面向Wi-Fi客戶機(jī)的低端微控制器

Wi-Fi這種可以讓各類裝置與互聯(lián)網(wǎng)、WLAN相連的無(wú)線網(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(xiàn)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)線技術(shù)，以提供快速、可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接。它是一種小型化、緊湊的移動(dòng)客戶機(jī)裝置，也是一種工業(yè)、辦公室和家庭無(wú)線自動(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(jié)約成本和降低功耗的替代方案。

 WLAN可以按端到端(專設(shè)模式)或者客戶機(jī)/服務(wù)器(基礎(chǔ)架構(gòu)或者BSS模式)的配置形式建立。本文將討論客戶機(jī)/服務(wù)器型的WLAN實(shí)現(xiàn)。

客戶機(jī)/服務(wù)器基礎(chǔ)架構(gòu)

客戶機(jī)/服務(wù)器 WLAN架構(gòu)由兩端組成：一個(gè)接入點(diǎn)和一個(gè)客戶站(client station)(見(jiàn)圖1)。接下來(lái)的討論將對(duì)每一端及相應(yīng)的技術(shù)作出定義。

圖1  客戶機(jī)/服務(wù)器 WLAN架構(gòu) 

接入點(diǎn)(AP)—無(wú)線接入點(diǎn)(AP)可以擔(dān)當(dāng)無(wú)線客戶機(jī)和WLAN或者互聯(lián)網(wǎng)之間的橋梁的角色。AP需要功能強(qiáng)大的硬件，以便完成處理和分發(fā)。AP必須完成一個(gè)無(wú)線接口到另一個(gè)無(wú)線接口的橋接，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)有線的接口。它還必須與附近其他的AP進(jìn)行通信，對(duì)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模式的客戶站部分也可以發(fā)揮重要的作用。

客戶站—客戶站裝置的類型從小的手持式一直到膝上機(jī)、PC和帶有Wi－Fi能力的車輛?？蛻粽臼荳LAN數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的末端，因此也無(wú)需橋接。類似的，它也無(wú)需為信道交換或者其他通信管理功能而操心。

因?yàn)閃i－Fi網(wǎng)絡(luò)的客戶站部分具有內(nèi)在的簡(jiǎn)單性，因此它是8位技術(shù)的一種理想應(yīng)用對(duì)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。此類的處理器建立在經(jīng)過(guò)增強(qiáng)的Z80內(nèi)核之上，可以高達(dá)50MHz的速度運(yùn)行。這些處理器可以讓小的客戶站應(yīng)用具備嵌入式的、訪問(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(biāo)，在這些小的客戶站應(yīng)用中，低功耗、成本經(jīng)濟(jì)性和設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單與緊湊性，都是關(guān)鍵要素。緊湊的客戶站可以在車載導(dǎo)航系統(tǒng)、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(fèi)類產(chǎn)品等應(yīng)用中找到自己的歸宿?；?位處理器的設(shè)計(jì)能滿足通信處理的需求的話，則此類應(yīng)用是理想的目標(biāo)。

如今的8位微處理器和處理機(jī)具有價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，但它們的功能也足以完成復(fù)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(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸和通信應(yīng)用，它們服務(wù)于那些需要具備無(wú)線連接能力的應(yīng)用也有一段時(shí)間了。

無(wú)線自動(dòng)化

考慮一個(gè)完全自動(dòng)化的建筑，在這幢建筑中，空調(diào)、煙霧報(bào)警器、安全警報(bào)和其他高級(jí)系統(tǒng)的部署都依賴微控制器來(lái)完成。在一個(gè)典型的應(yīng)用中，管理員或者工程師可以在一個(gè)Wi-Fi無(wú)線所覆蓋的區(qū)域或者熱點(diǎn)上利用具備Wi-Fi能力的膝上機(jī)來(lái)對(duì)各種設(shè)置進(jìn)行控制與監(jiān)測(cè)。有待控制和監(jiān)管的裝置都通過(guò)掛在一個(gè)I2C的總線上的或者連接到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(tǒng)可以是單線程或者多線程的應(yīng)用，具體則取決于項(xiàng)目要求和系統(tǒng)的復(fù)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(duì)接的PCMCIA接口。

其他功能特色，如I2C/SPI總線支持，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)線接口驅(qū)動(dòng)；

控制具體裝置的驅(qū)動(dòng)；

一個(gè)在套裝之上運(yùn)行的應(yīng)用，對(duì)于某些應(yīng)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(tǒng)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(diào)機(jī)的各種部件。該空調(diào)機(jī)的溫度傳感器和控制器通過(guò)GPIO與微控制器相接口。其驅(qū)動(dòng)可以通過(guò)這些GPIO端口讀取數(shù)字溫度傳感器的信息或者將信息寫入傳感器，用戶可以通過(guò)一個(gè)HTTP服務(wù)器調(diào)用該驅(qū)動(dòng)，完成溫度信息的獲取和設(shè)定。

圖2  帶微控制器的空調(diào)機(jī)結(jié)構(gòu) 

