無(wú)線(xiàn)互聯(lián) 嵌入式系統設計的新挑戰
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嵌入式系統已經(jīng)廣泛滲入到我們日常生活和工業(yè)控制領(lǐng)域，商業(yè)應用領(lǐng)域的的方方面面。在日常生活中，數碼相機、手機、mp3、pda、電視機，甚至電飯鍋、手表，玩具等里都有嵌入式系統的身影；在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，各種工業(yè)自動(dòng)化儀器儀表、航空航天，通訊、交通等領(lǐng)域也有越來(lái)越多的嵌入式系統。 一些新興的領(lǐng)域，如汽車(chē)電子、醫療設備領(lǐng)域中也不斷涌現新的嵌入式應用，如汽車(chē)導航、核磁共振儀、病人監護系統，車(chē)載娛樂(lè )平臺、，健康照顧系統，無(wú)線(xiàn)傳感器系統等。
據估計，每年全球嵌入式系統帶來(lái)的相關(guān)工業(yè)產(chǎn)值已超過(guò)數萬(wàn)億美元。而且，嵌入式系統應用的市場(chǎng)正在以每年30%以上的的速度遞增(根據idc預測)，雖然目前面臨金融風(fēng)暴的沖擊，但是，新一輪汽車(chē)、信息電器、通訊、醫療、軍事等行業(yè)的巨大的智能化和信息化裝備需求將推動(dòng)嵌入式應用市場(chǎng)以更快發(fā)展；嵌入式工業(yè)設備則將集成進(jìn)更多的通信與聯(lián)網(wǎng)等智能化功能，并將在汽車(chē)電子市場(chǎng)、機床電子市場(chǎng)、醫療電子市場(chǎng)、室內/外視頻監控市場(chǎng)和電子標簽（rfid）市場(chǎng)、倉儲物流信息化市場(chǎng)，節能環(huán)保市場(chǎng)等方面得到更廣泛的應用。
在嵌入式系統應用市場(chǎng)高速成長(cháng)的中，嵌入式應用系統對無(wú)線(xiàn)互聯(lián)技術(shù)有了越來(lái)越多的需求，各種無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)也在以越來(lái)越快的速度，融入嵌入式系統設計中。
舉例而言，在消費電子產(chǎn)品中，數碼相機，數碼相框，mp3,pda，打印機，高清晰電視等等嵌入式產(chǎn)品，已經(jīng)開(kāi)始廣泛采用各種無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，實(shí)現無(wú)線(xiàn)互聯(lián)；在工業(yè)控制中，大量的嵌入式控制設備，也開(kāi)始實(shí)現無(wú)線(xiàn)互聯(lián)，實(shí)現m2m通訊；在新一代汽車(chē)電子娛樂(lè )系統的嵌入式應用中，也采用無(wú)線(xiàn)技術(shù)來(lái)實(shí)現各種音頻視頻數據流的無(wú)線(xiàn)高速傳輸。
雖然，大量新一代的無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通訊標準，為嵌入式設備實(shí)現無(wú)線(xiàn)互聯(lián)，提供了方便的途徑，但是，如何選擇合適的無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)，如何在嵌入式系統設計中，高效率的掌握和使用這些新的技術(shù)和設計方法，也就成了嵌入式系統設計人員所關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)。
二、如何將無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)融入嵌入式系統設計？
圖一是目前在嵌入式應用系統設計中，主流的的幾種無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)：wi-fi ，藍牙，zigbee， gprs、gsm, 3g 等，通訊速率，通訊距離和功耗之間的關(guān)系。
