基于4G的嵌入式數據通信系統研究

　　4G-Ready 作為未來(lái)4G 移動(dòng)通信關(guān)鍵預備技術(shù)的一個(gè)領(lǐng)域，在構建無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )和無(wú)線(xiàn)數據通信系統中具有重要應用前景。其中，將4G-Ready 與Wi-Fi 技術(shù)、Blutooth 藍牙技術(shù)、GPS 全球定位系統以及基于A(yíng)RM 核的嵌入式技術(shù)進(jìn)行集成，以L(fǎng)inux-C、Java 編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)應用軟件系統，能夠構成一個(gè)具有多種功能、技術(shù)性能優(yōu)越和先進(jìn)實(shí)用的嵌入式Wi-Fi 無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )終端系統，以滿(mǎn)足構建城市智能交通管理、市政環(huán)境保護監控和風(fēng)景區信息管理等領(lǐng)域的無(wú)線(xiàn)數據通信應用需求。

　　1 主要技術(shù)分析

　　下面對基于4G-Ready 與Wi-Fi 架構的嵌入式系統中應用的主要技術(shù)予以分析。

　　1.1 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)

　　1.1.1 4G-Ready 簡(jiǎn)介

　　4G-Ready 是針對目前正在發(fā)展中的4G 通信技術(shù)的描述，目前國際上認為4G 提供的數據傳輸速率一般為10~20Mb/s，最大數據傳輸速率超過(guò)100 Mbit/s，每個(gè)4G 信道會(huì )占有100 MHz 的頻譜，具有寬網(wǎng)絡(luò )頻譜性能。

　　4G 應具有多樣化通信功能，包括訪(fǎng)問(wèn)Internet、語(yǔ)音與數據通信、流媒體傳輸、集成不同模式的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )、蜂窩信號、廣播電視到衛星通信，實(shí)現移動(dòng)用戶(hù)可以在多種標準間的自由漫游服務(wù)等。

　　1.1.2 Wi-Fi 技術(shù)與聯(lián)網(wǎng)

　　Wi-Fi 的技術(shù)標準是美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì )（ IEEE， Institute of Electrical and ElectronicsEngineers）發(fā)布的IEEE 802.11，包括IEEE 802.11a、IEEE 802.11b 和IEEE 802.11g，其中常用的是IEEE 802.11g.

　　Wi-Fi 是一種短程無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，能夠在數百米范圍內支持互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)接入方式。

　　1.1.3 藍牙技術(shù)簡(jiǎn)介

　　藍牙（Bluetooth）是一種短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，工作頻段為2.4 GHz，屬于工業(yè)、科學(xué)和醫學(xué)頻段（ ISM ，Industrial Scientific Medical），其數據傳輸速率為1Mb/s，采用時(shí)分雙工傳輸方案，使用IEEE802.15 協(xié)議。本文所述的嵌入式系統配置了Bluetooth 2.0 藍牙接口，采集實(shí)時(shí)圖形、圖像和位置信息。

　　1.1.4 GPS 無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)

　　GPS 由空間部分、地面控制系統和用戶(hù)設備構成，其中空間部分由均勻分布在地球上空的24 顆衛星組成。地面控制系統由監測站、主控制站和地面天線(xiàn)組成。用戶(hù)設備一般指GPS 信號接收機。這里設計與分析的嵌入式系統采用分離結構GPS 接收機。

　　1.2 嵌入式（Embedded Technology）技術(shù)

　　嵌入式系統由32 位字長(cháng)的微處理器、ROM 存儲器、RAM存儲器和信息I/O 接口等模塊和部件組成，嵌入式Linux 操作系統存放在ROM 中。

　　1.2.1 ARM 技術(shù)

　　ARM 核嵌入式微處理器是嵌入式系統的核心，由英國ARM 公司設計（IP，Intellectual Property core）內核，由各半導體公司設計為芯片產(chǎn)品，再由OEM 廠(chǎng)商形成嵌入式系統產(chǎn)品。在當前項目中采用的EP9302 系統是一個(gè)以ARM9內核處理器為核心技術(shù)的嵌入式系統。

　　1.2.2 嵌入式Linux 操作系統

　　Linux 是一個(gè)自由免費、開(kāi)放源代碼的操作系統軟件，其軟件功能齊全，具有完備的網(wǎng)絡(luò )功能，繼承了UNIX 的多用戶(hù)、多任務(wù)、支持多線(xiàn)程和多CPU 的技術(shù)。

　　當前嵌入式系統中使用的版本是嵌入式Linux 2.6.21，支持內核態(tài)搶占式調度，調度周期為1 ms.

