數量的Wi-Fi使能的裝置。

具有Wi-Fi能力的車(chē)輛

圖2所示的結構設計只需經(jīng)過(guò)一兩下改動(dòng)就可以在多個(gè)位置上應用，具體則取決于待控制的裝置以及應用場(chǎng)合。例如，一個(gè)用于車(chē)輛導航的類(lèi)似系統將需要一些I/O裝置，如觸摸屏圖形LCD顯示器和一個(gè)讀寫(xiě)的驅動(dòng)。這有助于建立協(xié)議應用的客戶(hù)機部分，例如一個(gè)定制化的瀏覽器和遠程登錄客戶(hù)機。

借助車(chē)上系統實(shí)現的車(chē)輛相互之間的通信能力，對8位微控制器來(lái)說(shuō)是一個(gè)絕好的客戶(hù)站應用分區。具有Wi-Fi能力的微控制器可以用于保安和遠程報警。如果汽車(chē)的煙霧探測器和保安系統連接到微控制器，則當發(fā)生任何問(wèn)題時(shí)，具有Wi-Fi能力的轎車(chē)可以發(fā)送一個(gè)email消息來(lái)吸引車(chē)主的及時(shí)注意。

配備有如此簡(jiǎn)單的系統的車(chē)輛也可以互相感知到對方，能夠激活接近報警系統來(lái)提醒駕駛員，從而改善道路行駛的安全性。

相同的車(chē)上系統也可以被用來(lái)獲取稠密的城區和郊區通勤走廊上最新的交通信息，幫助駕駛員選擇備用路線(xiàn)，并減輕交通擁堵(智能交通系統)。

消費市場(chǎng)上的Wi-Fi

使用Wi－Fi家用網(wǎng)關(guān)實(shí)現的無(wú)線(xiàn)家庭自動(dòng)化是8位控制器的另一種理想的應用。例如，微波爐、冰箱和洗衣機可以從住宅內部以及熱點(diǎn)處進(jìn)行無(wú)線(xiàn)控制。

隨著(zhù)商人們尋找吸引客戶(hù)的新方法，具有Wi-Fi能力的個(gè)人電子產(chǎn)品的消費類(lèi)市場(chǎng)上的應用正在擴展。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)Wi-Fi使能的個(gè)人電子裝置可以用在消費類(lèi)電子商店內，替換那些用在客戶(hù)希望購買(mǎi)的物品上的代貨標簽(pull ticket)。只需使用一個(gè)簡(jiǎn)單的裝置，顧客就可以訂購所需要的一個(gè)物品，通過(guò)一個(gè)無(wú)線(xiàn)支付系統為其付款，然后繼續購物，同時(shí)所購買(mǎi)的物品實(shí)時(shí)從庫存中被提取出來(lái)。無(wú)線(xiàn)電子支付系統為8位客戶(hù)站提供了機會(huì )。恰當的Wi－Fi和電子數據交換技術(shù)就位之后，移動(dòng)的Wi－Fi客戶(hù)站就可以起到無(wú)線(xiàn)借記卡或者信用卡的作用，用于電子通行費征收、免下車(chē)(drive-through)窗口支付，以及加油站的交易管理，這里列舉的還僅僅是其中的一些罷了。

富有創(chuàng )造力的設計工程師們的頭腦里也已經(jīng)開(kāi)始浮現消費類(lèi)娛樂(lè )市場(chǎng)上的種種可能性。例如，不妨想象一下，為便攜式MP3播放器配備用廉價(jià)的8位處理器構成的Wi-Fi收發(fā)機。添加這種能力來(lái)處理無(wú)現金交易的話(huà)，則消費者可以走入任何零售音樂(lè )市場(chǎng)中，選中音樂(lè )，將其下載并以一次簡(jiǎn)單方便的過(guò)程來(lái)付款。如此的無(wú)縫交易格外具有吸引力，因為利用8位元件提供如此的連接能力所需的開(kāi)銷(xiāo)很低。

對旅行者來(lái)說(shuō)，低成本的、8位的處理器可以被用來(lái)生成一個(gè)小的Wi-Fi使能的數字日記本，它可以從一個(gè)具有Wi-Fi能力的售貨機上下載道路地圖和交通信息等信息。此類(lèi)裝置甚至可以旅行組織所采用，如美國的AAA，使得它們?yōu)樽约旱某蓡T提供增值服務(wù)。

結語(yǔ)

Wi-Fi正在迅速成長(cháng)為一項成熟技術(shù)。隨著(zhù)它達到成熟階段，而且隨著(zhù)標準和系統的穩定，Wi-Fi客戶(hù)站對于用經(jīng)過(guò)驗證而且低價(jià)的8位處理器來(lái)建構的緊湊裝置的吸引力正越來(lái)越強。8位處理器的成本經(jīng)濟性和低功耗特性為中、小規模的制造商創(chuàng )造了更易進(jìn)入的市場(chǎng)切入點(diǎn)，這最終將為Wi-Fi消費者帶來(lái)更大的多樣性和更豐富的選項。