從圖一我們可以看出，rfid技術(shù)（iso15693,iso14443, iso-18000 等標準），適合極近距離通訊，具有非常低的功耗；zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)（ieee802.15.4）適合數0.25mbit/s的通訊速度，也具有很低的功耗；藍牙(bluetooth)技術(shù)（ieee802.15.1）,目前2.1版本的規范，可以達到2mbit/s的通訊速率。屬于低功耗通訊，wi－fi技術(shù)，從ieee802.11b (11mbit/s)到ieee802.11g（54mbit/s）到目前ieee802.11n,可以實(shí)現大于100m bit/s通訊速率；gsm和gprs數據通訊速率不高，但是網(wǎng)絡(luò )廣泛，通訊距離遠，隨著(zhù)3g網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展，也有發(fā)非常廣闊的應用空間。
2.1根據系統應用特點(diǎn)，考慮好功耗要求
舉例而言，對于消費電子產(chǎn)品，如果采用普通堿性電池供電或者紐扣電池供電，需要非常低的功耗，選擇zigbee和其它非標準通訊技術(shù)，可能比較合適，如遙控器等，如果需要進(jìn)行語(yǔ)音應用，而且采用可充電電池，藍牙技術(shù)也可能是很好選擇，數碼相框等，wi－fi技術(shù)，可能是很好的選擇。
2.2根據系統工作環(huán)境和網(wǎng)絡(luò )覆蓋，選擇相關(guān)技術(shù)
目前gprs和gms已經(jīng)有非常廣泛的網(wǎng)絡(luò )覆蓋，對于很多m2m的應用，如無(wú)線(xiàn)抄表，遠程遙控，采用gprs是不錯的選擇，許多城市目前在廣泛安裝wi-fi和3g網(wǎng)絡(luò )，采用低成本的無(wú)線(xiàn)模塊，可以加快嵌入式應用無(wú)線(xiàn)系統的開(kāi)發(fā)。
2.3系統成本和開(kāi)發(fā)時(shí)間的考慮
對于嵌入式系統而言，可靠性和系統成本是非常重要的考慮，而如何快 速完成系統軟件硬件開(kāi)發(fā)設計，也是非常重要的；無(wú)線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，涉及到高頻設計（工作頻率在400m-5ghz）,而且具有比較復雜的網(wǎng)絡(luò )通訊協(xié)議和一系列網(wǎng)絡(luò )通訊算法，如何能克服這些設計障礙?？焖偾腥牒诵脑O計，也是非常重要的問(wèn)題。
目前在嵌入系統設計中，增加無(wú)線(xiàn)互聯(lián)技術(shù)，比較常用的辦法有兩種，一是在使用比較高級的的操作系統，例如win ce或者嵌入式linux下，添加無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )模塊，這個(gè)方法的好處是在于這些操作系統已經(jīng)包括了比較豐富的底層驅動(dòng)，使無(wú)線(xiàn)系統設計比較簡(jiǎn)單；但是，運行這些系統，需要比較高級的微處理器和大量?jì)却?，?shí)現微功耗和低成本比較困難，也很難做成非常低成本的系統。
另外一種辦法是采用高性能低價(jià)格的無(wú)線(xiàn)模塊，配合低成本的廉價(jià)8－32位微控制器（單片機），這樣的系統，只需要ucos-ii這樣的小型化實(shí)時(shí)操作系統，也甚至可以不需要操作系統，這樣的嵌入系統設計靈活，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，不需要大量存儲器和系統資源，無(wú)需深入了解無(wú)線(xiàn)技術(shù)，可以快速，容易設計出微功耗，低成本的嵌入式系統。
三、將無(wú)線(xiàn)技術(shù)融入嵌入式設計的“橋”和“船”
當我們具體的要將使用無(wú)線(xiàn)互聯(lián)技術(shù)使用到我們的嵌入式應用系統設計時(shí)，我們往往感到面臨太多的具體技術(shù)困難，難于下手：
首先是對各種無(wú)線(xiàn)技術(shù)和相關(guān)的無(wú)線(xiàn)標準，缺乏了解，雖然有各種集成了無(wú)線(xiàn)技術(shù)無(wú)線(xiàn)模塊，但是如何使用？如何測試？如何應用軟件編程來(lái)進(jìn)行控制？
其次，對于系統設計而言，需要將這些無(wú)線(xiàn)控制，數據通訊，和自己的微控制器軟件和硬件進(jìn)行整合，在自己的嵌入式應用系統中加入必要的代碼等，這些工作，如何開(kāi)始？如何快速完成？
還有就是，如果這些模塊內置的的控制命令和無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議棧，不適合自己的嵌入系統的要求，需要對模塊內部的無(wú)線(xiàn)通訊協(xié)議（也稱(chēng)基帶軟件）進(jìn)行修改時(shí)，嵌入式設計工程師們如何能夠自己進(jìn)行？