一般情況下，建筑物的經(jīng)理或者工程師如果希望監(jiān)測(cè)建筑物的溫度或者改變建筑物的任何一部分的溫度的話，就會(huì)打開(kāi)他們的膝上計(jì)算機(jī)，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(shè)定信息。這個(gè)HTTP瀏覽器程序可以是一種定制化的客戶機(jī)，具體則取決于設(shè)計(jì)、復(fù)雜性和其他要求。

一個(gè)請(qǐng)求通過(guò)AP發(fā)到服務(wù)器。而服務(wù)器檢測(cè)出需要查詢當(dāng)前溫度的請(qǐng)求后，會(huì)調(diào)用相應(yīng)的程序來(lái)從裝置讀取溫度，準(zhǔn)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接口送回客戶機(jī)。

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(jié)構(gòu)(Constant-Strucfured)的緩沖器保存著文件名、大小和對(duì)應(yīng)的緩沖區(qū)。無(wú)需通過(guò)文件系統(tǒng)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，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。

類似的概念也可以應(yīng)用到家庭自動(dòng)化方面：從住宅內(nèi)或者任何Wi-Fi熱點(diǎn)以無(wú)線的方式控制具備Wi-Fi能力的冰箱、微波爐、洗衣機(jī)、電子門鎖系統(tǒng)或者任意數(shù)量的Wi-Fi使能的裝置。

具有Wi-Fi能力的車輛

圖2所示的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只需經(jīng)過(guò)一兩下改動(dòng)就可以在多個(gè)位置上應(yīng)用，具體則取決于待控制的裝置以及應(yīng)用場(chǎng)合。例如，一個(gè)用于車輛導(dǎo)航的類似系統(tǒng)將需要一些I/O裝置，如觸摸屏圖形LCD顯示器和一個(gè)讀寫的驅(qū)動(dòng)。這有助于建立協(xié)議應(yīng)用的客戶機(jī)部分，例如一個(gè)定制化的瀏覽器和遠(yuǎn)程登錄客戶機(jī)。

借助車上系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的車輛相互之間的通信能力，對(duì)8位微控制器來(lái)說(shuō)是一個(gè)絕好的客戶站應(yīng)用分區(qū)。具有Wi-Fi能力的微控制器可以用于保安和遠(yuǎn)程報(bào)警。如果汽車的煙霧探測(cè)器和保安系統(tǒng)連接到微控制器，則當(dāng)發(fā)生任何問(wèn)題時(shí)，具有Wi-Fi能力的轎車可以發(fā)送一個(gè)email消息來(lái)吸引車主的及時(shí)注意。

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

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

消費(fèi)市場(chǎng)上的Wi-Fi

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

隨著商人們尋找吸引客戶的新方法，具有Wi-Fi能力的個(gè)人電子產(chǎn)品的消費(fèi)類市場(chǎng)上的應(yīng)用正在擴(kuò)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(fèi)類電子商店內(nèi)，替換那些用在客戶希望購(gòu)買的物品上的代貨標(biāo)簽(pull ticket)。只需使用一個(gè)簡(jiǎn)單的裝置，顧客就可以訂購(gòu)所需要的一個(gè)物品，通過(guò)一個(gè)無(wú)線支付系統(tǒng)為其付款，然后繼續(xù)購(gòu)物，同時(shí)所購(gòu)買的物品實(shí)時(shí)從庫(kù)存中被提取出來(lái)。無(wú)線電子支付系統(tǒng)為8位客戶站提供了機(jī)會(huì)。恰當(dāng)?shù)腤i－Fi和電子數(shù)據(jù)交換技術(shù)就位之后，移動(dòng)的Wi－Fi客戶站就可以起到無(wú)線借記卡或者信用卡的作用，用于電子通行費(fèi)征收、免下車(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(shè)計(jì)工程師們的頭腦里也已經(jīng)開(kāi)始浮現(xiàn)消費(fèi)類娛樂(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(gòu)成的Wi-Fi收發(fā)機(jī)。添加這種能力來(lái)處理無(wú)現(xiàn)金交易的話，則消費(fèi)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?yàn)槔?位元件提供如此的連接能力所需的開(kāi)銷很低。

對(duì)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(shù)字日記本，它可以從一個(gè)具有Wi-Fi能力的售貨機(jī)上下載道路地圖和交通信息等信息。此類裝置甚至可以旅行組織所采用，如美國(guó)的AAA，使得它們?yōu)樽约旱某蓡T提供增值服務(wù)。

結(jié)語(yǔ)

Wi-Fi正在迅速成長(zhǎng)為一項(xiàng)成熟技術(shù)。隨著它達(dá)到成熟階段，而且隨著標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)的穩(wěn)定，Wi-Fi客戶站對(duì)于用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證而且低價(jià)的8位處理器來(lái)建構(gòu)的緊湊裝置的吸引力正越來(lái)越強(qiáng)。8位處理器的成本經(jīng)濟(jì)性和低功耗特性為中、小規(guī)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(fèi)者帶來(lái)更大的多樣性和更豐富的選項(xiàng)。