　　2 構建技術(shù)開(kāi)發(fā)平臺

　　圖1 所示為基于局域網(wǎng)的嵌入式Linux 開(kāi)發(fā)平臺示意。

　　圖1 基于局域網(wǎng)的嵌入式Linux 開(kāi)發(fā)平臺

　　圖1 中的Linux 服務(wù)器作為嵌入式Linux 內核編譯和應用程序編譯的公共平臺，工作站（PC，Personal Computer）為局域網(wǎng)內一臺或多臺終端計算機，實(shí)現在Windows 和Linux 之間的文件傳輸。

　　嵌入式目標系統通過(guò)串行接口與工作站連接，應用Windows 提供的“超級終端”功能；也可以通過(guò)以太網(wǎng)RJ45接口連接到局域網(wǎng)中，實(shí)現與網(wǎng)絡(luò )的FTP/NFS 服務(wù)器連接。

　　3 系統集成與軟件編制

　　3.1 系統目標

　　系統目標是在4G-Ready 的框架上，構建一個(gè)高速Wi-Fi無(wú)線(xiàn)數據通信網(wǎng)絡(luò )，采集目標對象的GPS 衛星定位信息和現場(chǎng)視頻圖像信息，由所開(kāi)發(fā)的《Wi-Fi 無(wú)線(xiàn)數據通信網(wǎng)絡(luò )管理系統》予以分析和處理。

　　3.2 系統構成

　　系統設計包括搭建Wi-Fi 無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )平臺、多層架構軟件和嵌入式Linux-C 程序運行平臺。

　　項目的系統網(wǎng)絡(luò )拓撲如圖2 所示，Wi-Fi 為采用CSMA/CA的訪(fǎng)問(wèn)機制的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議；AP 為無(wú)線(xiàn)LAN 接入端點(diǎn)設備；Bridge是工作在數據鏈路層的網(wǎng)橋，功能是連接2 個(gè)局域網(wǎng)（LAN）。

　　Switch 為網(wǎng)絡(luò )交換機，功能是構建網(wǎng)絡(luò )平臺的網(wǎng)絡(luò )交換。

　　圖2 項目系統網(wǎng)絡(luò )拓撲示意

　　項目系統包括ARM9 內核的嵌入式系統模板、GPS 衛星定位信息接收設備和Bluetooth 適配器，完成GPS 與ARM 嵌入式系統的無(wú)線(xiàn)通信工作；IP Camera 為IP 地址接入型微型數碼攝像機。

　　3.3 系統硬件組成

　　3.3.1 EP9302 嵌入式系統技術(shù)性能和配置

　　EP9302 的內部結構如圖3 所示，項目使用的EP9302嵌入式模板上配置有200 MHz 的ARM920T 處理器，配置的I/O 接口包括10/100 Mb/s 以太網(wǎng)控制器、2 路UART/2 路USB2.0 /紅外接口、5 通道ADC 接口、串行外圍接口（SPI）、2 通道串行音頻接口（I2S）和AC‘97 接口等。

　　圖3 EP9302 內部結構

　　3.3.2 Bluetooth適配器技術(shù)性能與配置

　　項目采用LM048 藍牙RS-232 串口適配器進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信系統連接。LM048 主要技術(shù)性能是：使用頻率為2.4~2.4835GHz，波特率設置支持8~230.4 Kb/s，以點(diǎn)-點(diǎn)方式通信，使用TxD， RxD， GND， CTS， 和RTS 信號連接。

　　3.3.3 AP 和Bridge 技術(shù)性能與配置

　　項目采用BUFFALO AirStation WLA-G54C無(wú)線(xiàn)AP+中繼橋接器，這是建立無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )的主要設備，具有安全性機制，支持Wi-Fi Protected Access（WPA）、AES、802.1×和WEP.AirStation 54 Mb/s 支持無(wú)線(xiàn)分布系統（WDS）或者點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)的通信方式。另外，該產(chǎn)品還支持外置的2.4 GHz 天線(xiàn)，可以擴展傳輸范圍。

　　3.3.4 IP cameral 技術(shù)性能與配置

　　IP 網(wǎng)絡(luò )攝像機是一種多媒體網(wǎng)絡(luò )應用設備，使用Web頁(yè)面配置和管理圖像，在10 M 或100 M 網(wǎng)絡(luò )上以30 幀/秒的速度傳輸圖片，并以 MPEG-4/MJPEG 格式生成高質(zhì)量的圖像。

　　3.4 系統應用軟件設計

　　3.4.1 RS-232 異步串行通信接口程序設計