對于上述這些問(wèn)題，其實(shí)解決的辦法就是需要相應的硬件開(kāi)發(fā)平臺和軟件開(kāi)發(fā)平臺（sdk）, 也需要相應的看得見(jiàn)，摸得著(zhù)的參考設計，軟件源代碼和編譯，在線(xiàn)調試工具；
由于無(wú)線(xiàn)通訊核心軟件，包括軟件協(xié)議棧等，長(cháng)期以來(lái)被視為無(wú)線(xiàn)通訊的核心技術(shù)，相關(guān)設計原理和軟件源代碼等很難獲得，而且由于技術(shù)較新，長(cháng)期以來(lái)，也很少有廠(chǎng)商愿意開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)為嵌入式設計配套的無(wú)線(xiàn)開(kāi)發(fā)工具和產(chǎn)品。
但是，有需求就必然會(huì )有產(chǎn)品，最近，我們看到了一些這方面的新產(chǎn)品上市，下面，我們通過(guò)一些已經(jīng)上市的典型的產(chǎn)品，來(lái)看看這類(lèi)開(kāi)發(fā)平臺的主要技術(shù)特點(diǎn)：
雖然該平臺是為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )設計，但是我們認為已經(jīng)具備了無(wú)線(xiàn)互聯(lián)嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)平臺的很多特徵，比較適合于在嵌入式產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設計中作為開(kāi)發(fā)平臺來(lái)使用。
從圖二我們看到，armrf-wsn-e1.0平臺臺本身就是一個(gè)典型的具有無(wú)線(xiàn)互聯(lián)功能的嵌入式應用系統，目前四個(gè)標準配置的無(wú)線(xiàn)模塊，包括zigbee （cc2430/cc2431/cc2480可選擇）802.15.4 兼容模塊/ 微功耗wi-fi（gs1010 ）802.11/b/g兼容模塊/ 藍牙 （藍牙soc） 802.15.1 兼容模塊/gsm/gprs (高集成低功耗) 模塊（由于模塊使用20腳插座，所以非常容易更換其它無(wú)線(xiàn)模塊）。
該平臺采用st公司新的str912 arm9內核的低價(jià)格單片微控制器和彩色觸摸屏，并配備了溫度，壓力，加速度等多種傳感器和步進(jìn)，直流電機都多種控制單元、以太網(wǎng)，高速串口等多種接口。
采用這套平臺，嵌入式設計工程師可以方便快速的熟悉評估各種無(wú)線(xiàn)通訊標準和技術(shù)，并將這個(gè)平臺作為一個(gè)標準硬件參考設計使用。
同時(shí)，可以參考全部軟件代碼設計，該平臺全部軟件c語(yǔ)言源代碼均開(kāi)放供用戶(hù)使用；
另外，該平臺使用目前國內嵌入式設計流行的keil mdk 軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和調試環(huán)境，參考代碼使用ucos-ii 和uc gui編程，配備在線(xiàn)仿真器，方便嵌入式工程師進(jìn)行無(wú)線(xiàn)互聯(lián)軟件代碼開(kāi)發(fā)和將這些代碼集成移植到自己的嵌入式應用系統中。
同時(shí)，深圳無(wú)線(xiàn)龍科技公司還為該平臺配備了zigbee、wi-fi模塊軟件開(kāi)發(fā)擴展系統，提供全部核心源代碼，方便用戶(hù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)模塊內部核心無(wú)線(xiàn)協(xié)議棧軟件進(jìn)一步開(kāi)發(fā)設計；
綜上所述， armrf-wsn-e1.0平臺，已經(jīng)明顯具備了嵌入式系統進(jìn)行無(wú)線(xiàn)互聯(lián)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)需要的基本設計平臺的特徵；相信類(lèi)似的開(kāi)發(fā)平臺會(huì )不斷涌現，讓嵌入式設計使用無(wú)線(xiàn)互聯(lián)技術(shù)更加方便容易。
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